En aerodinámica , la envolvente de vuelo , la envolvente de servicio o la envolvente de rendimiento de una aeronave o nave espacial se refieren a las capacidades de un diseño en términos de velocidad aerodinámica y factor de carga o densidad atmosférica, a menudo simplificado a altitud. [1] [2]
El término se aplica de forma un tanto vaga y también puede referirse a otras medidas como la maniobrabilidad. Por ejemplo, cuando se empuja a un avión, por ejemplo, haciéndolo descender a gran velocidad, se dice que vuela "fuera de la envolvente", algo que se considera bastante peligroso. Durante los programas de pruebas de vehículos, la envolvente de vuelo simplemente significa esa parte de las capacidades de diseño de la aeronave o nave espacial que ya se han probado con éxito y, por lo tanto, han pasado de ser una capacidad teórica o diseñada a una capacidad demostrada/certificada.
La envolvente de vuelo es uno de los muchos términos relacionados que se utilizan de forma similar. Es quizás el término más común porque es el más antiguo, ya que se utilizó por primera vez en los primeros días de los vuelos de prueba. Está estrechamente relacionado con términos más modernos conocidos como potencia adicional y diagrama de caseta de perro , que son diferentes formas de describir la envolvente de vuelo de una aeronave. Además, el término se ha ampliado en su alcance fuera del campo de la ingeniería, para referirse a los límites estrictos en los que se producirá un evento o, de forma más general, al comportamiento predecible de un fenómeno o situación determinados y, por lo tanto, a su "envolvente de vuelo".
La potencia adicional, o potencia excedente específica , [3] es un método muy básico para determinar la envolvente de vuelo de una aeronave. Se calcula fácilmente, pero tiene la desventaja de que no dice mucho sobre el rendimiento real de la aeronave a diferentes altitudes.
La elección de un conjunto particular de parámetros generará la potencia necesaria para un avión en particular en esas condiciones. Por ejemplo, un Cessna 150 a 2.500 pies (760 m) de altitud y 90 millas por hora (140 km/h) de velocidad necesita unos 60 caballos de fuerza (45 kW) para volar recto y nivelado. El C150 normalmente está equipado con un motor de 100 caballos de fuerza (75 kW), por lo que en este caso particular el avión tiene 40 caballos de fuerza (30 kW) de potencia adicional. En términos generales, se trata de muy poca potencia adicional, el 60% de la potencia del motor ya se utiliza simplemente para mantener el avión en el aire. Los 40 caballos restantes son todo lo que el avión tiene para maniobrar, lo que significa que puede ascender, girar o acelerar solo una pequeña cantidad. Para poner esto en perspectiva, el C150 no podría 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 considerablemente más potencia debido a que sus alas están diseñadas para alta velocidad, alta agilidad o ambas. Podría requerir 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, y el equivalente a 50.000 caballos de fuerza (37 MW) no es algo atípico. Con esta cantidad de potencia adicional, el avión puede alcanzar una velocidad máxima de ascenso muy alta , incluso ascender en línea recta, realizar maniobras continuas potentes o volar a velocidades muy altas.
Un gráfico 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. El gráfico generalmente se parece a una U invertida y se lo conoce comúnmente como gráfico de caseta de perro debido a su parecido con una perrera (a veces conocida como "caseta de perro" en inglés americano). El diagrama de la derecha muestra un gráfico muy simplificado que se utilizará para explicar la forma general del gráfico.
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 envolvente de altitud negra a la derecha puede volar a altitudes de hasta aproximadamente 52.000 pies (16.000 m), punto en el que el aire más enrarecido 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 adicional cero . Toda el área bajo la curva representa las 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 los aviones de alto rendimiento, incluidos los cazas, esta línea de "1 g" que muestra el vuelo recto y nivelado se complementa con líneas adicionales que muestran el rendimiento máximo con distintas 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 viraje de 9 g.
Es posible volar fuera de la envolvente, ya que representa únicamente la condición de vuelo recto y nivelado. Por ejemplo, al descender en picado, el avión puede alcanzar velocidades más altas, utilizando la gravedad como fuente de potencia adicional. Asimismo, se puede alcanzar una altitud mayor acelerando primero y luego volviéndose loco, una maniobra conocida como ascenso rápido .
Todas las aeronaves 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 la aeronave gana altitud, la velocidad de pérdida aumenta; dado que el ala no crece más, la única forma de soportar el peso de la aeronave con menos aire es aumentar la velocidad. Si bien los números exactos varían ampliamente de una aeronave a otra, la naturaleza de esta relación suele ser la misma; trazada 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" con el aumento de altitud, hasta que se vuelve horizontal y la velocidad adicional no da como resultado un aumento de altitud. Esta altitud máxima se conoce como techo de servicio (línea de límite superior en el diagrama) y a menudo se cita para el rendimiento de la aeronave. El área donde la altitud para una velocidad dada ya no se puede aumentar en vuelo nivelado se conoce como tasa de ascenso cero y se debe a que la sustentación de la aeronave se hace más pequeña a altitudes mayores, hasta que ya no excede la gravedad .
El lado derecho del gráfico representa la velocidad máxima de la aeronave. Normalmente, esta tiene la misma pendiente que la línea de pérdida debido a que la resistencia del aire disminuye a mayor altitud, hasta el punto en que un aumento de 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 en la que la falta de oxígeno para los motores empieza a jugar un papel importante.
Un diagrama de velocidad versus factor de carga (o diagrama Vn) es otra forma de mostrar los límites del rendimiento de una aeronave. Muestra cuánto factor de carga se puede lograr de manera segura a diferentes velocidades aerodinámicas. [3]
A temperaturas más altas, el aire es menos denso y los aviones deben volar más rápido para generar la misma cantidad de sustentación. El calor elevado puede reducir la cantidad de carga que puede transportar un avión, aumentar la longitud de la pista que necesita para despegar y hacer que sea más difícil evitar obstáculos como las montañas. En condiciones climáticas inusuales, esto puede hacer que sea inseguro o antieconómico volar, lo que en ocasiones da como resultado la cancelación de vuelos comerciales. [4] [5]
Aunque es fácil comparar aeronaves en base a números simples como la velocidad máxima o el techo de servicio, un examen de la envolvente de vuelo revelará mucha más información. Generalmente, un diseño con un área más grande bajo la curva tendrá un mejor rendimiento general. Esto se debe a que cuando el avión no está volando en los límites de la envolvente, su potencia adicional será mayor, y eso significa más potencia para cosas como ascender o maniobrar. Las aeronaves de aviación general tienen envolventes de vuelo muy pequeñas, con velocidades que varían de quizás 50 a 200 mph, mientras que la potencia adicional disponible para los aviones de combate modernos da como resultado envolventes de vuelo enormes con un área mucho mayor. Sin embargo, como contrapartida, las aeronaves militares a menudo tienen una velocidad de pérdida más alta. Como resultado de esto, la velocidad de aterrizaje también es mayor.
Esta frase se utiliza para referirse a un avión 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]
