El ángulo de pérdida (también conocido como techo aerodinámico [1] o ángulo Q ) es la región de vuelo donde la velocidad de pérdida de un avión de ala fija rápido pero subsónico está cerca del número de Mach crítico , con un peso bruto y una carga de fuerza G determinados . En esta región de 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 se detenga y pierda altitud. Debido a que el número de Mach crítico 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 incline fuertemente el morro hacia abajo y pierda altitud.
La "esquina" se refiere a la forma triangular en la parte superior de un diagrama de envolvente de vuelo donde la velocidad de pérdida y el número de Mach crítico están a unos pocos nudos uno del otro. El "ataúd" se refiere a la posible muerte en este tipo de pérdidas. La velocidad donde se encuentran es el techo de la aeronave. Esto es distinto del mismo término utilizado para los helicópteros cuando están fuera de la envolvente de autorrotación, como se ve en el diagrama de altura-velocidad .
El análisis de la estática muestra que cuando un avión de ala fija está en vuelo recto y nivelado a velocidad aerodinámica constante , la sustentación en el ala principal más la fuerza (en sentido negativo si es hacia abajo) en el estabilizador horizontal es igual al peso del avión y su empuje es igual a su resistencia aerodinámica. En la mayoría de las circunstancias, este equilibrio puede ocurrir en un rango de velocidades aerodinámicas. La velocidad mínima de este tipo es la velocidad de pérdida, o V SO . La velocidad aerodinámica 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 están en un ángulo de ataque alto .
A mayor altitud , la densidad del aire es menor que a nivel del mar. Debido a la reducción progresiva de la densidad del aire, a medida que aumenta la altitud del avión, su velocidad aerodinámica real es progresivamente mayor que su velocidad aerodinámica indicada. Por ejemplo, la velocidad aerodinámica indicada a la que un avión entra en pérdida puede considerarse constante, pero la velocidad aerodinámica real a la que entra en pérdida aumenta con la altitud.
El aire conduce el sonido a una determinada velocidad, la " velocidad del sonido ". Esta velocidad se hace más lenta a medida que el aire se enfría. Como 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 aerodinámica dada, dividida por la velocidad del sonido en ese aire, da como resultado una relación conocida como el número de Mach . Un número de Mach de 1,0 indica una velocidad aerodinámica 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 aerodinámica real para un número de Mach dado generalmente disminuye con la altitud. [2]
A medida que un avión se desplaza por el aire más rápido, 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 resistencia , lo que provoca una sacudida de Mach o cambia drásticamente el centro de presión , lo que da como resultado un momento de morro hacia abajo llamado " Mach tuck ". El número de Mach de la aeronave en el que aparecen estos efectos se conoce como su número de Mach crítico o M CRIT . La velocidad aerodinámica real correspondiente al número de Mach crítico generalmente disminuye con la altitud.
La envolvente de vuelo es un gráfico de varias curvas que representan los límites de la velocidad aerodinámica y la altitud reales de la aeronave. 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 de Mach crítico en términos de velocidad aerodinámica real, que disminuye a medida que aumenta la altitud. Estas curvas normalmente se cruzan a una 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 un vuelo nivelado, a velocidad constante y con un peso bruto determinado y un factor de carga de 1,0 G. Las altitudes y velocidades específicas de la esquina del ataúd variarán 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 variarán según la temperatura atmosférica real.
Cuando un avión se desacelera por debajo de su velocidad de pérdida, no puede generar suficiente sustentación para cancelar las fuerzas que actúan sobre el avión (como el peso y la fuerza centrípeta). Esto hará que el avión caiga en 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 pone al avión en ascenso. Sin embargo, cuando el ala excede su ángulo de ataque crítico, un aumento en el ángulo de ataque conducirá a una pérdida de sustentación y una mayor pérdida de velocidad aerodinámica: el ala entra en pérdida . La razón por la que el ala entra en pérdida cuando excede su ángulo de ataque crítico es que el flujo de aire sobre la parte superior del ala se separa .
Cuando el avión supera su número de Mach crítico (por ejemplo, durante la prevención de pérdida o la recuperación), aumenta la resistencia o se produce un encogimiento de Mach , lo que puede hacer que el avión se vuelque, pierda el control y pierda altitud. En cualquier caso, a medida que el avión cae, podría ganar velocidad y luego podría producirse una falla estructural , generalmente debido a fuerzas g excesivas durante la fase de recuperación.
A medida que un avión se acerca a su esquina de ataúd, el margen entre la velocidad de pérdida y el número crítico de Mach se hace cada vez más pequeño. Pequeños cambios podrían poner una u otra ala por encima o por debajo de los límites. Por ejemplo, un viraje hace que el ala interior tenga una velocidad aerodinámica menor y la del ala exterior, una mayor. El avión podría superar ambos límites a la vez. O bien, la turbulencia podría hacer que la velocidad aerodinámica cambie repentinamente, superando los límites. Algunos aviones, como el Lockheed U-2 , operan rutinariamente en la "esquina de ataúd". En el caso del U-2, el avión estaba equipado con un piloto automático, aunque no era confiable. [4] El margen de velocidad del U-2, a gran altitud, entre el golpe de advertencia de pérdida de 1 g y el golpe de Mach puede ser tan pequeño como 5 nudos. [5]
Las aeronaves capaces de volar cerca de su número de Mach crítico 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 de Mach o M MO .
Tras una serie de accidentes de aeronaves de alto rendimiento que operaban a gran altitud y a los que no se pudo atribuir una causa concreta, ya que las aeronaves implicadas sufrieron una destrucción casi total, la FAA publicó una Circular de asesoramiento que establece directrices para mejorar la formación de las tripulaciones en operaciones a gran altitud en aeronaves de alto rendimiento. La circular incluye una explicación exhaustiva de los efectos aerodinámicos de las operaciones en las inmediaciones de la zona de ataúdes. [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. Esto fue señalado en un informe que describe el efecto de los cristales de hielo en las indicaciones de velocidad aerodinámica del tubo de Pitot a gran altitud:
"... el ángulo de ataque para el inicio de la sacudida es considerablemente menor que el ángulo de ataque para la pérdida a bajas altitudes. 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 avión comercial de alta velocidad" y presentado en el 24.º Congreso Internacional de Ciencias Aeronáuticas implicó un avión comercial de alta velocidad y capacidad intermedia con alas muy en flecha para realizar pruebas de sacudida a baja velocidad. A una altitud de aproximadamente 13.000 pies, el ángulo de ataque para el inicio de la sacudida se produjo a 16,84 grados. En contraste, en vuelo recto y nivelado a FL 450, el ángulo de ataque para el inicio de la sacudida fue de 6,95 grados. En otras palabras, tenga cuidado con su actitud de cabeceo mientras se encuentre a grandes altitudes debido al rango limitado de ángulo de ataque debido a los efectos de Mach". [6]