La esquina del ataúd (también conocida como techo aerodinámico [1] o esquina Q ) es la región de vuelo donde la velocidad de pérdida de un avión rápido pero subsónico de ala fija está cerca del número crítico de Mach , con un peso bruto y una fuerza G determinados. cargando . En esta región del vuelo, es muy difícil mantener un avión en vuelo estable. Debido a que la velocidad de pérdida es la velocidad mínima requerida para mantener un vuelo nivelado, cualquier reducción en la velocidad hará que el avión entre en pérdida y pierda altitud. Debido a que el número crítico de Mach es la velocidad máxima a la que el aire puede viajar sobre las alas sin perder sustentación debido a la separación del flujo y las ondas de choque, cualquier aumento en la velocidad hará que el avión pierda sustentación, o que se incline fuertemente con el morro hacia abajo, y pierda altitud.
La "esquina" se refiere a la forma triangular en la parte superior de una carta de envolvente de vuelo donde la velocidad de pérdida y el número de Mach crítico están a unos pocos nudos entre sí. El “ataúd” hace referencia a la posible muerte en este tipo de puestos. La velocidad donde se encuentran es el techo del avión. Esto es distinto del mismo término utilizado para los helicópteros cuando están fuera de la envolvente de autorrotación, como se ve en el diagrama altura-velocidad .
La consideración de la estática muestra que cuando un avión de ala fija está en vuelo recto y nivelado a velocidad constante , la sustentación en el ala principal más la fuerza (en sentido negativo si está hacia abajo) sobre el estabilizador horizontal es igual al peso del avión y su empuje es igual a su resistencia . En la mayoría de las circunstancias, este equilibrio puede ocurrir en una variedad de velocidades del aire. La velocidad mínima es la velocidad de pérdida, o VSO . La velocidad indicada a la que un avión de ala fija entra en pérdida varía con el peso del avión, pero no varía significativamente con la altitud. A velocidades cercanas a la velocidad de pérdida, las alas del avión tienen un ángulo de ataque elevado .
A mayores altitudes , la densidad del aire es menor que al nivel del mar. Debido a la reducción progresiva de la densidad del aire, a medida que aumenta la altitud de la aeronave, su velocidad real es progresivamente mayor que su velocidad indicada. Por ejemplo, la velocidad indicada a la que una aeronave entra en pérdida puede considerarse constante, pero la velocidad real a la que entra en pérdida aumenta con la altitud.
El aire conduce el sonido a una determinada velocidad, la " velocidad del sonido ". Esto se vuelve más lento a medida que el aire se enfría. Debido a que la temperatura de la atmósfera generalmente disminuye con la altitud (hasta la tropopausa ), la velocidad del sonido también disminuye con la altitud. (Consulte la Atmósfera estándar internacional para obtener más información sobre la temperatura en función de la altitud).
Una velocidad dada, dividida por la velocidad del sonido en ese aire, da una relación conocida como número de Mach . Un número de Mach de 1,0 indica una velocidad del aire igual a la velocidad del sonido en ese aire. Debido a que la velocidad del sonido aumenta con la temperatura del aire, y la temperatura del aire generalmente disminuye con la altitud, la velocidad real del aire para un número de Mach dado generalmente disminuye con la altitud. [2]
A medida que un avión se mueve más rápido en el aire, el flujo de aire sobre partes del ala alcanzará velocidades cercanas a Mach 1,0. A tales velocidades, se forman ondas de choque en el aire que pasa sobre las alas, lo que aumenta drásticamente la resistencia debido a la divergencia de la resistencia , provocando un golpe de Mach o cambiando drásticamente el centro de presión , lo que resulta en un momento de morro hacia abajo llamado " mach tuck ". El número de Mach del avión en el que aparecen estos efectos se conoce como número de Mach crítico o M CRIT . La velocidad real correspondiente al número crítico de Mach generalmente disminuye con la altitud.
La envolvente de vuelo es un gráfico de varias curvas que representan los límites de la verdadera velocidad y altitud del avión. Generalmente, el límite superior izquierdo de la envolvente es la curva que representa la velocidad de pérdida, que aumenta a medida que aumenta la altitud. El límite superior derecho de la envolvente es la curva que representa el número crítico de Mach en términos de velocidad aérea real, que disminuye a medida que aumenta la altitud. Estas curvas normalmente se cruzan a alguna altitud superior a la altitud máxima permitida para la aeronave. Esta intersección es la esquina del ataúd , o más formalmente la esquina Q. [3]
La explicación anterior se basa en el nivel, la velocidad constante, el vuelo con un peso bruto determinado y un factor de carga de 1,0 G. Las altitudes y velocidades específicas de la esquina del ataúd diferirán según el peso, y el factor de carga aumenta debido a las maniobras de inclinación y cabeceo. . De manera similar, las altitudes específicas a las que la velocidad de pérdida alcanza el número de Mach crítico diferirán dependiendo de la temperatura atmosférica real.
Cuando una aeronave reduce su velocidad por debajo de su velocidad de pérdida, no puede generar suficiente sustentación para anular las fuerzas que actúan sobre la aeronave (como el peso y la fuerza centrípeta). Esto hará que el avión pierda altitud. La caída de altitud puede hacer que el piloto aumente el ángulo de ataque tirando hacia atrás de la palanca, porque normalmente aumentar el ángulo de ataque hace que el avión ascienda. Sin embargo, cuando el ala excede su ángulo crítico de ataque, un aumento en el ángulo de ataque conducirá a una pérdida de sustentación y una mayor pérdida de velocidad: el ala entra en pérdida . La razón por la cual el ala entra en pérdida cuando excede su ángulo crítico de ataque es que el flujo de aire sobre la parte superior del ala se separa .
Cuando el avión excede su número crítico de Mach (como durante la prevención de pérdida o recuperación), la resistencia aumenta o se produce un retroceso de Mach , lo que puede hacer que el avión vuelque, pierda control y pierda altitud. En cualquier caso, a medida que el avión cae, podría ganar velocidad y luego podría ocurrir una falla estructural , generalmente debido a fuerzas g excesivas durante la fase de retirada de la recuperación.
A medida que un avión se acerca a la esquina de su ataúd, el margen entre la velocidad de pérdida y el número crítico de Mach se hace cada vez más pequeño. Pequeños cambios podrían poner a un ala u otra por encima o por debajo de los límites. Por ejemplo, un giro hace que el ala interior tenga una velocidad más baja y el ala exterior una velocidad más alta. El avión podría superar ambos límites a la vez. O bien, la turbulencia podría hacer que la velocidad del aire cambie repentinamente, más allá de los límites. Algunos aviones, como el Lockheed U-2 , operan habitualmente en el "rincón del ataúd". En el caso del U-2, el avión estaba equipado con un piloto automático, aunque no era fiable. [4] El margen de velocidad del U-2, a gran altitud, entre un golpe de advertencia de pérdida de 1 g y un golpe de Mach puede ser tan pequeño como 5 nudos. [5]
Los aviones capaces de volar cerca de su número crítico de Mach suelen llevar un machímetro , un instrumento que indica la velocidad en términos de número de Mach. Como parte de la certificación de aeronaves en los Estados Unidos de América , la Administración Federal de Aviación (FAA) certifica una velocidad operativa máxima en términos de número Mach o MMO .
Tras una serie de accidentes de aviones de alto rendimiento que operaban a gran altitud a los que no se podía atribuir una causa definida, ya que los aviones involucrados sufrieron una destrucción casi total, la FAA publicó una Circular Asesora que establece pautas para mejorar el entrenamiento de las tripulaciones aéreas en operaciones a gran altitud en alto rendimiento. aeronave. La circular incluye una explicación completa de los efectos aerodinámicos y las operaciones cerca de la esquina del ataúd. [3]
Debido a los efectos de un mayor número de Mach en vuelos a gran altitud, las características de vuelo esperadas de una configuración determinada pueden cambiar significativamente. Así lo señaló un informe que describe el efecto de los cristales de hielo en las indicaciones de velocidad del aire con tubo de Pitot a gran altitud:
"... el AOA [ángulo de ataque] para el inicio de la sacudida es considerablemente menor que el AOA de pérdida en altitudes bajas. Por ejemplo, un proyecto de prueba de vuelo realizado por el Consejo Nacional de Investigación de Canadá titulado “Características aerodinámicas de los límites de la sacudida a baja velocidad de un High-Speed Business Jet” y presentado en el 24º Congreso Internacional de Ciencias Aeronáuticas involucraba un jet ejecutivo de alta velocidad y capacidad intermedia con alas muy en flecha para realizar pruebas de buffet a baja velocidad. A una altitud de aproximadamente 13,000 pies, el buffet. El AOA de inicio se produjo a 16,84 grados. En contraste, en vuelo recto y nivelado en FL 450, el AOA de inicio fue de 6,95 grados. En otras palabras, tenga cuidado con su actitud de cabeceo en altitudes elevadas debido al rango limitado de AOA debido a Mach. efectos." [6]