En aviación , un variómetro , también conocido como indicador de velocidad de ascenso y descenso ( RCDI ), indicador de velocidad de ascenso , indicador de velocidad vertical ( VSI ) o indicador de velocidad vertical ( VVI ), es uno de los instrumentos de vuelo en un Aeronave utilizada para informar al piloto del ritmo de descenso o ascenso . [1] Se puede calibrar en metros por segundo , pies por minuto (1 pie/min = 0,00508 m/s) o nudos (1 kn ≈ 0,514 m/s), dependiendo del país y tipo de aeronave. Por lo general, está conectado a la fuente de presión estática externa de la aeronave .
En vuelo motorizado , el piloto hace uso frecuente del VSI para asegurarse de que se mantiene el vuelo nivelado, especialmente durante las maniobras de giro. En vuelo sin motor , el instrumento se utiliza casi continuamente durante el vuelo normal, a menudo con una salida audible, para informar al piloto sobre la subida o bajada del aire . Es habitual que los planeadores estén equipados con más de un tipo de variómetro. El tipo más simple no necesita una fuente de energía externa y, por lo tanto, se puede confiar en que funcionará independientemente de si se ha instalado una batería o una fuente de energía. El tipo electrónico con audio necesita una fuente de energía para estar operativo durante el vuelo. El instrumento es de poco interés durante el lanzamiento y el aterrizaje, con la excepción del aerotow , donde el piloto normalmente querrá evitar soltarlo en el hundimiento.
En 1930, según Ann Welch , " Kronfeld ... fue uno de los primeros en utilizar un variómetro, un dispositivo sugerido por Alexander Lippisch ". Welch continúa afirmando que el "primer vuelo térmico real" ocurrió en 1930 por A. Haller y Wolf Hirth , con Hirth usando un variómetro en su Musterle . Frank Irving afirma que Arthur Kantrowitz mencionó por primera vez la energía total en 1940. Sin embargo, ya en 1901, Wilbur Wright escribió sobre las térmicas: "cuando los operadores de planeadores hayan adquirido mayor habilidad, podrán, con relativa seguridad, mantenerse en el aire durante horas a un tiempo de esta manera, y así, mediante la práctica constante, aumentar de tal manera su conocimiento y habilidad que puedan elevarse en el aire más alto y buscar las corrientes que permiten a las aves en vuelo transportarse a cualquier punto deseado, elevándose primero en un círculo, y luego navegando en un ángulo descendente." [2] [3]
Según Paul MacCready , "un variómetro es esencialmente un altímetro de presión con una fuga que tiende a hacer que lea la altitud de un momento anterior. Consiste en un recipiente ventilado al aire exterior de tal manera que la presión dentro del matraz se retrasa ligeramente por detrás de la presión estática exterior. La tasa de medición de ascenso proviene de la tasa de entrada o salida de aire del contenedor. [4]
Los variómetros miden la tasa de cambio de altitud detectando el cambio en la presión del aire (presión estática) a medida que cambia la altitud. Los tipos comunes de variómetros incluyen los que se basan en un diafragma, una paleta (bocina), una banda tensa o los eléctricos. El variómetro de paleta consta de una paleta giratoria, centrada por un resorte helicoidal, que divide una cámara en dos partes, una conectada a un puerto estático y la otra a una cámara de expansión. Los variómetros eléctricos utilizan termistores sensibles al flujo de aire o placas de circuito que constan de resistencias variables conectadas a la membrana de una pequeña cavidad de vacío. [5] [6] [7] [8]
Se puede construir un variómetro simple agregando un depósito grande (un matraz de vacío ) para aumentar la capacidad de almacenamiento de un instrumento común de velocidad de ascenso de una aeronave. En su forma electrónica más simple, el instrumento consiste en una botella de aire conectada a la atmósfera externa a través de un medidor de flujo de aire sensible. A medida que la aeronave cambia de altitud, la presión atmosférica fuera de la aeronave cambia y el aire fluye dentro o fuera de la botella de aire para igualar la presión dentro de la botella y fuera de la aeronave. La velocidad y dirección del flujo de aire se miden mediante el enfriamiento de uno de los dos termistores autocalentables y la diferencia entre las resistencias del termistor provocará una diferencia de voltaje; esto se amplifica y se muestra al piloto. Cuanto más rápido asciende (o desciende) el avión, más rápido fluye el aire. El aire que sale de la botella indica que la altitud del avión está aumentando. El aire que entra en la botella indica que el avión está descendiendo.
Los diseños de variómetros más nuevos miden directamente la presión estática de la atmósfera utilizando un sensor de presión y detectan cambios de altitud directamente a partir del cambio en la presión del aire en lugar de medir el flujo de aire. Estos diseños tienden a ser más pequeños ya que no necesitan botella de aire. Son más fiables ya que no hay botella que se vea afectada por los cambios de temperatura y hay menos posibilidades de que se produzcan fugas en los tubos de conexión.
Los diseños descritos anteriormente, que miden la tasa de cambio de altitud detectando automáticamente el cambio en la presión estática a medida que la aeronave cambia de altitud, se denominan variómetros "no compensados". El término "indicador de velocidad vertical" o "VSI" se utiliza con mayor frecuencia para referirse al instrumento cuando se instala en una aeronave propulsada. El término "variómetro" se utiliza con mayor frecuencia cuando el instrumento está instalado en un planeador o planeador.
Un VSI de "plomo inercial" o "instantáneo" (IVSI) utiliza acelerómetros para proporcionar una respuesta más rápida a los cambios en la velocidad vertical. [9]
Los seres humanos, a diferencia de las aves y otros animales voladores, no son capaces de detectar directamente las tasas de ascenso y descenso. Antes de la invención del variómetro, a los pilotos de planeadores les resultaba muy difícil volar . Aunque podían detectar fácilmente cambios abruptos en la velocidad vertical ("en el asiento de los pantalones"), sus sentidos no les permitían distinguir la elevación de la caída, o la elevación fuerte de la débil. Ni siquiera se podía adivinar la tasa real de ascenso/hundimiento, a menos que hubiera alguna referencia visual clara y fija cerca. Estar cerca de una referencia fija significa estar cerca de una ladera o del suelo. Excepto al volar en colinas (aprovechando la sustentación cerca del lado de la colina que da viento arriba), estas son generalmente posiciones muy poco rentables para los pilotos de planeadores. Las formas más útiles de sustentación ( térmica y de olas ) se encuentran a mayor altura. altitudes y es muy difícil para un piloto detectarlas o explotarlas sin el uso de un variómetro. Después de que Alexander Lippisch y Robert Kronfeld inventaran el variómetro en 1929 , [10] el deporte del vuelo sin motor pasó a un nuevo ámbito.
Los variómetros también se volvieron importantes en el ala delta con despegue a pie, donde el piloto al aire libre escucha el viento pero necesita el variómetro para ayudarlo a detectar regiones de aire ascendente o descendente. En los primeros tiempos del ala delta, los variómetros no eran necesarios para los vuelos cortos o cerca de la elevación de la cresta. Pero el variómetro se volvió clave cuando los pilotos comenzaron a realizar vuelos más largos. El primer variómetro portátil para uso en alas delta fue el Colver Variometer, introducido en la década de 1970 por Colver Soaring Instruments, [11] que sirvió para extender el deporte al vuelo térmico de fondo. [12] [13] En la década de 1980, Ball Variometers Inc., fundada en 1971 por Richard Harding Ball (1921-2011), produjo un variómetro de muñeca alimentado por una batería de 9 voltios. [14] [15]
Sin embargo, a medida que se desarrolló el deporte del vuelo sin motor, se descubrió que estos instrumentos tan simples "no compensados" tenían sus limitaciones. La información que los pilotos de planeadores realmente necesitan para volar es el cambio total de energía experimentado por el planeador, incluyendo tanto la altitud como la velocidad. Un variómetro no compensado simplemente indicará la velocidad vertical del planeador, dando lugar a la posibilidad de una " térmica de palanca ", es decir, un cambio de altitud causado únicamente por la entrada de la palanca. Si un piloto tira hacia atrás de la palanca, el planeador se elevará, pero también disminuirá la velocidad. Pero si un planeador se eleva sin que cambie la velocidad, esto es una indicación de sustentación real, no de "elevación de palanca".
Los variómetros compensados también incluyen información sobre la velocidad de la aeronave, por lo que se utiliza la energía total ( potencial y cinética ), no sólo el cambio de altitud. Por ejemplo, si un piloto empuja la palanca hacia adelante, acelerando a medida que el avión se sumerge, un variómetro no compensado sólo indica que se está perdiendo altitud. Pero el piloto podría tirar hacia atrás de la palanca, cambiando nuevamente la velocidad extra por altitud. Un variómetro compensado utiliza tanto la velocidad como la altitud para indicar el cambio en la energía total. Entonces, el piloto que empuja la palanca hacia adelante, se lanza en picada para ganar velocidad y luego tira hacia atrás nuevamente para recuperar altitud, no notará ningún cambio en la energía total en un variómetro compensado (despreciando la pérdida de energía debido al arrastre).
Según Helmut Reichmann , "La palabra 'variómetro' significa literalmente 'medidor de cambio', y así es como debe entenderse. Sin más información, no queda claro qué cambios se miden. Los variómetros simples... son indicadores de velocidad de ascenso Dado que el ascenso y descenso real del planeador que se muestran en estos instrumentos depende no solo del movimiento de la masa de aire y del rendimiento del planeador, sino también en gran parte de los cambios del ángulo de ataque ( movimientos del elevador )... Esto hace que sea prácticamente imposible extraer información útil. , como, por ejemplo, la ubicación de las térmicas , mientras que los indicadores de velocidad de ascenso muestran cambios de altitud y, por tanto, cambios en la energía potencial del planeador, los variómetros de energía total indican cambios en la energía total del planeador, es decir, en ambas. energía potencial (debido a la altitud) y su energía cinética (debido a la velocidad del aire)". [5]
La mayoría de los planeadores modernos están equipados con variómetros compensados de energía total .
La energía total del avión es:
1.
donde está la energía potencial y es la energía cinética. Entonces el cambio en la energía total es:
2.
Desde
3. La energía potencial es proporcional a la altura.
¿Dónde está la masa del planeador y la aceleración de la gravedad?
y
4. La energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado,
luego de 2:
5.
6. Normalmente, esto se convierte en un cambio de altitud efectivo dividiendo por la aceleración de la gravedad y la masa de la aeronave, así:
Los variómetros de energía total utilizan un compensador de membrana, compensación por venturi o están compensados electrónicamente. El compensador de membrana es una membrana elástica que se flexiona según la presión total (pitot más estática) de la velocidad del aire. Por lo tanto, los efectos de la velocidad del aire anulan un aumento en la caída, debido a la aceleración, o una disminución en la caída, debido a la desaceleración. El compensador Venturi suministra una presión negativa dependiente de la velocidad, de modo que la presión se reduce a medida que aumenta la velocidad, compensando el aumento de la presión estática debido al hundimiento. Según Helmut Reichmann , "... el punto de montaje del venturi menos sensible parecería estar en el cuarto superior de la aleta vertical, unos 60 cm (2 pies) por delante del borde de ataque". Los tipos de compensadores Venturi incluyen el Irving Venturi (1948), el Althaus Venturi, el Hüttner Venturi, el Brunswick Tube, el Nicks Venturi y el Double-Slotted Tube, desarrollado por Bardowicks de Akaflieg Hannover, también conocido como Braunschweig Tube. [5] [8] [16] [17]
Muy pocos aviones propulsados tienen variómetros de energía total. Los pilotos de aviones propulsados están más interesados en la verdadera tasa de cambio de altitud, ya que a menudo quieren mantener una altitud constante o un ascenso o descenso constante.
Un segundo tipo de variómetro compensado es el Netto o variómetro de masa de aire . Además de la compensación TE, el variómetro Netto se ajusta a la tasa de caída intrínseca del planeador a una velocidad determinada (la curva polar ) ajustada a la carga alar debida al lastre de agua. El variómetro Netto siempre indicará cero en aire en calma. Esto proporciona al piloto la medición precisa del movimiento vertical de la masa de aire, fundamental para los planeos finales (el último planeo hasta el destino final).
En 1954, Paul MacCready escribió sobre una corrección de velocidad de hundimiento para un venturi de energía total. MacCready declaró: "En aire en calma... un planeador tiene una velocidad de hundimiento diferente en cada velocidad del aire... sería mejor si el variómetro agregara automáticamente la tasa de descenso y, por lo tanto, mostrara el movimiento vertical del aire en lugar del movimiento vertical del planeador. La corrección se puede realizar mediante diversos métodos. Probablemente el mejor sea utilizar la energía total del venturi y la presión dinámica del tubo de Pitot". [4] Como explicó Reichmann, un "variómetro Netto muestra el ascenso y hundimiento de la masa de aire (¡no del planeador!)... Para lograr una indicación 'neta', el hundimiento polar siempre presente del planeador debe ser 'compensado'. fuera de la indicación, se aprovecha el hecho de que por encima de la velocidad para un mejor planeo, la velocidad de descenso polar del planeador aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad del aire, ya que la presión de Pitot también aumenta con el cuadrado de la velocidad. velocidad, se puede utilizar para 'compensar' el efecto del hundimiento polar del planeador en prácticamente todo el rango de velocidades". [5] Tom Brandes afirma: "Netto es simplemente la forma alemana de decir 'red', y un sistema variómetro Netto (o compensador polar) es simplemente uno que le indica el movimiento vertical neto del aire con el movimiento del planeador o el hundimiento fuera de la lectura habitual del variómetro." [18]
El Variómetro Relativo Netto indica la velocidad vertical que alcanzaría el planeador SI vuela a velocidad térmica, independientemente de la velocidad del aire y la actitud actuales. Esta lectura se calcula como la lectura de Netto menos la caída mínima del parapente. Cuando el planeador gira en térmica, el piloto necesita conocer la velocidad vertical del planeador en lugar de la de la masa de aire. El variómetro relativo Netto (o, a veces, el super Netto ) incluye un sensor g para detectar térmica. Al girar en térmica, el sensor detectará una aceleración (gravedad más centrífuga) superior a 1 g y le indicará al variómetro neto relativo que deje de restar la tasa de caída polar ajustada a la carga del ala del planeador durante ese tiempo. Algunos nettos anteriores usaban un interruptor manual en lugar del sensor g.
En 1954, MacCready señaló las ventajas de un variómetro de audio: "Hay mucho que ganar si la indicación del variómetro se presenta al piloto mediante un sonido. Más que cualquier otro instrumento, excepto durante el vuelo a ciegas, el variómetro debe ser vigilado continuamente. el piloto puede obtener la lectura de oído, puede mejorar su vuelo térmico observando los planeadores cercanos y puede mejorar materialmente el vuelo general estudiando las formaciones de nubes que se utilizarán a continuación". [4]
En los planeadores modernos, la mayoría de los variómetros electrónicos generan un sonido cuyo tono y ritmo depende de la lectura del instrumento. Normalmente, el tono de audio aumenta en frecuencia a medida que el variómetro muestra una velocidad de ascenso más alta y disminuye en frecuencia hacia un gemido profundo a medida que el variómetro muestra una velocidad de descenso más rápida. Cuando el variómetro muestra un ascenso, el tono a menudo se corta y la velocidad de corte puede aumentar a medida que aumenta la velocidad de ascenso, mientras que durante un descenso el tono no se corta. El vario suele ser silencioso en aire en calma o en elevación, que es más débil que la tasa de caída típica del parapente en caída mínima . Esta señal de audio permite al piloto concentrarse en la vista externa en lugar de tener que mirar los instrumentos, lo que mejora la seguridad y también le brinda al piloto más oportunidades de buscar nubes prometedoras y otras señales de elevación. Un variómetro que produce este tipo de tono audible se conoce como "variómetro de audio".
Los variómetros electrónicos avanzados en los planeadores pueden presentar otra información al piloto desde los receptores GPS . De este modo, la pantalla puede mostrar el rumbo, la distancia y la altura necesarias para alcanzar un objetivo. En el modo crucero (utilizado en vuelo recto), el vario también puede dar una indicación audible de la velocidad correcta para volar dependiendo de si el aire está subiendo o bajando. El piloto simplemente tiene que ingresar la configuración MacCready estimada , que es la velocidad de ascenso esperada en la próxima térmica aceptable.
Existe una tendencia creciente de los variómetros avanzados en los planeadores hacia computadoras de vuelo (con indicaciones de variómetro) que también pueden presentar información como el espacio aéreo controlado, listas de puntos de inflexión e incluso advertencias de colisión. Algunos también almacenarán datos posicionales del GPS durante el vuelo para su posterior análisis.
Los variómetros también se utilizan en planeadores radiocontrolados . Cada sistema variómetro consta de un transmisor de radio en el planeador y un receptor en tierra para uso del piloto. Dependiendo del diseño, el receptor puede darle al piloto la altitud actual del planeador y una pantalla que indica si el planeador está ganando o perdiendo altitud, a menudo mediante un tono de audio. El sistema también puede proporcionar otras formas de telemetría , mostrando parámetros como la velocidad del aire y el voltaje de la batería. Los variómetros utilizados en planeadores radiocontrolados pueden incluir o no compensación de energía total.
Los variómetros no son esenciales en los planeadores radiocontrolados; Por lo general, un piloto experto puede determinar si el planeador sube o baja únicamente mediante señales visuales. El uso de variómetros está prohibido en algunas competiciones de vuelo para planeadores radiocontrolados.
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