Actuaciones en ascenso

Cuando hablamos anteriormente del despegue, vimos que la distancia o más correctamente,  el "requisito de longitud de pista" para un avión es mayor que la distancia real para poner el avión en el aire. Esto se debe a que lo que se indica en los manuales es la distancia de despegue segura que necesitamos si un motor falla en el punto más crítico y tenemos que tomar la decisión de parar (todavía no hemos despegado) o continuar el despegue para poder sobrepasar un obstáculo de 10 m (35 pies).

Ascenso después del despegue

Para esta parte, suponemos que nuestro despegue se ha efectuado en condiciones normales y que continuamos con el ascenso desde el punto de nuestro obstáculo. En el siguiente diagrama podemos ver la velocidad de ascenso a través de las distintas alturas que vamos pasando hasta llegar a nuestro nivel de vuelo final. La línea roja es el límite del avión (la envolvente segura de vuelo). Justo después del despegue, aceleramos hacia el punto (a).

Se pueden ver las velocidades del eje inferior en el diagrama. Puede parecer algo complicado inicialmente, pero el lector se dará cuenta enseguida que no lo es. Vamos a ir viéndolo paso a paso y explicaremos por qué se utilizan estas velocidades. Lo primero que hemos hecho incluso antes de llegar a este punto (a) es retraer nuestro tren de aterrizaje. A medida que aumenta nuestra velocidad, comenzamos a retraer nuestros flaps (primero se retraen los flaps y luego los slats, ver post para una explicación de esto). Esta operación se lleva a cabo normalmente cuando hemos alcanzado 20-30 nudos por encima de nuestra velocidad de seguridad, V2. V2 o la velocidad de seguridad es la velocidad mínima que debemos mantener si perdemos un motor, nuestro ángulo de ascenso debe ser positivo con un gradiente mínimo de 2,4% (normativa estándar de certificación FAA/EASA). Nuestro avión para este ejemplo es el Embraer E-Jet 195. Este aparato tiene una velocidad de seguridad de alrededor de 145kts. En un despegue normal, habríamos alcanzado aproximadamente los 180 kts cuando empezamos a retraer los dispositivos hipersustrentadores, probablemente esto ocurrirá hacia los 1.500 pies, que es el punto donde normalmente comienza la fase de ascenso en el software de planificación de vuelo.

Desde los puntos (b) al (c) mantenemos 210 kts debido a una restricción en la SID hasta que alcanzamos la altura de transición (7.000 pies). Después de esto aceleramos en el ascenso hasta alcanzar el punto (d). Esta escalada inicial se realiza con 250 kts de velocidad indicada del aire (IAS)  para evitar las colisiones entre las aeronaves que salen del aeropuerto. Una vez a 10.000 pies o FL100, es normal que salgamos del Área de control de TerMinal (TMA) y que podamos elegir nuestra propia velocidad. Nuestro número Mach de crucero en nuestra altitud de crucero es M 0.76.

En el ascenso, un Mach de alrededor de 0.74 sería una velocidad apropiada (para minimizar la resistencia), no es económico acelerar a Mach 0,76 cuando todavía estamos en FL100. Por lo tanto, aceleramos a 300kts (velocidad indicada) cuando nos dirigimos al punto (e) y mantenemos esa velocidad desde FL270 (crucero inicial) hasta los 29.000 pies o FL 290 en el punto (f). En este punto (alrededor de FL290) es donde se produce el cross-over o punto de cambio en el que es necesario dejar de volar con IAS para volar con el Machmeter. Caso de seguir ascendiendo con IAS podríamos sobrepasar los límites (línea roja). Por ese motivo el ascenso hasta la fase final de crucero se realiza a Mach constante (línea azul) hasta alcanzar FL370. Para ver que es lo que ocurre entre IAS, TAS y MN es conveniente echar un vistazo al siguiente diagrama donde se relacionan los tres valores. Las líneas rojas son los límites de certificación de nuestro avión. A bajas altitudes el Vmo es más limitante una vez que se pasa el cross-over el valor limitante es Mmo.

Imaginemos que nuestro ascenso es la línea morada punteada. En el gráfico se puede ver que cuando ascendemos nuestra número de Mach aumenta. Vemos también que en el cross-over seguimos un ascenso con Mach constante y por ello nuestra IAS disminuye. Esto es natural, a medida que volamos en ascenso con Mach constante, la velocidad del sonido se hace más lenta (porque el aire se vuelve más frío). Nuestra IAS se hace más baja porque la densidad del aire disminuye. Una vez en la altitud de crucero, a Mach de 0.76, nuestra velocidad indicada se mantiene establece.

¿Por qué IAS y Mach?

¿Por qué estas dos velocidades son tan importantes? Porque nos dicen mucho sobre cómo vuela el avión, una durante el vuelo lento y el otro en el vuelo rápido.

La velocidad aerodinámica indicada es una buena representación de la presión dinámica del aire sobre la aeronave y, por lo tanto, cuánta sustentación podemos generar con nuestra ala si la necesitamos. A una velocidad de seguridad V2 de 145 kts después del despegue, estamos a unos 30 kts de la velocidad en la que la corriente descendente desde las alas deja de fluir. Si reducimos la velocidad a esa región, el ala está tratando de curvar la corriente descendente de aire más de lo que puede conseguir y el flujo se desprende de la superficie del ala, sentiremos un buffeting de baja velocidad y finalmente entramos en la pérdida y el avión se desploma. Por el contrario, a medida que aumenta la IAS, puede que alcancemos el Mach crítico y si llegamos a sobrepasarlo estaremos en una región límite donde sentiremos también el buffeting, pero esta vez a gran velocidad. Esto suele ocurrir también a gran altitud. Por ese motivo es importante saber nuestro Mach y así controlar la velocidad máxima y la altura. Si volamos más allá de M 0.78, nuestras regiones de flujo supersónico en el extradós del ala comienzan a crecer. Eventualmente, serán tan grandes que sus ondas de choque harán que la corriente de aire se desprenda de nuestra ala.

La disminución gradual de la IAS cuando volamos a Mach constante hace que un avión que vuela muy alto se encuentre en un segmento de velocidades (máxima-míinima) que se encuentran muy cerca una de la otra. Esto se llama coffin corner porque el avión está acotado en ambos lados (ver imagen debajo). Si vas más rápido entras en pérdida de alta velocidad y si reduces la velocidad entras en pérdida de baja velocidad. Un avión comercial tiene amplios márgenes tanto para el buffet de baja velocidad como para el de alta velocidad en sus altitudes normales de crucero, pero un avión que vuele muy alto, como un U2 no lo tiene. Este avión vuela con solo unos pocos kts por encima y por debajo de la pérdida en su altitud de crucero de 70.000 pies.

Velocidad verdadera (TAS)

La velocidad indicada y Mach no nos dicen qué lo rápido que estamos volando en relación con el aire o sobre tierra. Por lo tanto, también necesitamos saber la True Air Speed, TAS, la velocidad del avión en relación con el aire. Si volamos en un día sin viento, la True Air Speed ​​también nos dice lo rápido que viajamos en relación con el suelo, en ese caso IAS = TAS.

La gráfica anterior podemos ver la velocidad verdadera del aire. Ahora podemos comparar la velocidad indicada y la velocidad verdadera. Vemos que al ascender a IAS constante la TAS aumenta. Cuando nos acercamos a nuestra altitud de crucero y pasamos a volar con Mach constante nuestra TAS comienza a disminuir. 

Resistencia durante el ascenso

La gráfica que se muestra a continuación se ve una estimación de la resistencia en un Boeing 737 MAX 8 a medida que asciende desde la altitud de velocidad de seguridad hasta una altitud de crucero inicial de 31.000 pies y luego, finalmente, a la altitud de crucero fianl de 41.000 pies.

La línea azule es la resitencia inducida y la línea roja es la resistencia parásita. Se puede ver claramente que la resistencia inducida decrece a medida que se acelar el avión (como se ve en el primer gráfico) hasta que el aire se vuelve muy fino después de 10.000 pies y comienza a aumentar nuevamente a gran altura debido a las ondas de choque. La resistencia parásita aumenta con la velocidad del aire pero a medida que avanzamos a grandes altitudes (más de 10.000 pies), la fricción del fuselaje disminuye lo suficiente como para comenzar a descender y casi encontrarse con la resistencia inducida cuando se alcanza el máximo nivel de vuelo de este avión. La resistencia durante el despegue y el ascenso dicta la cantidad de empuje que nos queda para el ascenso. 

En resumen, en el ascenso el perfil típico de un avión comercial utiliza velocidad indicada (IAS) para vuelos de baja velocidad y el número de Mach para vuelos de alta velocidad. La razón es que estos dos tipos de velocidad le dicen al piloto cómo se comportaría la aeronave cuando se acercara a uno u otro límite. A baja velocidad sentiremos el buffet de baja velocidad y finalmente se entrará en pérdida. A alta velocidad, el límite es un buffet de alta velocidad y, en última instancia, entraríamos en un picado (Mach Tuck) con otros efectos adversos que podrían dañar incluso la estructura del avión.

Las dos velocidades que usa el piloto para volar la aeronave no ayudan a la navegación, para eso se necesita la True Air Speed, TAS. Esta velocidad describe lo rápido que vuela el avión a través del aire y, cuando se tiene en cuenta el efecto de los vientos, se pued ecalcular la velocidad sobre el terreno.  Esta es la velocidad que se necesita saber al planificar el vuelo. Indica cuánto tiempo tiene que estar el avión en el aire antes de llegar al destino. En nuestro próximo post veremos el descenso desde una altura de crucero, la aproximación y el aterrizaje.

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