El modelo E-M explicado de forma sencilla

Para poder entender bien el concepto Energía Maniobra (EM) tenemos que empezar por familiarizarnos con las dos energías básicas que puede gestionar un piloto. Estas son la altitud y la velocidad (que son intercambiables). Vamos a explicarlo de una forma sencilla con dos gráficos, puesto que esto es realmente el fundamento del vuelo.

El combustible ayuda a conseguir el empuje necesario para ganar altura o velocidad (o ambas), pero una vez utilizado, este no puede usarse para nada más. Por eso decimos que la energía química contenida en el combustible no es intercambiable. Debajo se puede ver una visión conceptual de lo que se entiende como gestión de energía en vuelo. Nótese que la resistencia al avance (Drag) resta eficacia al empuje (de ahí la importancia de un diseño limpio aerodinámicamente hablando).

Se puede ver el mismo concepto en una forma mucho más esquemática o formal (sin llegar ninguna fórmula) debajo. Es lo que se conoce como la analogía de los depósitos o contenedores de energía. Donde la letra E representa un tipo de energía, T es el empuje (Throttle) y D es la resistencia al avance.

La analogía de los contenedores o depósitos de energías describe el papel que juegan el empuje (Throttle) y el elevador en el control de la energía de una aeronave. El empuje (Throttle) controla la "válvula" que regula el flujo de energía total o energía neta, mientras que el elevador controla la "válvula" que regula la distribución de energía entre la altitud y la velocidad del aire. Las flechas representan flujos de energía, no una dirección relativa de fuerzas o flujos de aire. Hay que tener en cuenta que los flujos de energía de empuje (ET) y de resistencia (ED) son unidireccionales.

Una vez que la energía del combustible se convierte en empuje, no puede volver a los tanques de combustible. Del mismo modo, la energía perdida a través de la resistencia es irrecuperable. En contraste, el flujo de energía total o energía aprovechable ET-D (es el resultante de la diferencia entre empuje y resistencia), así como los flujos de energía de altitud (Epot) y la velocidad (Ecin) pueden cambiar de dirección a medida que la energía se mueve hacia dentro o hacia fuera de los depósitos. Finalmente, hay que darse cuenta de que la energía almacenada también puede intercambiarse entre depósitos sin perderse. Una vez entendidos los flujos de energía podemos pasar a explicar el concepto EM. 

Los investigadores del departamento defensa de los Estados Unidos han estado interesados durante mucho tiempo en predecir las trayectorias óptimas de los aviones de caza durante el combate aéreo. Los modelos de combate aéreo se basan en parte en la teoría de la maniobrabilidad energética (EM), un concepto importante que vincula el estado energético de un avión con su rendimiento potencial (ver el libro de Shaw, 1985). Basados en esto, los pilotos de combate usan tácticas de gestión de energía para maniobrar y superar a sus oponentes durante el combate aéreo.

¿Qué dice esta teoría y por qué es importante para debatir sobre aviones?

La teoría de la maniobrabilidad basada en la energía es un modelo del rendimiento de la aeronave. Es muy útil para describir el rendimiento de un avión como el total de energía cinética y potencial o energía específica de la aeronave. Relaciona en una sola fórmula el empuje, el peso, la resistencia aerodinámica, el área del ala y otras características de vuelo de una aeronave en un modelo cuantitativo. Esto permite, entre otras cosas, predecir y comparar las capacidades de combate de varias aeronaves. También permite saber lo que ganamos y lo que perdemos en términos de energía al hacer modificaciones a las aeronaves. Todos estos aspectos del rendimiento del avión se comprimen en un valor único mediante la siguiente fórmula:

Donde:

• Ps es la energía (aunque dimensionalmente tiene unidades de velocidad)
• V es la Velocidad
• T es empuje (Thrust en inglés)
• D es la resistencia (Drag en inglés)
• W es el peso (Weight en inglés)

La teoría E-M se convirtió en el estándar mundial para el diseño de aviones de combate, pero también es muy útil en aviación comercial para entender las capacidades de una aeronave. 

La energía es la capacidad de producir trabajo y se presenta en muchas formas diferentes. La energía química por ejemplo, se transforma en empuje en un motor de reacción, El calor, la luz y el electromagnetismo son también formas de energía. Cuando se estudian las actuaciones de los aviones, se hace referencia a la energía mecánica, que está compuesta por: la altitud (energía potencial) y la velocidad (energía cinética). Cuando un avión vuela, se dice que posee energía cinética porque la masa del avión lleva una aceleración. Cuanto más pesa un avión en vuelo, más energía tiene, o en otras palabras, la energía cinética es proporcional a la masa y a la velocidad.

El zoom o trepada para ganar altura

Cuando un avión se encuentra a una altura concreta, dejando que el avión descienda, la gravedad puede hacer que aumente su velocidad y por lo tanto, su energía cinética. Por ese motivo consideramos a la altitud como energía potencial, ya que potencialmente tiene la capacidad de aumentar la velocidad del avión. He aquí uno de los elementos básicos de todo el sistema. La transformación de una energía en otra. El avión puede acelerar simplemente dejándolo descender, por lo tanto la energía potencial es proporcional a la masa del avión y a la altura a la que este se encuentra para empezar a descender.

En el caso de los aviones , cualquier combinación de velocidad y altura puede ser descrita como un "estado de energía" determinado. Para poder comparar dos aviones diferentes, es conveniente prescindir del peso de los aviones para simplificar las cosas. Esta simplificación nos permitirá comparar los dos estados de energía de los aviones y así obtener una imagen clara de las velocidades y alturas relativas. El resultado es una capacidad conocida como "energía específica" a la que nombraremos (Es). Matemáticamente esta energía vendría expresada de la siguiente manera:

Donde H es la altura sobre una referencia arbitraria, aunque a menudo se utiliza el nivel del mar; V es la velocidad verdadera o TAS del avión y g es la aceleración de la gravedad. La energía específica (Es) puede expresarse entonces en pies o metros según tratemos los valores H,V y g.

H en pies; V en pies/seg y g = 32,2 pies/seg^2 nos da Es en pies. 

H en metros; V en metros/seg y g = 9,81 m/seg^2 nos da Es en metros. 

De la ecuación anterior se deduce que diversas combinaciones de velocidades y altitudes se puede obtener una Energía Específica (Es) constante, es decir, (Es) no varía si disminuya la altura pero se aumenta la velocidad como en el ejemplo de debajo.

En el gráfico que sigue podemos ver las líneas de (Es) con valor constante en una diversidad de combinaciones de velocidad y altura. Cada línea por lo tanto representa un mismo estado de energía. El gráfico es valido para cualquier avión o incluso para cualquier piedra u objeto.

Se ha representado en la gráfica un zoom ideal que se comienza a 600 nudos y 25.000 pies de altura con una Es determinada y se acaba en 40.000 pies sin velocidad ninguna, pero con la misma Es. Esto ilustra muy bien como pueden intercambiarse ambas energías (cinética por potencial y viceversa) quedando la energía total constante. Teóricamente podríamos tirar de la palanca de nuestro avión a 600 nudos y 25.000 pies para acabar subiendo en una brutal trepada hasta los 40.000 pies de altura. Eso si, a esa altura llegaríamos sin velocidad ninguna para volver a caer en pérdida. 

Esto es lo que le sucede a Chuck Yeager en la escena de la fenomenal Elegidos para la gloria cuando trata de batir el récord de altura con el nuevo avión YF-104A. Yeager llega a los límites del Zoom sin apenas velocidad. Llega tan alto que incluso puede ver las estrellas, pero su avión cae como una piedra descontrolado ganando velocidad y perdiendo altura de una manera aterradora. 

Como decimos esto es en teoría, pues en la práctica existen otros factores, como el del rozamiento y la resistencia aerodinámica sin ir más lejos, que impedirían alcanzar estas condiciones tal cual se comenzaron. 

Para contrarrestar los efectos adversos del rozamiento y la resistencia aerodinámica que tienden a disminuir el estado de energía, se utiliza el empuje. Efectivamente, el estado de energía del sistema puede cambiar con la adición de potencia/empuje. El empuje incrementa el estado de energía. El régimen de cambio de (Es) se conoce como "exceso de potencia específica" (Ps) y viene dado por la ecuación:

 (2)

donde T es el empuje total del motor (thrust) en libras, D es la resistencia aerodinámica total del avión (Drag) en libras, W es el peso del avión en libras y V es la velocidad verdadera o TAS expresada en pies/segundo. La ecuación anterior nos dice que siempre que el empuje sea mayor que la resistencia aerodinámica, el (Ps) será una cantidad positiva, dando como resultado un incremento de la energía, es decir, un ascenso o una aceleración del avión. Por el contrario, si la resistencia aerodinámica excede el empuje en cualquier momento, la energía disminuirá. El Ps de un avión con unas condiciones dadas de peso, configuración, empuje del motor, velocidad, altitud y factor de carga, determina las características disponibles, o "energía de maniobra" en esas condiciones. Energía de maniobra puede definirse por tanto como la capacidad para cambiar el estado de energía, es decir, la capacidad para ascender o acelerar. Si recordamos la ecuación que vimos anteriormente:

 (1)

La energía (Es) no cambia al compensar altura y velocidad. En esta fórmula, hemos omitido el peso del avión de manera deliberada para facilitar su compresión el la gráfica de arriba y entender el zoom ideal. Sin embargo, en la realidad esto no se da, ya que el avión necesita un tiempo finito para realizar esta maniobra del zoom y a la vez este está sujeto al peso, empuje, resistencia, etc. (es decir, del Ps) durante la maniobra. La cantidad de energía ganada o perdida en el zoom depende del valor medio del Ps durante ese periodo. 

Para explicar este concepto imaginemos dos aviones diferentes, convengamos en que uno es más pesado que otro porque lleva más combustible/carga. Si ambos comienzan el zoom a la misma velocidad y a la misma altitud (es decir, el mismo Es), la ecuación (2) muestra que el avión más ligero tendrá un Ps mayor, por lo tanto conseguirá más energía durante el zoom, y finalizará el zoom más alto que el avión más pesado. Por lo tanto, el Ps así como el estado de energía deben de ser tenidos en cuenta cuando se calcule la capacidad de energía, o la "altura real de energía" de un avión.

¿Cómo se lee el diagrama E-M en un caza?

Aquí debajo vemos un típico diagrama E-M del F-16 con el motor PW F100-229 a nivel del mar. El peso del avión son 10 toneladas y vuela en un día estándar sin pilones bajo las alas ni cargas externas. Estos gráficos se obtienen combinando varias técnicas: ensayos en vuelo, ensayos en el túnel de viento, datos teóricos y, más recientemente, mediante modelos obtenidos por ordenador.

En el eje X tenemos la Velocidad del caza (en número de Mach) y en el Eje Y tenemos Régimen de viraje (en grados por segundo), todo ello para una altura determinada, en este caso nos encontramos a nivel del mar.  La cima, es la famosa Velocidad de Esquina (Ve) -corner speed-, se trata de la velocidad en la que el caza vira más rápido (en el gráfico se alcanza con 8 G's). En este punto de la gráfica es donde quieren estar los pilotos en el momento decisivo, para apuntar el morro donde más convenga antes que el enemigo y así disparar primero.

La línea verde que se suele representar con Ps = 0 FPS (donde no se gana o pierda altura) nos indica la zona que representa el Máximo Régimen de Viraje Sostenido. El máximo régimen de viraje se encuentra en la cima, pero el problema de estar en ella es que, si se exprime al máximo, se dura muy poco. La velocidad del caza en la línea verde es la que permite al piloto mantener un régimen de viraje sin penalizar la velocidad, o sea, sin quedarse colgado, tirado o falto de energía. A la izquierda se puede ver el radio de viraje más cerrado posible. En este caso el gráfico nos señala 1.217 pies o unos 370 metros. Es el punto en el que el piloto intenta quedar por dentro del viraje del adversario y conseguir la oportunidad de disparo.

En este gráfico se muestra una comparativa del radio a máxima velocidad de viraje sostenida entre el F-4E, el F-15C, el F-16C y el A-14B a 10.000 pies de altura. La cruz es la marca de la situación del avión después de iniciar el viraje. También se indica el radio, la velocidad y las g's del viraje. A la derecha se puede ver el radio mínimo en un viraje sostenido.