La condición de presión dinámica máxima o q máxima es el punto en el que el vuelo atmosférico de un vehículo aeroespacial alcanza la diferencia máxima entre la presión total de dinámica de fluidos y la presión estática ambiental . Para un avión , esto ocurre en la esquina de velocidad máxima a altitud mínima de la envolvente de vuelo . Para el lanzamiento de un vehículo espacial , esto ocurre en el punto de cruce entre la presión dinámica que aumenta con la velocidad y la presión estática que disminuye con el aumento de la altitud. Este es un factor de diseño importante de los vehículos aeroespaciales, ya que la carga estructural aerodinámica en el vehículo es proporcional a la presión dinámica.
La presión dinámica q se define en la dinámica de fluidos incompresibles como donde ρ es la densidad del aire local y v es la velocidad del vehículo . La presión dinámica puede considerarse como la densidad de energía cinética del aire con respecto al vehículo y, para el flujo incompresible, es igual a la diferencia entre la presión total y la presión estática . Esta cantidad aparece de forma notable en las ecuaciones de sustentación y resistencia .
Para un automóvil que viaja a 56 millas por hora (90 km/h) al nivel del mar (donde la densidad del aire es de aproximadamente 0,0765 libras por pie cúbico (1,225 kg/m 3 ), [1] ), la presión dinámica en la parte delantera del automóvil es de 0,0555 libras por pulgada cuadrada (3,83 hPa), aproximadamente el 0,38% de la presión estática (14,696 libras por pulgada cuadrada (1013,3 hPa) al nivel del mar).
Para un avión de pasajeros que vuela a 755 pies por segundo (828 km/h) a una altitud de 33.000 pies (10 km) (donde la densidad del aire es de aproximadamente 0,0258 libras por pie cúbico (0,413 kg/m 3 )), la presión dinámica en la parte delantera del avión es de 1,586 libras por pulgada cuadrada (109,4 hPa), aproximadamente el 41% de la presión estática (3,84 libras por pulgada cuadrada (265 hPa)).
Para el lanzamiento de un vehículo espacial desde la Tierra, la presión dinámica es:
Durante el despegue, la velocidad del vehículo aumenta pero la densidad del aire disminuye a medida que el vehículo se eleva. Por lo tanto, según el teorema de Rolle , hay un punto en el que la presión dinámica es máxima.
En otras palabras, antes de alcanzar el valor máximo q , el aumento de la presión dinámica debido al aumento de la velocidad es mayor que la disminución de la presión dinámica debido a la disminución de la densidad del aire, de modo que la presión dinámica neta (energía cinética opuesta) que actúa sobre la nave continúa aumentando. Después de pasar el valor máximo q , sucede lo contrario. La presión dinámica neta que actúa contra la nave disminuye más rápido a medida que la densidad del aire disminuye con la altitud que cuando aumenta la velocidad, y finalmente llega a 0 cuando la densidad del aire se vuelve cero.
Este valor es significativo, ya que es una de las restricciones que determina la carga estructural que debe soportar el vehículo. En muchos vehículos, si se los lanza a toda velocidad, las fuerzas aerodinámicas serían mayores que las que pueden soportar. Por este motivo, a menudo se reduce la velocidad antes de acercarse a la velocidad máxima y se vuelve a aumentar después, para reducir la velocidad y, por lo tanto, la presión dinámica máxima que se encuentra a lo largo del vuelo.
Durante un lanzamiento normal del transbordador espacial , por ejemplo, el valor q máximo de 0,32 atmósferas se produjo a una altitud de aproximadamente 11 km (36 000 pies), aproximadamente un minuto después del lanzamiento. [2] Los tres motores principales del transbordador espacial se redujeron a aproximadamente el 65-72 % de su empuje nominal (dependiendo de la carga útil) a medida que la presión dinámica se acercaba al q máximo . [3] Combinado con el diseño de grano de propulsante de los propulsores de cohetes sólidos , que redujeron el empuje a q máximo en un tercio después de 50 segundos de combustión, las tensiones totales en el vehículo se mantuvieron a un nivel seguro.
Durante una misión Apolo típica, la q máxima (también un poco más de 0,3 atmósferas) se produjo entre 13 y 14 kilómetros (43.000–46.000 pies) de altitud; [4] [5] aproximadamente los mismos valores ocurren para el Falcon 9 de SpaceX . [6]
El punto de máxima q es un hito clave durante el lanzamiento de un vehículo espacial, ya que es el punto en el que la estructura del avión sufre el máximo estrés mecánico.
