Un sistema pitot-estático es un sistema de instrumentos sensibles a la presión que se utiliza con mayor frecuencia en la aviación para determinar la velocidad del aire , el número de Mach , la altitud y la tendencia de altitud de una aeronave . Un sistema Pitot estático generalmente consta de un tubo de Pitot , un puerto estático y los instrumentos Pitot estáticos. [1] Otros instrumentos que podrían conectarse son computadoras de datos aéreos , registradores de datos de vuelo , codificadores de altitud, controladores de presurización de cabina y varios interruptores de velocidad del aire. Los errores en las lecturas del sistema Pitot estático pueden ser extremadamente peligrosos ya que la información obtenida del sistema Pitot estático, como la altitud, es potencialmente crítica para la seguridad. Varios desastres de líneas aéreas comerciales se han atribuido a una falla del sistema pitot-estático. [2]
El Código de Regulaciones Federales (CFR) exige que los sistemas pitot estáticos instalados en aeronaves registradas en los EE. UU. se prueben e inspeccionen cada 24 meses calendario. [3]
El sistema de instrumentos pitot-estático utiliza el principio del gradiente de presión del aire . Funciona midiendo presiones o diferencias de presión y utilizando estos valores para evaluar la velocidad y la altitud. [1] Estas presiones se pueden medir desde el puerto estático (presión estática) o desde el tubo de Pitot (presión de Pitot). La presión estática se utiliza en todas las mediciones, mientras que la presión de Pitot se utiliza sólo para determinar la velocidad del aire.
La presión de Pitot se obtiene del tubo de Pitot . La presión de Pitot es una medida de la presión de aire de ariete (la presión de aire creada por el movimiento del vehículo o el aire que choca contra el tubo), que, en condiciones ideales, es igual a la presión de estancamiento , también llamada presión total. El tubo Pitot suele estar situado en el ala o en la sección delantera de un avión, mirando hacia adelante, donde su abertura está expuesta al viento relativo . [1] Al situar el tubo Pitot en tal ubicación, la presión del aire del ariete se mide con mayor precisión, ya que la estructura de la aeronave la distorsionará menos. Cuando aumenta la velocidad del aire, aumenta la presión del aire del ariete, lo que puede traducirse mediante el indicador de velocidad del aire . [1]
La presión estática se obtiene a través de un puerto estático. El puerto estático suele ser un orificio empotrado en el fuselaje de un avión y está ubicado donde puede acceder al flujo de aire en un área relativamente tranquila. [1] Algunas aeronaves pueden tener un solo puerto estático, mientras que otras pueden tener más de uno. En situaciones en las que una aeronave tiene más de un puerto estático, normalmente hay uno ubicado a cada lado del fuselaje. Con este posicionamiento se puede tomar una presión promedio, lo que permite lecturas más precisas en situaciones de vuelo específicas. [1] Se puede ubicar un puerto estático alternativo dentro de la cabina de la aeronave como respaldo para cuando los puertos estáticos externos estén bloqueados. Un tubo pitot estático integra eficazmente los puertos estáticos en la sonda pitot. Incorpora un segundo tubo (o tubos) coaxial con orificios de muestreo de presión en los laterales de la sonda, fuera del flujo de aire directo, para medir la presión estática. Cuando el avión asciende, la presión estática disminuirá.
Algunos sistemas Pitot estáticos incorporan sondas individuales que contienen múltiples puertos de transmisión de presión que permiten detectar datos de presión del aire, ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral. Dependiendo del diseño, estas sondas de datos de aire pueden denominarse sondas de datos de aire de 5 o 7 orificios. Se pueden utilizar técnicas de detección de presión diferencial para producir indicaciones de ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral.
El sistema pitot-estático obtiene presiones para que los instrumentos pitot-estáticos las interpreten. Si bien las explicaciones a continuación explican los instrumentos mecánicos tradicionales, muchas aeronaves modernas utilizan una computadora de datos aéreos (ADC) para calcular la velocidad del aire, la velocidad de ascenso, la altitud y el número de Mach . En algunas aeronaves, dos ADC reciben presión total y estática de tubos pitot independientes y puertos estáticos, y la computadora de datos de vuelo de la aeronave compara la información de ambas computadoras y compara una con la otra. También hay "instrumentos de reserva", que son instrumentos neumáticos de respaldo empleados en caso de problemas con los instrumentos primarios.
El indicador de velocidad del aire está conectado tanto al pitot como a las fuentes de presión estática. La diferencia entre la presión de Pitot y la presión estática se llama presión dinámica. Cuanto mayor es la presión dinámica, mayor es la velocidad del aire reportada. Un indicador de velocidad mecánico tradicional contiene un diafragma de presión que está conectado al tubo de Pitot. La caja alrededor del diafragma es hermética y tiene ventilación al puerto estático. Cuanto mayor es la velocidad, mayor es la presión del ariete, más presión se ejerce sobre el diafragma y mayor es el movimiento de la aguja a través del enlace mecánico. [4]
El altímetro de presión, también conocido como altímetro barométrico, se utiliza para determinar los cambios en la presión del aire que ocurren a medida que cambia la altitud de la aeronave. [4] Los altímetros de presión deben calibrarse antes del vuelo para registrar la presión como altitud sobre el nivel del mar. La caja de instrumentos del altímetro es hermética y tiene una ventilación para el puerto estático. Dentro del instrumento hay un barómetro aneroide sellado . A medida que disminuye la presión en la caja, el barómetro interno se expande, lo que se traduce mecánicamente en una determinación de la altitud. Lo contrario ocurre cuando se desciende de altitudes más altas a más bajas. [4]
Las aeronaves diseñadas para operar a velocidades transónicas o supersónicas incorporarán un machímetro. El machímetro se utiliza para mostrar la relación entre la velocidad real del aire y la velocidad del sonido . La mayoría de los aviones supersónicos están limitados en cuanto al número máximo de Mach que pueden volar, lo que se conoce como "límite de Mach". El número de Mach se muestra en un machímetro como una fracción decimal . [4]
El variómetro , también conocido como indicador de velocidad vertical (VSI) o indicador de velocidad vertical (VVI), es el instrumento estático de Pitot que se utiliza para determinar si una aeronave está volando o no en vuelo nivelado. [5] La velocidad vertical muestra específicamente la velocidad de ascenso o la velocidad de descenso, que se mide en pies por minuto o metros por segundo. [5] La velocidad vertical se mide a través de un enlace mecánico a un diafragma ubicado dentro del instrumento. El área que rodea el diafragma se ventila hacia el puerto estático a través de una fuga calibrada (que también puede conocerse como "difusor restringido"). [4] Cuando la aeronave comienza a aumentar la altitud, el diafragma comenzará a contraerse a un ritmo más rápido que el de la fuga calibrada, lo que hará que la aguja muestre una velocidad vertical positiva. Lo contrario de esta situación ocurre cuando un avión está descendiendo. [4] La fuga calibrada varía de un modelo a otro, pero el tiempo promedio para que el diafragma iguale la presión es de entre 6 y 9 segundos. [4]
Hay varias situaciones que pueden afectar la precisión de los instrumentos estáticos de Pitot. Algunos de estos implican fallas del propio sistema pitot-estático, que pueden clasificarse como "mal funcionamiento del sistema", mientras que otros son el resultado de una colocación defectuosa del instrumento u otros factores ambientales, que pueden clasificarse como "errores inherentes". [6]
Un tubo pitot bloqueado es un problema estático de pitot que solo afectará los indicadores de velocidad aerodinámica. [6] Un tubo pitot bloqueado hará que el indicador de velocidad aerodinámica registre un aumento en la velocidad aerodinámica cuando el avión asciende, aunque la velocidad aerodinámica real sea constante. (Siempre que el orificio de drenaje también esté bloqueado, ya que de lo contrario la presión del aire se escaparía a la atmósfera). Esto se debe a que la presión en el sistema pitot permanece constante cuando la presión atmosférica (y la presión estática ) disminuyen. Por el contrario, el indicador de velocidad aerodinámica mostrará una disminución en la velocidad aerodinámica cuando la aeronave descienda. El tubo pitot es susceptible de obstruirse con hielo, agua, insectos o alguna otra obstrucción. [6] Por esta razón, las agencias reguladoras de la aviación, como la Administración Federal de Aviación de EE. UU. (FAA), recomiendan que se revise el tubo pitot para detectar obstrucciones antes de cualquier vuelo. [5] Para evitar la formación de hielo, muchos tubos Pitot están equipados con un elemento calefactor. Se requiere un tubo Pitot calentado en todas las aeronaves certificadas para vuelo por instrumentos , excepto en las aeronaves certificadas como Experimental Amateur-Built. [6]
Un puerto estático bloqueado es una situación más grave porque afecta a todos los instrumentos pitot estáticos. [6] Una de las causas más comunes de un puerto estático bloqueado es la formación de hielo en la estructura del avión. Un puerto estático bloqueado hará que el altímetro se congele a un valor constante, la altitud a la que se bloqueó el puerto estático. El indicador de velocidad vertical indicará cero y no cambiará en absoluto, incluso si la velocidad vertical aumenta o disminuye. El indicador de velocidad revertirá el error que ocurre con un tubo Pitot obstruido y hará que la velocidad se lea menos de lo que realmente es a medida que el avión asciende. Cuando la aeronave desciende, se sobreinformará la velocidad del aire. En la mayoría de los aviones con cabinas despresurizadas, hay disponible una fuente estática alternativa que se puede seleccionar desde la cabina . [6]
Los errores inherentes pueden clasificarse en varias categorías, cada una de las cuales afecta a diferentes instrumentos. Los errores de densidad afectan a los instrumentos que miden la velocidad del aire y la altitud. Este tipo de error es causado por variaciones de presión y temperatura en la atmósfera. Puede surgir un error de compresibilidad porque la presión del impacto hará que el aire se comprima en el tubo de Pitot. A una altitud de presión estándar al nivel del mar, la ecuación de calibración (ver velocidad del aire calibrada ) tiene en cuenta correctamente la compresión, por lo que no hay error de compresibilidad al nivel del mar. En altitudes más altas, la compresión no se tiene en cuenta correctamente y hará que el instrumento lea una velocidad aérea mayor que la equivalente . Se puede obtener una corrección de un gráfico. El error de compresibilidad se vuelve significativo en altitudes superiores a 10.000 pies (3.000 m) y a velocidades superiores a 200 nudos (370 km/h). La histéresis es un error causado por las propiedades mecánicas de las cápsulas aneroideas ubicadas dentro de los instrumentos. Estas cápsulas, utilizadas para determinar las diferencias de presión, tienen propiedades físicas que resisten el cambio al conservar una forma determinada, aunque las fuerzas externas puedan haber cambiado. Los errores de reversión son causados por una lectura falsa de presión estática. Esta lectura falsa puede deberse a cambios anormalmente grandes en el cabeceo de una aeronave. Un gran cambio en el tono provocará una muestra momentánea de movimiento en la dirección opuesta. Los errores de marcha atrás afectan principalmente a los altímetros y a los indicadores de velocidad vertical. [6]
Otra clase de errores inherentes es la de error de posición . Un error de posición se produce porque la presión estática de la aeronave es diferente de la presión del aire alejado de la aeronave. Este error es causado por el aire que pasa por el puerto estático a una velocidad diferente de la velocidad real del avión . Los errores de posición pueden generar errores positivos o negativos, dependiendo de uno de varios factores. Estos factores incluyen la velocidad del aire, el ángulo de ataque , el peso de la aeronave, la aceleración, la configuración de la aeronave y, en el caso de los helicópteros, la corriente descendente del rotor . [6] Hay dos categorías de errores de posición, que son "errores fijos" y "errores variables". Los errores corregidos se definen como errores específicos de un modelo particular de aeronave. Los errores variables son causados por factores externos como paneles deformados que obstruyen el flujo de aire o situaciones particulares que pueden sobrecargar la aeronave. [6]
Los errores de retraso se deben al hecho de que cualquier cambio en la presión estática o dinámica fuera de la aeronave requiere una cantidad finita de tiempo para descender por la tubería y afectar los medidores. Este tipo de error depende de la longitud y el diámetro de la tubería, así como del volumen dentro de los medidores. [7] El error de retraso solo es significativo en el momento en que la velocidad del aire o la altitud cambian. No es una preocupación para un vuelo nivelado constante.