En aerodinámica , la envolvente de vuelo , la envolvente de servicio o la envolvente de rendimiento de una aeronave o nave espacial se refiere a las capacidades de un diseño en términos de velocidad del aire y factor de carga o densidad atmosférica, a menudo simplificada a altitud. [1] [2] El término se aplica de forma un tanto vaga y también puede referirse a otras medidas, como la maniobrabilidad. Cuando un avión es empujado, por ejemplo al lanzarlo a gran velocidad, se dice que vuela "fuera de la envoltura", algo que se considera bastante peligroso.
La envolvente de vuelo es uno de varios términos relacionados que se utilizan de manera similar. Quizás sea el término más común porque es el más antiguo y se utilizó por primera vez en los primeros días de los vuelos de prueba. Está estrechamente relacionado con términos más modernos conocidos como potencia extra y diagrama de caseta de perro , que son diferentes formas de describir una envolvente de vuelo. Además, el término se ha ampliado en su alcance fuera del campo de la ingeniería, para referirse a los límites estrictos en los que tendrá lugar un evento o, más generalmente, al comportamiento predecible de un fenómeno o situación determinada y, por tanto, su "envoltura de vuelo". ".
La potencia extra, o exceso de potencia específica , [3] es un método muy básico para determinar la envolvente de vuelo de un avión. Se calcula fácilmente, pero como desventaja no dice mucho sobre el rendimiento real del avión a diferentes altitudes.
La elección de cualquier conjunto particular de parámetros generará la potencia necesaria para una aeronave en particular para esas condiciones. Por ejemplo, un Cessna 150 a 760 m (2500 pies) de altitud y una velocidad de 140 km/h (90 millas por hora) necesita alrededor de 60 caballos de fuerza (45 kW) para volar en línea recta y nivelada. El C150 normalmente está equipado con un motor de 100 caballos (75 kW), por lo que en este caso particular el avión tiene 40 caballos (30 kW) de potencia extra. En términos generales, se trata de muy poca potencia extra: el 60% de la potencia del motor ya se utiliza simplemente para mantener el avión en el aire. Los 40 caballos de fuerza sobrantes son todo lo que el avión tiene para maniobrar, lo que significa que puede ascender, girar o acelerar sólo una pequeña cantidad. Para poner esto en perspectiva, el C150 no podía mantener un giro de 2 g (20 m/s²), lo que requeriría un mínimo de 120 caballos de fuerza (89 kW) en las mismas condiciones.
En las mismas condiciones, un avión de combate podría requerir mucha más potencia debido a que sus alas están diseñadas para alta velocidad, gran agilidad o ambas. Se podrían necesitar 10.000 caballos de fuerza (7,5 MW) para lograr un rendimiento similar. Sin embargo, los motores a reacción modernos pueden proporcionar una potencia considerable, no siendo atípico el equivalente a 50.000 caballos de fuerza (37 MW). Con esta cantidad de potencia adicional, el avión puede alcanzar una velocidad máxima de ascenso muy alta , incluso ascender hacia arriba, realizar poderosas maniobras continuas o volar a velocidades muy altas.
Un diagrama de caseta de perro generalmente muestra la relación entre la velocidad en vuelo nivelado y la altitud, aunque también son posibles otras variables. Requiere más esfuerzo que un cálculo de potencia adicional, pero a su vez proporciona mucha más información, como la altitud de vuelo ideal. La trama generalmente se parece a una U invertida y comúnmente se la conoce como trama de caseta de perro debido a su parecido con una perrera (a veces conocida como 'casa de perro' en inglés americano). El diagrama de la derecha muestra un diagrama muy simplificado que se utilizará para explicar la forma general del diagrama.
Los bordes exteriores del diagrama, la envolvente, muestran las posibles condiciones que puede alcanzar el avión en vuelo recto y nivelado. Por ejemplo, el avión descrito por la envoltura de altitud negra a la derecha puede volar a altitudes de hasta aproximadamente 52.000 pies (16.000 m), momento en el que el aire más fino significa que ya no puede ascender. El avión también puede volar hasta Mach 1,1 al nivel del mar, pero no más rápido. Esta superficie exterior de la curva representa la condición de potencia extra cero . Toda el área bajo la curva representa condiciones en las que el avión puede volar con potencia de sobra; por ejemplo, este avión puede volar a Mach 0,5 a 30.000 pies (9.100 m) mientras utiliza menos de la potencia máxima.
En el caso de aviones de alto rendimiento, incluidos los cazas, esta línea "1-g" que muestra un vuelo recto y nivelado se complementa con líneas adicionales que muestran el rendimiento máximo con varias cargas g. En el diagrama de la derecha, la línea verde representa 2-g, la línea azul 3-g, y así sucesivamente. El F-16 Fighting Falcon tiene un área muy pequeña justo por debajo de Mach 1 y cerca del nivel del mar donde puede mantener un giro de 9 g.
Es posible volar fuera de la envolvente, ya que representa únicamente la condición de línea recta y nivelada. Por ejemplo, sumergir el avión permite velocidades más altas, utilizando la gravedad como fuente de energía adicional. Del mismo modo, se puede alcanzar una mayor altitud primero acelerando y luego volviéndose balístico, una maniobra conocida como ascenso con zoom .
Todos los aviones de ala fija tienen una velocidad mínima a la que pueden mantener un vuelo nivelado, la velocidad de pérdida (línea límite izquierda en el diagrama). A medida que el avión gana altitud, la velocidad de pérdida aumenta; Dado que el ala no crece, la única forma de soportar el peso del avión con menos aire es aumentar la velocidad. Si bien las cifras exactas variarán mucho de un avión a otro, la naturaleza de esta relación suele ser la misma; trazado en un gráfico de velocidad (eje x) versus altitud (eje y), forma una línea diagonal.
Las ineficiencias en las alas también hacen que esta línea se "incline" al aumentar la altitud, hasta que se vuelve horizontal y la velocidad adicional no dará como resultado una mayor altitud. Esta altitud máxima se conoce como techo de servicio (línea límite superior en el diagrama) y a menudo se cita para el rendimiento de la aeronave. El área donde la altitud para una velocidad determinada ya no se puede aumentar en vuelo nivelado se conoce como tasa de ascenso cero y se debe a que la sustentación del avión se hace más pequeña a mayor altitud, hasta que ya no excede la gravedad .
El lado derecho del gráfico representa la velocidad máxima del avión. Por lo general, esta está inclinada de la misma manera que la línea de pérdida debido a que la resistencia del aire disminuye a mayores altitudes, hasta el punto en que un aumento en la altitud ya no aumenta la velocidad máxima debido a la falta de oxígeno para alimentar los motores.
La potencia necesaria varía casi linealmente con la altitud, pero la naturaleza de la resistencia significa que varía con el cuadrado de la velocidad; en otras palabras, normalmente es más fácil ir más alto que más rápido, hasta la altitud donde la falta de oxígeno para los motores comienza a disminuir. jugar un papel importante.
Un gráfico de velocidad versus factor de carga (o diagrama Vn) es otra forma de mostrar los límites del desempeño de la aeronave. Muestra cuánto factor de carga se puede lograr de forma segura a diferentes velocidades. [3]
A temperaturas más altas, el aire es menos denso y los aviones deben volar más rápido para generar la misma cantidad de sustentación. Las altas temperaturas pueden reducir la cantidad de carga que puede transportar un avión, aumentar la longitud de la pista que un avión necesita para despegar y hacer que sea más difícil evitar obstáculos como montañas. En condiciones climáticas inusuales, esto puede hacer que volar sea inseguro o antieconómico, lo que en ocasiones resulta en la cancelación de vuelos comerciales. [4] [5]
Aunque es fácil comparar aviones en función de números simples como la velocidad máxima o el techo de servicio, un examen de la envolvente del vuelo revelará mucha más información. Generalmente, un diseño con un área mayor bajo la curva tendrá un mejor rendimiento general. Esto se debe a que cuando el avión no vuela en los bordes de la envolvente, su potencia extra será mayor, y eso significa más potencia para cosas como escalar o maniobrar. Los aviones de aviación general tienen envolventes de vuelo muy pequeñas, con velocidades que oscilan entre 50 y 200 mph, mientras que la potencia adicional disponible para los aviones de combate modernos da como resultado enormes envolventes de vuelo con un área muchas veces mayor. Sin embargo, como compensación, los aviones militares suelen tener una velocidad de pérdida mayor. Como resultado de esto, la velocidad de aterrizaje también es mayor.
Esta frase se utiliza para referirse a una aeronave que se lleva a o más allá de sus límites de altitud y velocidad designados. [6] Por extensión, esta frase puede usarse para significar probar otros límites, ya sea dentro del sector aeroespacial o en otros campos, por ejemplo, Plus ultra (lema) . [7]
