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Area de Instrucción www. Cruz de SanAndrés .com Fundamentos de Aerodinámica 1 FUNDAMENTOS DE AERODINÁMICA Por ESA_Jazz Introducción. La atmósfera se compone de una mezcla de gases que es de un 78% de N2, 21% de O2 y 1% de otros gases. Juntos forman un fluido que es viscoso y compresible por el que vuelan nuestros aviones. En este capítulo del curso, vamos a centrarnos en como es el comportamiento de nuestro reactor en en ese fluido y que está perfectamente modelado en los AFM’s de nuestros simuladores. El fin, por tanto, es entender un poco mejor el comportamiento y sus limitaciones.

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FUNDAMENTOS  DE  AERODINÁMICA  

Por  ESA_Jazz    

     Introducción.    

La  atmósfera  se  compone  de  una  mezcla  de  gases  que  es  de  un  78%  de  N2,  21%  de  O2  y  1%  de  otros  gases.  Juntos  forman  un  fluido  que  es  viscoso  y  compresible  por  el  que  vuelan  nuestros  aviones.  En  este  capítulo  del  curso,  vamos  a  centrarnos  en  como  es  el  comportamiento  de  nuestro  reactor  en  en  ese  fluido  y  que  está  perfectamente  modelado  en  los  AFM’s  de  nuestros  simuladores.  El  fin,  por  tanto,  es  entender  un  poco  mejor  el  comportamiento  y  sus  limitaciones.              

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Las  fuerzas  que  afectan  a  un  avión.    En  un  vuelo  recto  y  nivelado  vamos  a  tener  4  fuerzas  que  nos  afectan  y  están  equilibradas  entre  ellas.  Éstas  son:  

   

El  empuje  o  “thrust”  en  inglés.    El  peso  o  “weight”.  La  resistencia  o  “drag”.  Y  la  sustentación  o  “lift”.    En  este  capítulo  vamos  a  estudiar  las  dos  últimas.  Es  decir,  la  sustentación  y  la  resistencia.  Como  se  crean,  como  afectan  al  vuelo,  etc.      Podemos  decir  que  un  desequilibrio  en  cualquiera  de  las  cuatro  fuerzas  producirán  una  variación  de  la  velocidad  o  de  altitud.              

El  Principio  de  Bernoulli.      Quizás  el  una  de  las  cosas  más  básicas  de  la  aerodinámica  es  el  principio  de  Daniel  Bernoulli.  Este  suizo  descubrió  que  la  velocidad  a  la  que  se  mueve  un  fluido  es  inversamente  proporcional  a  la  presión  que  ejerce.  Es  decir,  que  si  aceleramos  una  masa  de  aire,  su  presión  estática  se  reducirá.  Este  es  el  principio  por  el  cual  funcionan  los  “venturis”  como  el  que  hay  en  los  antiguos  carburadores  de  los  coches.    El  aire  que  proviene  del  exterior  se  hace  pasar  por  un  tubo  que  se  estrecha  a  mitad  de  camino  y  eso  hace  que  el  aire  se  acelere.  Además  disminuye  su  presión  lo  cual  facilitará  la  evaporación  de  la  gasolina  que  se  le  inyecta  al  carburador.      En  la  siguiente  figura  se  puede  apreciar  como  la  presión  P1  es  inferior  a  la  presión  P2  que  es  lo  inverso  a  lo  que  le  ocurre  con  la  velocidad.      

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   Si  os  fijáis  la  velocidad  aumenta  porque  se  ha  estrechado  el  conducto.  Esto  hace  que  tenga  que  pasar  la  misma  cantidad  de  aire  por  un  area  mucho  menor.  Para  que  eso  sea  posible  el  aire  se  acelera  por  si  solo.      

     

Este  mismo  efecto  sucede  cuando  el  aire  pasa  a  través  de  un  perfil  alar.  Un  perfil  alar  tiene  generalmente  una  forma  más  curva  por  la  parte  superior  del  perfil  que  por  la  inferior  percisamente  por  el  mismo  principio  de  Bernoulli.    

     

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De  hecho  en  un  perfil  alar  lo  que  ocurre  es  que  el  aire  se  tiene  que  dividir  en  dos.  La  parte  que  va  por  encima,  se  encuentra  una  superficie  curva  y  un  camino  mucho  más  largo  que  recorrer  que  la  parte  que  va  por  debajo.  Toda  esa  misma  masa  de  aire  tiene  que  pasar  la  distancia  que  hay  desde  el  borde  de  ataque  hasta  el  borde  de  salida.  Es  entonces  razonable  pensar  que  la  parte  superior  de  la  masa  de  aire  se  acelerará  para  encontrarse  a  tiempo  con  la  inferior.  El  resultado  es  que  la  parte  superior  de  la  masa  de  aire  tendrá  una  menor  presión  estática  que  la  inferior.  Y  el  resultado  será  una  fuerza  vertical  hacia  arriba  que  conocemos  por  sustentación.      Ésta  es  la  teoría  clásica  de  porqué  vuela  un  avión.  Pero  hay  que  complementarla  con  la  tercera  ley  de  Newton.  La  ley  de  acción  y  reacción  que  dice  que  por  cada  fuerza  que  se  aplica  a  un  cuerpo,  éste  la  devuelve  de  igual  intensidad  y  dirección  pero  de  sentido  contrario.  Algo  así  como  lo  que  ocurre  cuando  flotamos  en  el  agua  y  empujamos  a  alguien.  Nosotros  tambien  somos  empujados  por  nuestra  propia  acción.  En  los  aviones  las  alas  deflectan  aire  hacia  abajo.  Y  por  la  ley  de  acción  y  reacción,  el  aire  deflectado  hacia  abajo  impulsa  las  alas  hacia  arriba  produciendo  sustentación.    

 Claro  que  para  deflectar  aire  hacia  abajo  el  ala  ha  de  tener  un  cierto  ángulo  con  la  trayectoria  del  avión  y  es  lo  que  se  conoce  como  ángulo  de  ataque.    El  ángulo  de  ataque  es  aquel  que  hay  entre  el  viento  relativo  y  la  cuerda  media  del  perfil  alar.      

   Por  tanto,  a  mayor  ángulo  de  ataque,  mayor  sustentación.  Podemos  ir  aumentando  el  ángulo  de  ataque  del  avión  y  conseguiremos  mas  y  más  sustentación.  Por  ejemplo,  en  los  virajes  muy  cerrados  de  muchas  “g’s”  es  precisamente  lo  que  hacemos.  Pero  como  todo,  existe  un  límite.  A  partir  de  cierto  ángulo  de  ataque,  el  ala  deja  de  producir  sustentación  abruptamente.  Es  lo  que  se  conoce  como  “Pérdida”  o  “Stall”  en  inglés.    

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   En  la  figura  podéis  apreciar  este  efecto.  La  sustentación  aumenta  con  el  ángulo  de  ataque  hasta  llegar  a  un  máximo  (alrededor  de  18º  en  este  perfil  alar)  y  a  partir  de  ahí    el  ala  entra  en  pérdida.      

   Si  os  fijáis  la  lineas  de  flujo  de  aire  se  han  separado  tanto  por  culpa  de  la  posición  del  ala  que  al  final  se  han  desprendido.    En  aerodinámica  se  dice  que  se  ha  desprendido  la  capa  límite1.      El  centro  de  presiones:    La  sustentación  se  produce  en  cada  punto  del  perfil  alar.  Pero  para  facilitar  los  cálculos  a  los  ingenieros  se  ha  creado  un  vector  imaginario  que  sería  el  equivalente  a  la  resultante  de  la  suma    vectorial  de  todos  los  infinitos  vectores  de  sustentación  del  perfíl  alar.  El  centro  de  presiones  o  “Cp”  no  es  fijo  ya  que  la  sustentación  que  genera  el  prefil  alar  cambia  dependiendo  del  ángulo  de  ataque.      

                                                                                                                                       1  La  capa  límite  la  describimos  más  adelante  en  este  documento.    

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   Si  os  fijáis  en  la  figura  anterior,  según  vamos  aumentando  el  ángulo  de  ataque,  la  parte  trasera  del  perfil  genera  cada  vez  menos  parte  de  la  sustentación  y  la  delantera  más.  Por  tanto  el  Cp  se  moverá  hacia  delante  según  vamos  aumentando  nuestro  ángulo  de  ataque.    

   Puesto  que  el  centro  de  gravedad  permanece  constante,  cuando  cambiemos  de  velocidad  necesitaremos  compensar  el  avión  nuevamente  con  el  “trim”  para  mantener  un  vuelo  recto  y  nivelado.  Es  lo  que  se  conoce  como  compensar  para  una  velocidad.          

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Los  virajes:    Hemos  visto  qué  fuerzas  actúan  en  un  avión  cuando  un  avión  va  en  vuelo  recto  y  nivelado.  Pero  habría  que  añadir  las  que  actúan  en  un  viraje.  O  mejor  dicho.  ¿Qué  hace  que  el  avión  vire  hacia  un  lado?    Como  podréis  ver  en  el  siguiente  gráfico,  durante  un  viraje,  el  equilibrio  de  fuerzas  de  sustentación/peso  se  rompe  al  descomponerse  en  varios  vectores.    

   La  sustentación,  que  siempre  es  perpendicular  a  las  alas  ya  que  son  las  que  la  producen,  estará  ahora  inclinada.  Ésta  se  puede  descomponer  en  una  componente  vertical  que  “sustenta”  al  avión  y  una  horizontal  hacia  el  lado  del  viraje,  que  es  la  que  hace  virar  al  avión.  Es,  lo  que  en  física  se  conoce  como  una  fuerza  centrípeta  que  produce  un  movimiento  circular  y  hará  el  el  avión  dibuje  una  trayectoria  circular.      Esto  además  en  los  aviones  convencionales  (NO  en  los  de  Fly  by  Wire  como  el  F16)2  provoca  unos  efectos  necesarios  de  conocer  a  la  hora  de  pilotar.  En  el  momento  que  el  avión  se  inclina  la  componente  vertical  de  la  sustentación  será  más  corta  que  la  que  teníamos  en  vuelo  recto  y  nivelado.  Lógico  porque  la  sustentación  es  la  suma  vectorial  de  la  componente  vertical  y  la  horizontal.  Al  ser  menor  la  componente  vertical  estará  en  desequilibrio  con  el  peso,  que  sigue  siendo  igual,  y  si  no  hacemos  nada  más  el  avión  iniciará  un  descenso.  Esto  es  más  significativo  cuando  pasamos  de  30º  de  alabeo.  Para  compensar  este  efecto  tenemos  que  tirar  del  “stick”  para  generar  más  sustentación  y  que  la  componente  vertical  iguale  al  peso.  Y  el  resultado  es  el  gráfico  de  arriba.  Una  sustentación  total  mayor  al  peso,  de  manera  que  su  componente  vertical  iguale  al  peso  para  mantener  altitud.      Pero  ahí  no  acaba  todo.  Existe  una  inercia  en  los  aviones  por  temas  de  estabilidad  que  aquí  no  vamos  a  profundizar,  que  se  llama  tendencia  de  sobrealabeo,  “Overbanking  tendency”.  Esta  inercia  va  a  provocar  que  cuando  alabeemos,  el  propio  input  de  los  mandos  de  vuelo  haga  que  el  avión  siga  alabeando.  Incluso  si  dejamos  el  stick  centrado.  Por  tanto  tendremos  que  usar  un  poco  de  stick  hacia  el  lado  contrario  para  mantener  el  el  mismo  ángulo  de  alabeo  en  todo  el  viraje.  Esto  es  muy  típico  

                                                                                                                                       2  En  los  aviones  con  Fly  By  Wire,  el  computador  de  a  bordo,  es  el  que  controla  los  mandos  de  vuelo  para  conseguir  un  “output”  que  le  hemos  pedido  con  el  stick.  El  ordenador  corrige  automáticamente  todos  estos  efectos  aerodinámicos.  Por  lo  que  el  piloto  solo  le  tiene  que  decir,  mediante  el  stick  que  posición  de  morro  quiere  y  el  ordenador  hace  el  resto.    

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incluso  los  aviones  estables  en  alabeo.  Recordad  que  los  aviones  de  mandos  de  vuelo  convencionales  son  estables  en  alabeo  o  como  mucho  de  estabilidad  neutra  por  lo  que  es  posible  que  os  encontréis  con  este  efecto.      En  resumidas,  cuando  queramos  virar  alabeamos  con  el  stick,  pero  tenemos  que  tirar  del  stick  para  compensar  la  pérdida  de  componente  vertical  de  sustentación  por  el  ángulo  de  alabeo  y  meter  stick  contrario  para  mantener  el  ángulo  de  viraje.  ¿Toda  una  labor,  no?  Eso  es  lo  que  hace  tan  costosa  la  transición  de  un  avión  de  mandos  convencionales  a  un  fly  by  wire  y  viceversa.  Pero  es  que  aún  no  hemos  acabado  con  los  efectos  que  se  producen  en  un  viraje.      La  guiñada  adversa:    La  guiñada  adversa  es  producto  de  la  resistencia  inducida  que  después  estudiaremos  más  a  fondo.  Que  básicamente  es  el  tipo  de  resistencia  aerodinámica  que  se  produce  por  crear  sustentación.  Cuando  alabeamos  para  iniciar  un  viraje,  digamos  a  la  derecha,  el  alerón  del  plano  derecho  subirá  y  el  izquierdo  bajará  produciendo  una  sustentación  extra  en  este  plano.  El  resultado  será  la  inclinación  del  avión  hacia  la  derecha.  Pero  esa  sustentación  extra  vendrá  acompañada  por  una  resistencia  aerodinámica  extra  que  hará  guiñar  el  avión  hacia  el  lado  contrario,  la  izquierda  en  este  caso.    

   Para  corregirlo  solo  necesitamos  un  poco  de  pedal  para  que  el  timón  de  dirección  corrija  el  efecto  de  la  guiñada.  Pero  no  más  de  lo  necesario  para  mantener  un  viraje  perfectamente  coordinado.  La  manera  más  facil  es  utilizar  el  instrumento  del  coordinador  de  virajes  o  “la  bola”.  Para  mantener  los  virajes  coordinados  solo  hay  que  pisar  el  pedal  que  te  indica  la  bola.  Si  la  bola  se  va  a  la  derecha,  pisar  a  la  derecha  para  mantener  la  bola  entre  las  dos  marcas  (centrada).  Recordad:  “pisar  la  bola”.  

 

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La  guiñada  adversa  es  más  típica  en  aviones  con  mucho  “alargamiento”  alar.3  Es  decir,  alas  finas  y  alargadas  como  en  los  planeadores.  En  nuestro  caso,  se  nota  bastante  en  el  Su25,  por  lo  que  habrá  que  ayudarnos  un  poco  con  los  pies  cada  vez  que  queramos  meter  el  Su25  en  un  viraje.  Notaréis  la  diferencia.    Ahora  ya  conocemos  los  efectos  aerodinámicos  que  tiene  un  avión  de  mandos  convencionales.  Pero  recordad  que  en  los  aviones  con  fly  by  wire  (F16,  Su27,  F15..)  estos  cambios  los  corrige  la  máquina  ella  solita.  Por  lo  que  solo  os  tendréis  que  preocupar  en  darle  al  stick  para  alabear  y  ya  está.  Como  en  un  videojuego.          La  capa  límite.    La  capa  límite  es  la  zona  del  flujo  de  aire  que  se  muestra  en  el  dibujo  más  cercana  a  la  superficie  del  ala  y  donde  las  moléculas  de  aire  se  mueven  a  una  velocidad  inferior  que  el  resto  de  la  masa  de  aire.  Por  debajo  de  la  capa  límite  sigue  habiendo  aire.  Pero  éste  está  afectado  por  su  viscosidad.  Y  por  ser  un  fluido  viscoso  sus  moleculas  se  desplazan  mas  lentamente  según  nos  acercamos  a  la  superficie  del  ala.  Hasta  llegar  a  cero.  De  hecho  si  pudiésemos  medir  la  velocidad  de  las  moléculas  que  tocan  el  metal  de  un  ala  que  se  mueve  a  gran  velocidad  veríamos  que  su  velocidad  es  cero.      

 Esta  es  la  razón  por  la  que  las  gotas  de  agua  que  caen  en  el  parabrisas  de  nuestro  coche  cuando  nos  movemos  y  está  lloviendo  no  salen  expulsadas  rápidamente  hacia  el  techo  por  la  velocidad  del  aire.      

                                                                                                                                         3  Alargamiento  alar,  o  aspect  ratio  es  la  división  de  la  envergadura  del  ala  por  la  cuerda  media  de  su  perfil.  Los  aviones  de  mucho  alargamiento  planean  mucho  y  generan  más  sustentación  a  velocidades  bajas.  Los  aviones  con  poco  alargamiento  necesitan  volar  más  rápido  para  producir  la  misma  sustentacion  y  planean  muy  poco  pero  estructuralmente  tienen  un  ala  más  fuerte  y  soportan  más  G’s.  Los  cazas  supersónicos  suelen  tener  poco  alargamiento  5-­‐6.  Los  aviones  civiles  tienen  alargamientos  de  10-­‐12.  El  Su25T  o  el  A10  tiene  alargamientos  de  9-­‐10,  por  lo  que  experimentarán  bastante  la  guiñada  adversa.    

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 Básicamente  allí  donde  están  las  gotas  el  aire  apenas  lleva  velocidad  por  muy  rápido  que  nos  movamos.  Simplemente  es  el  efecto  de  la  viscosidad  del  aire.  Que  no  es  más  que  la  resistencia  de  un  fluido  a  ser  desplazado.  Algo  así  como  si  intentásemos  mover  un  trozo  de  gelatina  de  un  plato  empujándolo.  La  parte  de  la  gelatina  que  está  tocando  el  plato  producirá  su  mayor  resistencia  a  moverse.  Mientras  que  la  punta  del  trozo  de  gelatina  se  desplazará  sin  problemas.  La  capa  límite  funciona  como  ese  trozo  de  gelatina.  Es  por  ello  que  dentro  de  la  capa  límite  no  se  cumple  el  principio  de  Bernoulli.      La  capa  límite  es  bastante  delgada  apenas  1  cm  de  espesor  para  el  ala  de  un  747.  En  aviones  más  pequeños  es  menor.  Las  partículas  de  aire  que  a  duras  penas  se  desplazan  por  la  capa  límite  lo  hacen  inicialmente  de  manera  laminar.  Paralélamente  unas  a  otras.  Pero  conforme  estas  se  van  desplazando  su  trayectoria  empieza  a  volverse  más  errática  convirtiéndose  en  turbulenta  y  aumentando  el  espesor  de  la  capa  límite.        

   Es  algo  así  como  el  humo  que  sale  de  un  cigarro.  Al  principio  es  laminar  y  después  se  vuelve  errática  o  turbulenta.  Cada  tipo  de  flujo  (laminar  o  turbulento)  tiene  sus  particularidades  y  ventajas.  Los  ingenieros  aeronáuticos  pueden  construir  perfiles  alares  más  o  menor  rugosos,  para  que  tengan  mayoritariamente  un  tipo  de  capa  límite  o  otra  para  aprovechar  las  ventajas  de  cada  una.      

 El  flujo  laminar  produce  menos  resistencia  por  la  fricción.  Pero  su  desventaja  es  que  la  capa  límite  se  desprende  más  facilmente.  Entra  en  pérdida  más  facilmente.    El  flujo  turbulento  produce  más  resistencia  por  fricción  pero  al  tener  sus  paríticulas  más  movilidad  y  energía,  a  la  capa  límite  le  cuesta  más  desprenderse  .    Y  por  desprenderse  menos  produce  menos  resistencia  de  forma.  Esto  último  es  lo  que  se  utiliza  en  las  pelotas  de  tenis  o  de  golf.  Ambas  tienen  muchas  rugosidades  (pelo  y  costuras  o  puntos)  Esto  hace  que  cuando  sean  lanzadas,  la  capa  límite  que  las  envuelve  sea  

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mayoritariamente  turbulenta  y  se  desprenderá  mucho  más  tarde  creando  menor  resistencia  de  forma  (por  su  forma  redonda  no  aerodinámica).    

       Pero  volvamos  a  la  sustentación.  Básicamente  hemos  visto  que  se  crea  por  la  forma  del  perfil  pero  también  necesariamente  por  el  ángulo  de  ataque  del  ala.  Ahora  veremos  también  que  hay  mas  cosas  que  influyen.      La  densidad  del  aire.    Es  logico  pensar  que  a  mayor  densidad  de  aire  mayor  número  de  partículas  de  aire  para  un  mismo  volumen  y  por  tanto  crearán  más  sustentación.  Por  ese  motivo  un  avión  actua  peor  a  mayores  altitudes.  Y  a  mayor  altitud  necesitaremos  desplazarnos  a  mayor  velocidad  para  compensar  la  caída  de  densidad.      ¡Pero  un  momento!  Nuestro  anemómetro  siempre    marca  la  misma  velocidad  en  un  ascenso…  

   Esto  es  porque  el  anemómetro  de  nuestro  avión  no  tiene  en  cuenta  la  densidad  del  aire.  Pero  experimentamos  sus  efectos.  De  hecho  para  una  misma  velocidad  indicada,  nuestra  velocidad  verdadera    (TAS)  es  mayor  a  mayor  altitud.  Esta  velocidad  verdadera  se  obtiene  de  tener  en  cuenta  la  densidad.  En  el  A10  se  puede  comprobar  en  una  de  las  páginas  de  la  CDU.    

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En  esta  tabla  se  pueden  ver  sus  efectos.  Por  culpa  de  la  variación  de  la  densidad  por  la  altitud,  si  queremos  mantener  360  nudos  indicados  (CAS  y  no  IAS  por  corrección  de  errores  de  instrumento)  a  40000  pies,  estaremos  llevando  unos  720  nudos  de  velocidad  verdadera  (TAS).      

       Además  cuadra  con  lo  de  la  sustentación.  Si  queremos  generar  la  misma  sustentación  a  40000  pies  donde  hay  una  densidad  de  aire  mucho  menor  necestaremos  tener  una  mayor  velocidad  verdadera.      Pero  para  nosotros,  los  pilotos  no  los  han  puesto  fácil.  Nuestro  instrumento  nos  marca  una  velocidad  que  si  mantenemos  constante,  se  aproxima  bastante  a  la  TAS  requerida  para  generar  sustentación.  Simplemente  han  eliminado  la  variable  de  la  densidad  en  su  medida  para  que  nosotros  no  nos  tengamos  que  preocupar  por  la  densidad  que  hay  ahí  fuera.      La  superficie  alar:    A  mayor  superficie,  más  cantidad  de  puntos  que  producen  sustentación.      Y  con  todo  esto  ya  tenemos  todos  los  elementos  de  la  función  de  la  sustentación:  

 

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La  velocidad  del  aire  se  refiere  a  la  TAS.  EL  coeficiente  de  sustentación  CL  depénde  del  ángulo  de  ataque.  Es  una  forma  de  medir  la  sustentación  que  obtenemos  por  cada  posición  de  ángulo  de  ataque.  Una  gráfica  del  CL    -­‐  ángulo  de  ataque  nos  lo  muestra.      

     Esta  correspondería  a  un  perfil  parecido  al  del  A10.  Por  su  curvatura  positiva  (curvado  hacia  abajo)  aunque  llevemos  0  ángulo  de  ataque  (AoA)  estamos  produciendo  sustentación.  Y  ésta  aumenta  según  aumentamos  nuestro  ángulo  de  ataque.  Hasta  un  límite  donde  la  gráfica  deja  de  ser  recta  y  empieza  a  curvarse.  Ese  sería  nuestro  “peak  performance”  .  Y  el  punto  más  alto  de  la  gráfica  el  punto  de  CL  maximo  y  or  tanto,  a  partir  de  ahí,  de  entrada  en  pérdida.  A  partir  de  ese  AoA  si  lo  seguimos  aumentando  solo  conseguiremos  que  el  avión  caiga  como  una  piedra  porque  dejará  de  volar.        La  Pérdida  o  “Stall”    Con  esta  gráfica  anterior  se  quiere  dejar  claro  que  un  avión  entrará  en  pérdida  siempre  a  un  ángulo  de  ataque  constante  sin  importar  la  velocidad  que  lleve.  Ese  límite  de  entrada  en  pérdida  normalmente  está  indicado  en  nuestro  instrumento  de  AoA  que  tenemos  en  el  avión.  Sobrepasarlo  en  combate  significará  que  nuestro  avión  dejará  de  volar  y  perderemos  todo  el  control  que  teníamos  sobre  él.    

 

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La  famosa  velocidad  de  pérdida  dependerá,  sin  embargo,  del  peso  y  del  factor  de  carga  (cuantas  G’s  estemos  tirando).  Así  que  en  vuelo  recto  y  nivelado  (1  G)  podemos  tomar  la  velocidad  de  pérdida  de  nuestro  avíon  como  referencia  pero  recordad  que  ésta  es  variable  y  podemos  entrar  en  pérdida  a  cualquier  velocidad.  La  única  cosa  que  siempre  será  constante  es  nuestro  ángulo  de  ataque  crítico  a  partir  del  cual  entramos  en  pérdida.  Así  que  no  perdáis  de  vista  el  indicador  de  AoA.        

   El  Bataneo:    El  bataneo  es  una  fuerte  vibración  que  se  produce  antes  de  entrar  en  pérdida.  Es  debido  a  que  no  todas  las  zonas  del  ala  entran  en  pérdida  a  la  vez.  Esto  desplaza  al  centro  de  presiones  momentáneamente  hacia  delante  y  luego  hacia  atrás  produciendo  esa  vibración  característica  que  nos  avisa  de  la  inminente  pérdida.      El  comportamiento  del  avión  será  diferente  en  cada  modelo.  Las  características  durante  la  pérdida  dependerán  mucho  de  su  planta  alar.  Es  diferente  entrar  en  pérdida  en  un  avión  con  ala  en  flecha  que  sin  flecha.        

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   Como  podéis  ver,  en  un  avión  con  ala  rectangular  entra  en  pérdida  primero  el  encastre  alar  y  después  las  puntas.  Por  lo  que  en  el  momento  del  bataneo  aun  tenemos  control  de  los  alerones.  En  los  aviones  de  flecha  regresiva  (hacia  atrás),  sin  embargo  se  entra  en  pérdida  primero  por  las  puntas  de  las  alas.  Lo  quenos  dejará  sin  control  de  alerones  durante  el  bataneo.  En  los  de  flecha  progresiva  o  negativa  (flecha  hacia  delante)  ocurrirá  lo  contrario  que  en  los  de  flecha  regresiva.  Entrarán  en  pérdida  por  el  encastre  alar  permitiendo  que  haya  control  en  los  alerones  durante  el  bataneo.      

       

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El  L39  tiene  una  ligera  flecha  negativa  para  aprovechar  este  efecto.      

   Caida  en  barrena:          Si  además  de  sobrepasar  el  ángulo  crítico  de  ataque  no  llevamos  el  avión  coordinado  se  producirá  una  caida  en  barrena.  Si  el  avión  está  descoordinado  un  plano  viajará  más  rápido  que  el  otro  generando  más  sustentación  que  el  otro.    

   En  el  caso  de  que  entren  en  pérdida  uno  entrará  en  pérdida  antes  que  el  otro  produciendo  una  caída  helicoidal  sobre  su  eje  de  centro  de  gravedad.      

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   Además  de  su  espectacularidad,  lo  malo  de  una  barrena  es  la  cantidad  de  altura  que  se  pierde  en  tan  poco  tiempo.  No  os  engañéis,  no  es  una  caida  en  picado.  Es  más  parecido  a  la  caida  de  una  hoja  de  un  árbol.  Y  esto  es  porque  el  avión  está  en  pérdida  durante  toda  la  caida.  Como  veréis  durante  el  curso  de  reactores,  donde  las  practicaremos,  el  anemómetro  marca  una  velocidad  inferior  a  la  de  pérdida  en  todo  momento.  No  se  acelera.  A  veces  por  efectos  aerodinámicos  y  por  la  sombra  que  se  le  hace  a  los  pitots  en  el  L39  el  anemómetro  se  puede  ir  a  0  momentáneamente.      Es  muy  necesario  que  se  estudie,  se  aprenda  a  entrar  y  a  salir  de  la  barrena  porque  es  la  mejor  manera  de  evitarla.  Un  tirón  en  un  viraje  descoordinado  en  un  combate  aéreo  y  nos  metemos  en  una  de  éstas.  Cuanto  antes  la  identifiquemos  y  usemos  los  inputs  para  salir  de  ella,  más  posibilidades  tenemos  de  no  darnos  contra  el  suelo.  Otro  escenario  posible  es  durante  los  vuelos  a  baja  velocidad  de  los  alumnos  en  pleno  entrenamiento  y  cerca  del  suelo.  Como  en  las  tomas  y  despegues  o  durante  el  vuelo  lento.  Es  necesario  evitar  las  barrenas.      Una  caida  en  barrena  no  es  más  que  otra  situación  aerodinámica  como  la  pérdida  o  el  vuelo  recto  y  nivelado.  El  avión  está  en  pérdida  con  un  ala  en  una  pérdida  más  profunda  que  la  otra  produciendo  una  caida  helicoidal.  Generalmente  comprende  varias  fases  tal  y  com  sale  en  el  gráfico.  Estado  incipiente,  desarrollo  completo  y  recuperación.  Y  cuando  una  barrena  está  completamente  desarrollada  está  tiene  dos  ciclos.  Uno  más  donde  la  barrena  es  más  plana  y  el  giro  más  rápido  y  otro  donde  la  barrena  es  más  vertical  y  el  giro  más  lento.  Normalmente  el  avión  va  pasando  de  un  ciclo  a  otro  hasta  que  interrumpamos  la  barrena  o  salga  solo  de  ella  si  la  propia  aerodinámica  del  avión  así  está  hecha.  Por  ejemplo  el  A10  es  prácticamente  imposible  hacerlo  entrar  en  una  barrena  completamente  desarrollada.  Podéis  hacer  la  prueba.      

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Muchos  alumnos  tienden  a  confundir  la    fase  plana  de  la  barrena  con  una  barrena  plana.  Una  barrena  plana  es  múcho  más  plana.  El  morro  casi  alineado  con  el  horizonte  y  es  prácticamente  imposible  salir  de  ella  ya  que  los  mandos  de  vuelo  no  producen  ningún  control  sobre  el  aparato4.    Para  entrar  en  barrena  hay  que  entrar  primero  en  pérdida.  Si  no  se  produce  la  pérdida  no  se  podrá  producir  la  barrena.  Y  además  hay  que  estar  descoordinado.  Simplemente  con  pisar  uno  de  los  pedales  mientras  entramos  en  pérdida  y  la  barrena  está  servida.      

   

Es  importante  durante  la  caida  tomar  un  punto  de  referencia  en  el  exterior  para  conocer  el  sentido  de  giro.  Podéis  comprobar  como  el  anemómetro  está  por  debajo  de  Vs.    

   

Para  salir  de  la  barrena  hay  que  romper  el  giro  helicoidal  y  luego  recuperar  la  pérdida.  Si  lo  hacemos  al  revés  entraremos  en  otro  estado  aerodinámico:  La  espiral.  La  espiral  es  también  una  caida  helicoidal,  pero  en  este  caso  el  avión  ya  no  está  en  pérdida  y  por  ese  motivo  nuestra  velocidad  no  se  quedará  en  Vs  o  inferior.  Acelerará  hasta  pasarse  del  máximo  estructural  Vmo/Mmo.  Hay  aviones  como  la  Cessna  C152  que  tienen  tendencia  a  salir  solos  de  la  barrena  y  a  entrar  en  espiral,  por  eso  es  importante  monitorizar  el  anemómetro.    El  procedimiento  para  salir  de  la  barrena  es  común  a  todos  los  aviones:    

-­‐ Cortar  gases.  -­‐ Alerones  neutrales.  -­‐ Identificar  el  sentido  de  giro.  -­‐ Pedal  contrario  al  giro.  -­‐ Cuando  el  giro  pare  stick  hacia  delante  para  romper  la  pérdida.    -­‐     Recuperar  muy  suavemente  a  vuelo  y  recto  nivelado  y  no  entrar  en  pérdida  secundaria.  

                                                                                                                                       4  En  el  F14  se  podía  entrar  fácilmente  en  ella  y  en  todos  los  casos  era  irrecuperable.  Además  la  caída  producía  una  baja  presión  sobre  la  parte  superior  de  la  aeronave  que,  cuando  los  pilotos  se  eyectaban,  hacía  que  la  cúpula  se  quedase  dando  vueltas  sobre  el  fuselaje  en  lugar  de  salir  disparada  hacia  atrás.  Esto  es  lo  que  mató  a  “Goose”  en  la  película  Top  Gun.      

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Dispositivos  Hipersustentadores:    

Son  aquellas  superficies  móviles  del  ala  que  nos  permitirán  generar  un  mayor  CL.  Y  por  tanto  mayor  sustentación  a  bajas  velocidades,  reduciendo  la  velocidad  de  pérdida  y  modificando  el  ángulo  crítico  de  ataque.          Los  Slats    Los  Slats  son  una  superficie  retráctil  que  hay  en  el  borde  de  ataque  y  al  desplegarse  crean  un  “hueco”  entre  el  plano  y  el  slat.  Este  hueco  tiene  una  forma  especial,  Una  apertura  grande  en  la  entrada  de  aire  y  una  apertura  pequeña  en  la  salida  de  aire.  Esto  genera  otro  venturi.  A  altos  ángulos  de  ataque  el  aire  entra  por  al  apertura  grande  de  abajo  y  se  acelera  para  que  una  misma  masa  de  aire  que  entra  por  la  apertura  grande  y  salga  a  la  vez  por  la  salida  pequeña.  Esta  aceleración  de  la  masa  de  aire  imprime  una  energía  extra  al  flujo  de  aire  que  no  ha  pasado  por  el  slat,  dándo  más  energía  (movimiento  de  partículas  de  aire)  a  su  capa  límite  e  impidiendo  que  se  desprenda  a  altos  ángulos  de  ataque.  De  esta  manera  se  retrasa  la  pérdida  y  el  perfil  alar  puede  entrar  en  pérdida  a  un  ángulo  de  ataque  mucho  mayor.    

     El  resultado  en  la  gráfica  de  CL  –  angulo  de  ataque  es  este:        

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     Como  podéis  ver  se  alarga  la  curva  y  se  consigue  una  mayor  sustentación  porque  se  retrasa  la  pérdida  que  ahora  será  a  un  mayor  ángulo  de  ataque.  En  muchos  aviones  su  despliegue  es  automático  como  por  ejemplo  en  el  A10,  donde  sus  slats  en  el  encastre  del  ala,  se  desplegan  a  al  rebasar  23’8  AoA.        Los  Flaps:    Los  flaps  son  los  dispoditivos  que  se  despliegan  en  el  borde  de  salida.  Hay  de  varios  tipos:    

 

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 Los  flaps  aumentan  artificalmente  la  curvatura  del  perfil  alar.  De  esa  manera  conseguimos  una  sustentación  extra  y  una  resistencia  extra  que  nos  ayudará  a  frenar  el  avión  en  las  aproximaciones.    Dependiendo  del  tipo  de  flap,  lo  harán  de  una  manera  o  otra.      Los  flaps  simples:  Aumentan  la  curvatura  del  ala  aumentando  la  sustentación  pero  también  la  resistencia  de  la  misma.  Son  el  tipo  de  flap  más  común  entre  los  aviones  de  combate.      Los  split  flaps:  Estos  flaps  solo  se  despliean  hacia  abajo  y  no  incrementan  la  curvatura  del  perfil.  Solo  salen  unas  chapas  hacia  abajo,  en  el  intradós  que  aumentan  la  resistencia.  No  producen  sustentación  extra.  Solo  producen  resistencia.  Se  pueden  encontrar  en  aviones  como  el  P51.  Muy  común  en  los  cazas  de  la  2º  Guerra  Mundial.      Los  slotted  flaps:  Son  una  mejora  del  flap  simple.  Además  de  aumentar  la  curvatura  producen  más  sustentación  que  los  simples  porque  aprovechan  el  aire  que  se  cuela  por  el  hueco  (slot)  para  dar  más  energía  a  la  capa  límite    como  hacen  los  slats.      Los  fowler  flaps:  Son  los  flaps  más  eficientes  ya  que  son  los  que  se  despliegan  hacia  atrás  y  hacia  abajo.  Estos  aumentan  la  superficie  alar,  aumentan  la  curvatura  aumentándo  significativamente  la  sustentación  y  producen  poca  resistencia.  Son  el  tipo  de  flap  que  lleva  el  A10,  el  Su25T,  el  L39  y  la  mayoría  de  reactores  comerciales.      En  una  gráfica  CL-­‐AoA  la  curva  no  aumenta  el  ángulo  de  ataque  crítico  donde  se  entra  en  pérdida.  Pero  sí  el  origen  de  la  curva  gráfica  CL-­‐AoA,  de  manera  que  para  un  mísmo  ángulo  de  ataque  obtenemos  una  mayor  sustentación.  Lo  que  se  traduce  en  que  podemos  utilizar  una  menor  velocidad  para  un  mismo  ángulo  de  ataque  y  por  tanto  una  velocidad  de  pérdida  inferior.      

   

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La  combinación  de  slats  +  flaps  produce  un  aumento  significativo  de  la  sustentación  tal  y  como  se  vé  en  el  gráfico.    

   

La  resistencia    La  resistencia  aerodinámica  es  la  fuerza  que  se  opone  al  desplazamiento  de  un  objeto  por  un  fluido.  Hay  dos  tipos  de  resistencia  aerodinámica.  La  parásita  y  la  inducida.    La  resistencia  parásita:    Es  la  que  se  crea  por  la  interacción  del  objeto  con  el  aire.  Aumenta  con  la  velocidad  y  es  la  suma  de  tres  resistencias.    La  resistencia  por  fricción.    

 

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La  clásica  resistencia  que  provoca  el  rozamiento  del  aire  con  las  supercifies  del  avión.  Hay  que  tener  en  cuenta  que  este  tipo  de  resistencia  depende  de  la  rugosidad  de  la  superficie.  En  las  alas  producirá  una  capa  límite  con  Números  de  Reynolds5  más  altos  y  por  tanto  el  aire  será  laminar  durante  más  distancia  en  su  recorrido  del  perfil  alar.  Lo  que  producirá  menor  resistencia  por  fricción.  Estos  perfiles  se  conocen  como  “perfiles  laminares”  y  son  muy  típicos  de  los  planeadores  y  algunos  aviones  ligeros  de  materiales  compuestos.      La  resistencia  de  forma.    Es  la  resistencia  por  la  forma  del  objeto  que  se  mueve  por  un  fluido.  Un  objeto  aerodinámico  como  el  que  hay  en  la  párte  de  abajo  de  la  ilustración  se  mueve  desplazando  muy  poco  las  lineas  de  corriente.  Lo  que  produce  una  baja  resistencia  de  forma.  Sin  embargo  el  objeto  de  la  parte  superior  produce  un  gran  desplazaiento  de  las  lineas  de  corriente.  Éstas  se  tienen  que  juntar  de  nuevo  abruptamente  y  por  culpa  de  este  salto  se  forman  unos  torbellinos  .  

   Todo  torbellino  se  caracteriza  porque  la  parte  interior  del  mismo  gira  mucho  más  deprisa  que  la  parte  exterior.  Siguiendo  el  mismo  principio  de  Bernoulli,  el  interior  del  torbellino,  al  tener  una  corriente  más  acelerada  tiene  una  presión  estática  mucho  menor.  Por  lo  que  todo  torbellino  es  una  fuente  de  bajas  presiones.  Más  tarde  veremos  como  algunos  aviones  sacan  provecho  de  ello.    En  el  caso  que  nos  ocupa,  los  torbellinos  que  se  forman  (baja  presión)  producen  un  efecto  de  succión.  Frenando  considerablemente  al  objeto  que  se  está  desplazando.  La  resistencia  de  forma  es  la  más  importante  en  los  aviones  y  la  que  más  se  puede  reducir  con  un  diseño  adecuado.      Los  aerofrenos  de  los  aviones  modifican  la  forma  de  la  célula  para  aumentar  la  resistencia  de  forma.    La  resistencia  por  interferencia    Debido  a  que  el  avión  es  la  suma  de  muchas  partes  aerodinámicas  con  sus  respectivas  resistencias  de  forma,  puede  ser  que  la  interacción  de  dos  partes  (por  ejemplo,  fuselaje  y  planos)  produzcan  una  

                                                                                                                                       5  Parámetro  que  utilizan  los  ingenieros  para  determinar  cómo  es  la  capa  límite  del  perfil  alar  en  cuestión.  Si  el  número  es  muy  bajo,  será  una  capa  límite  mayoritariamente  laminar.  Si  es  alto,  será  turbulenta.  

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serie  de  torbellinos  por  la  forma  de  su  unión  que  no  se  producen  cuando  éstas  están  por  separado.  Por  tanto  la  resistencia  del  todo  es  superior  a  la  suma  de  las  resistencias  de  cada  elemento  por  separado.    

     El  diseño  de  las  aeronaves  puede  reducir  considerablemente  este  tipo  de  resistencia.  Por  ejemplo,  en  el  caso  del  F9F  Pather,  se  empezaron  a  usar  empalmes  aerodinámicos  (“wing  fillets”)para  minimizar  la  resistencia  por  interferencia  entre  fuselaje  y  planos.    

     La  resistencia  inducida:    La  resistencia  inducida  es  la  resistencia  que  se  produce  por  la  creación  de  sustentación.  Disminuye  con  la  velocidad.  A  ángulos  de  ataque  más  altos,  generaremos  un  CL  más  alto  y  una  mayor  resistencia  inducida.  Veamos  como  se  crea.  

 

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 Cuando  la  corriente  pasa  por  las  alas  la  parte  de  arriba  (la  que  fluye  por  el  extradós)  se  curva  hacia  el  encastre  del  plano.  Mientras  que  la  parte  de  abajo  (la  del  intradós)  se  desvía  hacia  las  puntas  de  los  planos.  Tal  y  como  se  ve  en  la  figura  anterior.  Esto  es  común  en  todos  los  aviones.  Y  el  resultado  es  este  par  de  corrientes  que  se  desplazan  en  direcciones  distintas.  Todo  esto  provoca    pequeños  torbellinos  detrás  del  ala.      

   Cuanto  más  hacia  la  punta  más  fuertes  son  llegando  a  su  máximo  a  la  punta  del  plano.  Donde  la  corriente  del  intradós  se  moverá  hacia  el  extradós  pasando  por  la  punta  del  plano  y  generando  un  gran  torbellino.  El  torbellino  de  la  punta  de  plano  o  vortex.        

 

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 Como  todo  torbellino  genera  una  baja  presión  y  al  estar  detrás  del  ala,  una  succión  y  por  tanto  una  resistencia  al  avance.  Existen  maneras  de  minimizarla  con  una  serie  de  dispositivos.  Los  dos  mas  importantes  son:    Tip  Tanks  o  Tankes  de  punta  de  ala:    Al  tener  una  masa  en  la  punta  del  ala  minimizamos  la  cantidad  de  corriente  que  se  desplaza  del  intradós  al  extradós  por  la  punta  del  plano.  Esto  hace  el  avión  más  aerodinámico.  El  L39  utiliza  este  dispositivo.    

   Winglets:    Son  una  prolongación  del  ala  que  está  doblada  hacia  arriba.  Esto  produce  tres  efectos.  Primero,  al  alargar  el  ala  reducimos  el  vortex,  ya  que  teóricamente  a  mayor  alargamiento  menor  es  el  “vortex”.  Un  ala  de  envergadura  infinita  tendría  resistencia  inducida  cero.  Segundo,  que  al  convertirse  en  una  supericie  vertical  y  más  pequeña,  suavizamos  la  creación  de  sustentación  y  por  tanto  formación  del  torbellino.  Tercero,  y  la  más  interesante,  por  un  tema  de  vectores  de  sustentación,  el  vector  sustentación  que  produce  el  winglet  es  hacia  adentro  y  ligeramente  hacia  delante.  Esto  crea  una  fuerza  (pequeña)  que  nos  empuja  hacia  delante.  Aumentando  la  eficiencia  del  ala  y  reduciendo  el  consumo  del  avión.  Tal  y  como  se  ve  en  la  siguiente  ilustración.    

 

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En  la  siguiente  ilustración  se  puede  ver  la  diferencia  en  un  mismo  avión  B737-­‐800  que  puede  estar  equipado  con  winglets  o  no.  El  torbellino  en  la  punta  del  plano  es  significativamente  mayor  donde  no  hay  winglet.      

 

   El  vortex,  además  de  la  resistencia  tiene  unas  consideraciones  operativas  muy  importantes.  Ya  que  volar  accidentalmente  a  través  del  vortex  de  otro  avión  desestabiliza  produciendo  una  turbulencia  severa  que  puede  hacer  perder  totalmente  el  control  de  la  aeronave.  Esta  turbulencia  se  le  conoce  como  turbulencia  por  estela  o  “wake  turbulence”.      Un  vortex  es  mayor  cuanto  más:    

-­‐ Pesado  sea  el  avión  que  la  produce  (no  es  lo  mismo  la  estela  de  una  cessna  que  la  de  un  747).  -­‐ Lento  vaya  el  avión  que  la  produce.  -­‐ Bajo  vuele  (por  haber  mayor  densidad  de  aire).  -­‐ Limpia  sea  su  configuración  (con  flaps  arriba  y  máximo  ángulo  de  ataque  mayor  vortex).  

 Es  un  torbellino  que  tras  nacer  en  la  punta  del  ala  del  avión  cae  entre  unos  500  y  1000  pies  (150-­‐300m)  y  tiene  unos  dos  minutos  de  vida.      

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   ¿Cuándo  nos  interesará  esto?  

   En  los  repostajes  tendremos  que  aproximarnos  al  tanker  y  realizar  el  repostaje  con  precaución  para  no  toparnos  con  la  estela.  Por  suerte,  tanto  las  cestas  como  la  pértiga  están  por  debajo  del  vortex.  Pero  hay  que  tener  en  cuenta  que  lo  tendremos  ahí  arriba6  .  Durante  la  aproximación  hay  que  tener  en  cuenta  la  posición  de  las  estelas  turbulentas  y  recordar  que  entre  los  vortex  tendremos  una  corriente  descendente  que  irá  menguando  según  nos  aproximemos  al  “tanker”  y  por  la  parte  exterior  de  los  vortex  unas  ascendencias.  Encontrarnos  con  un  vortex  nos  alabearía  el  avión  hacia  un  lado  brúscamente.  Lo  mejor  es  mando  contrario  y  descender,  puesto  que  en  un  repostaje  estaremos  ya  a  una  buena  altitud  y  también  evitaremos  colisionar  con  el  tanker.      En  despegues  y  aterrizajes  también  es  buena  idea  retrasar  el  despegue  dos  minutos  para  evitar  entrar  accidentalmente  en  esta  estela  que  nos  podría  tirar  al  suelo.      La  resistencia  total      La  suma  de  la  resistencia  parásita  e  inducida  nos  dará  la  resistencia  total  de  una  aeronave.  Hemos  dicho  que  la  resistencia  parástia  aumenta  con  la  velocidad  y  la  inducida  disminuye  con  la  velocidad.  Si  superponemos  las  dos  gráficas  encontramos  esto:  

                                                                                                                                       6  Por  suerte  tanto  en  DCS-­‐W  tanto  como  en  FSX,  los  vortex  no  están  modelados.  Sin  embargo  bien  lo  podrían  estar  en  futuras  acutalizaciones.  Por  lo  que  no  está  demás  aprender  y  tomar  las  precauciones.    

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   Hay  una  velocidad,  donde  confluyen  los  dos  tipos  de  resistencia,    que  la  resistencia  total  es  mínima.  Esta  es  la  velocidad  de  “máxima  fineza”  (o  L/Dmax)    y  a  esta  velocidad  conseguiremos  el  máximo  alcance  y  el  máximo  ángulo  de  ascenso.    

Vuelo  a  velocidades  transónicas:    

Cuando  se  alcanzan  velocidades  cercanas  a  Mach  1.0,  aproximadamente  por  encima  de  M0.7,  la  corriente  empieza  a  experimentar  una  serie  de  efectos.      Como  veíamos  antes,  en  todo  perfil  alar,  la  corriente  libre,  al  pasar  por  el  extradós  (parte  superior  del  perfil)  se  acelera.  Si  nosotros  vamos  a  una  velocidad  cercana  a  Mach  1.0  sin  llegar  a  ella,  esta  corriente  si  que  puede  acelerarse  a  Mach  1.0  o  superior.  Esto  no  es  problema  ya  que  la  aceleración  se  producede  una  forma  isentrópica.  El  problema  viene  cuando  se  desacelera  y  vuelve  a  la  velocidad  de  la  corriente  libre.  El  salto  de  supersónico  a  subsónico  se  hace  de  una  forma  brusca.  Se  produce  una  onda  de  choque  que  tiene  varios  efectos  en  el  vuelo.    La  onda  de  choque  aumenta  la  resistencia  al  avance.  A  esto  se  le  conoce  como  resistencia  de  onda.7    Provoca  un  desprendimiento  de  la  capa  límite  en  esa  zona.  Generalmente  aparece  en  el  encastre  del  ala  con  el  fuselaje.  No  hay  mayor  problema  si  no  vamos  a  viajar  a  mayor  velocidad.  Si  lo  hacemos  esa  onda  de  choque  se  hará  más  y  más  grande  de  manera  que  al  final  provocará  que  se  desprenda  toda  la  capa  límite  del  ala  y  entremos  finalmente  en  pérdida.  Pérdida  por  alta  velocidad.  Ahora  sabemos  que  también  podemos  entrar  en  pérdida  por  alta  velocidad,  debido  a  la  formación  de  esta  onda  de  choque.    

                                                                                                                                         7  Es  un  tercer  tipo  de  resistencia,  pero  que  no  profundizaremos  mucho  en  esto  por  estar  más  allá  de  los  objetivos  de  este  manual.    

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   Pues  bien,  la  velocidad  a  la  que  empieza  a  aparecer  esta  onda  es  siempre  la  misma  para  el  mismo  modelo  de  avión.  Se  le  conoce  como  Mcrit  (Mach  crítico).  Existe  una  manera  de  retrasar  esta  velocidad  crítica.  Que  sea  lo  más  alta  posible.  Y  esto  se  hace  dándole  flecha  al  ala.    

   

Al  darle  flecha,  el  vector  velocidad  se  descompone  en  dos.  Uno  paralelo  al  borde  de  ataque  y  otro  perpendicular  a  el  que  es  el  que  nos  interesa.  Éste  vector  es  mucho  menor  que  el  de  velocidad  de  la  corriente  libre.  Por  tanto  nos  ayuda  a  retrasar  la  aparición  de  la  onda  de  choque.      Las  alas  en  flecha,  comunes  en  la  mayoría  de  aviones  transónicos  y  supersónicos  tienen  una  serie  de  contraindicaciones.  

 

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   -­‐ Para  empezar  la  curva  CL-­‐AoA  es  mucho  más  plana,  sobretodo  el  punto  de  máximo  CL  donde  

entramos  en  perdida.  Dándonos  poco  aviso  de  que  estamos  entrando  en  pérdida.  Esto  normalmente  se  soluciona  con  dispositivos  alertadores  de  pérdida.    

-­‐ Recordad  que  la  pérdida  empieza  por  las  puntas  de  los  planos,  por  lo  que  perdemos  control  de  los  alerones  durante  el  bataneo.  

-­‐ Cambios  en  la  estabilidad,  aumentando  mucho  la  estabilidad  lateral  y  produciendo  el  llamado  “balanceo  del  holandés”.    

 Por  lo  que  la  flecha  solo  interesa  tenerla  en  caso  que  necesitemos  volar  a  altas  velocidades  y  nada  más.  Ya  que  sus  defectos  son  importantes.  Algunos  diseños  de  aviones  consiguen  modificar  la  flecha  alar  para  aprovechar  las  ventajas  de  cada  tipo  de  planta  alar.  Poca  flecha  a  bajas  velocidades  y  mucha  flecha  a  altas  velocidades.  Como  en  el  caso  del  Su27  Fitter.      

   Sin  embargo  el  sistema  es  complejo  y  añade  mucho  peso  al  avión.      El  ala  delta    Un  caso  partícular  del  ala  en  flecha  es  el  ala  delta.    El  ala  en  delta  ofrece  unas  excelentes  prestaciones  a  velocidades  transónicas  y  supersónicas  y  de  aceleración.  Es  por  eso  que  ha  sido  utilizado  por  los  franceses  en  sus  Mirage  o  por  los  rusos  en  el  Mig21.      

 

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Además  a  baja  velocidad  tienen  una  gran  ventaja  sobre  las  alas  en  flecha.  Les  cuesta  mucho  más  entrar  en  pérdida.  Por  su  configuración  un  avión  de  ala  delta  puede  tener  ángulos  de  ataque  más  altos  que  el  mismo  avión  en  flecha  sin  que  la  capa  límite  se  desprenda.  Y  esto  se  debe  a  que  por  su  forma  se  produce  el  siguiente  fenómeno.      

   

A  bajas  velocidades  y  altos  ángulos  de  ataque  la  corriente  que  llega  al  borde  de  ataque,  lo  hace  con  mucho  ángulo.  Casi  de  canto.  Esto  produce  un  gran  torbellino  sobre  cada  plano  del  ala  delta.  Como  hemos  visto  antes,  un  torbellino  es  sinónimo  de  baja  presión.  Debido  a  esto  se  crea  una  baja  presión  sobre  las  alas  que  mejora  la  sustentación.  Además,  la  corriente  acelerada  de  ese  torbellino  da  energía  a  la  capa  límite  por  lo  que  no  se  desprenderá.      De  esta  forma  podemos  tener  aviones  de  ala  delta  que  vuelen  a  grandes    ángulos  de  ataque  y  no  entren  en  pérdida.  Gracias  a  esto  muchos  aviones  en  ala  delta  no  necesitan  flaps  para  aterrizar.  Por  ejemplo  los  Mirage  o  el  Concorde  (aunque  este  lleva  un  ala  ojival,  que  es  una  ala  delta  más  refinada).  

 Notese  como  el  avión  va  aterrizar  sin  flaps  con  una  actitud  de  morro  muy  alta  (alto  AoA)  y  los  

torbelinos  son  visibles  por  la  estela  de  condensación  que  dejan  por  la  caida  de  presión  de  sus  nucleos  

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 En  su  contra  los  ala  delta  tienen  un  gran  problema.  Y  es  que  esos  torbellinos  a  alto  AoA  crean  el  mismo  efecto  de  succion  que  otros  torbellinos,  convirtiendo  al  ala  delta  en  un  gran  aerofreno  en  maniobras  de  muchos  G’s.  Por  lo  que  un  Mirage  en  un  combate  cerrado  a  altos  G’s  puede  perder  mucha  velocidad  (energía)  si  el  piloto  tira  demasiado  fuerte.  Además  cuanto  más  AoA,  mayor  es  la  resistencia  que  produce  y  puede  que  no  tengan  suficiente  exceso  de  empuje  y  para  contrarestar  y  el  avión  quede  fuera  de  control.  Por  eso  en  los  modernos  Mirage  2000  el  sistema  “fly  by  wire”  limita  al  piloto  en  ese  tipo  de  maniobras  para  que  no  se  pase  de  los  límites.      La  pérdida  a  gran  altitud.      Volando  a  altas  velocidades  y  grandes  altitudes  tendremos  que  pensar  en  un  problema  extra.  A  diferencia  de  lo  que  nos  habían  dicho.  La  IAS  de  pérdida  en  vuelo  recto  y  nivelado  no  es  la  misma.  Según  ascendemos,  la  IAS  de  pérdida  aumenta  por  un  aumento  en  la  compresibilidad  del  aire.    Por  otro  lado  hemos  visto  que  tenemos  una  velocidad  máxima  a  la  que  podemos  ir  porque  si  no  el  avión  entrará  en  pérdida  por  alta  velocidad.    El  resultado  es  que  podríamos  encontrarnos  en  esta  situación:  

   El  avión  de  color  rojo,  está  volando  muy  al  límite  entre  la  pérdida  por  baja  velocidad  y  la  pérdida  por  alta  velocidad.  Hay  un  punto  en  el  que  estas  se  encuentran  y  se  llama  el  “coffin  corner”.  La  esquina  del  ataud.  El  nombre  es  tan  siniestro  porque  volando  a  esa  altitud,  y  a  esa  velocidad,  si  frenamos  entraremos  en  pérdida  y  si  aceleramos  también  entraremos  en  pérdida.      Hay  que  tener  en  cuenta,  que  aunque  pilotemos  un  Su27  o  un  F16,  estos  aviones,  como  todos  los  demás  tienen  un  techo  aerodinámico.  Y  hacer  combates  a  estas  altitudes  puede  ser  bastantante  peligroso.  Es  mejor  permanecer  a  una  altitud  óptima  para  vuestra  máquina  que  os  de  un  márgen  con  el  coffin  corner  y  un  buen  rendimiento  aerodinámico  y  de  empuje.      Dispositivos  hipersustentadores  en  aeronaves  transónicas/supersónicas:    Hemos  visto  que,  debido  a  sus  alas  en  flecha  y  las  características  aerodinámicas  de  estas,  la  curva  CL-­‐AoA  es  más  plana  y  por  tanto  a  altos  AoA  un  tirón  puede  no  darnos  el  resultado  que  esperábamos  y  hacer  que  el  avión  entre  en  pérdida.  Esto  es  importante  para  los  aviones  de  combate.  Por  lo  que  los  ingenieros,  estudiando  cada  caso,  han  añadido  unos  dispositivos  para  retrasar  la  pérdida  y  mejorar  las  características  a  altos  AoA.      

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Generadores  de  torbellinos.    

     No  son  más  que  unas  placas  puestas  en  el  extradós  de  las  alas  en  algunos  aviones  para  mejorar  las  características  de  pérdida.  Generan  torbellinos  por  esas  zonas,  dando  energía  extra  a  la  capa  límite.  Suele  ponerse  en  las  puntas  de  los  planos  en  los  aviones  en  flecha  para  demorar  la  pérdida  en  esas  zonas  críticas  por  estar  ahí  los  alerones  que  controlan  el  alabeo.        Fences:    Uno  de  los  sistemas  más  antiguos  para  aviones  en  flecha  fue  este  dispositivo.      

   En  los  aviones  en  flecha,  la  capa  límite  va  aumentando  su  grosor  progresivamente  desde  el  encastre  hasta  las  puntas.  Por  eso  a  altos  AoA  se  desprende  con  facilidad  de  las  puntas.  Porque  es  ya  muy  gruesa.  Los  ingenieros  descubrieron  que  si  se  le  ponía  una  “barreras”  artificiales  a  lo  largo  del  plano  en  forma  de  vallas  (fences)  la  capa  límite  se  comportaba  como  si  esa  valla  fuera  otro  encastre  del  plano.  De  manera  que  volvía  a  tener  un  espesor  como  en  el  encastre.  Esto  mejoraba  las  características  en  la  pérdida  y  la  retrasaba.  Fue  un  dispositivo  utilizado  en  el  Mig15  como  podéis  ver  en  esta  ilustración.      

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 Dientes  de  perro:    Otro  dispositivo  usado  comunmente  en  los  aviones  en  flecha  son  los  dientes  de  perro.      

 

             Estas  puntas  que  sobresalen  del    borde  de  ataque  del  ala  de  este  Mig  23  no  están  por  razones  estéticas.  A  altos  AoA,  simulan  la  punta  de  un  ala  delta  y  producen  un  torbellino  similar  a  los  anteriores.  De  esta  manera  si  se  hacen  maniobra  a  altos  ángulos  de  ataque  tendremos  un  márgen  extra  sobre  la  pérdida  que  no  tendríamos  si  no  estuviera  este  sistema.      Este  dispositivo  también  se  usa  en  el  F18E,  Kfir,  Mirage  F1  y  otros…    Strakes  LERX:    Sin  duda  el  sistema  más  efectivo  en  los  aviones  de  combate  para  hacer  virajes  muy  cerrados.  Este  sistema  es  el  que  va  instalado  en  los  F18,  F16,  Mig29,  Su27,  etc.  Todos  ellos  se  caracterizan  por  hacer  virajes  muy  cerrado  con  áltos  AoA  que  otros  aviones  no  pueden.    El  secreto  está  en  un  dispositivo  que  una  extensión  del  borde  de  ataque  del  plano  en  la  zona  del  encastre.  Extensió  alargada  y  que  está  pegada  al  fuselaje.        

 

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 LEXS  viene  de  leading  edge  extensions,  extensiones  del  bode  de  ataque.  Con  este  sistema  se  ha  querido  adoptar  las  ventajas  del  ala  delta  sin  sus  desventajas.  A  áltos  ángilos  de  ataque  se  producen  los  mismos  torbellinos  que  si  el  avión  tuviese  un  ala  delta.    

   De  esta  manera  tenemos  un  aumento  extra  de  sustentación  a  altos  AoA  y  nos  permite  hacer  virajes  más  cerrados.  Aquí  los  torbellinos  suelen  hacerse  visibles  por  la  condensación  que  estos  producen.    

     Vuelo  supersónico    Es  el  vuelo  que  haremos  por  encima  de  la  velocidad  local  del  sonido.  Puesto  que  esta  varía  no  tenemos  un  número  fijo  para  definirla.  Depende  de  la  temperatura  relativa.  Y  puesto  que,  conforme  ascendemos  la  temperatura  baja  unos  2  grados  de  media  por  cada  1000  pies  (6’5  cada  1000m)  ,  la  velocidad  del  sonido  disminuye  con  la  altitud.  En  atmósfera  estandar  a  nivel  del  mar  hay  15ºC  y  la  velocidad  local  del  sonido  en  esas  condiciones  es  de  661  Kts  o  1223  Kph.  Saber  a  qué  velocidad  daremos  el  salto  de  subsónico  a  supersónico  sería  muy  complicado  si  no  fuera  porque  se  inventó  el  concepto  de  “Mach”.  Mach  es  la  relación  entre  nuestra  TAS  y  la  velocidad  local  del  sonido.  De  manera  que  si  nuestra  TAS  es  igual  a  la  velocidad  local  del  sonido,  diremos  que  vamos  a  Mach  1.0.  Si  la  TAS  es  2  veces  superior  a  la  velocidad  local  del  sonido  iremos  a  Mach  2.0.  Y  así  sucesivamente.  Esto  nos  simplifica  mucho  el  trabajo.  Pero  recordad  que  no  nos  da  una  velocidad  precisa.    

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 ¿Qué  pasa  a  Mach  1.0  y  porqué  es  tan  importante?.  A  esa  velocidad  llegamos  a  la  velocidad  a  la  que  se  propagan  las  ondas  por  la  atmósfera.  Todo  objeto  que  se  mueve  por  la  atmósfera  produce  una  perturbación  en  el  aire.  La  perturbación  se  transimite  en  forma  de  ondas8.  Y  esas  ondas  se  mueven  siempre  a  velocidad  constante,  que  es  la  velocidad  del  sonido.  De  la  misma  manera  que  cuando  tiramos  una  piedra  al  agua  y  perturbamos  ese  fluido,  se  producen  unas  ondas  que  se  mueven  a  una  velocidad  constante.  Si  ese  objeto  además  se  desplaza  a  cierta  velocidad,  las  ondas  de  delante  suyo  se  comprimen  y  las  de  detrás  se  separan.  Por  eso  un  coche  no  hace  el  mismo  ruido  cuando  viene  que  cuando  se  va.  Es  lo  que  se  llama  el  efecto  doppler  (figura  1).      

   Pero  si  nos  desplazamos  a  la  velocidad  que  esas  ondas  se  propagan,  las  ondas  se  acumularán  en  el  morro  del  avión  (figura  2)  sumándose  todas  en  una  gran  onda  llamada  onda  de  choque  (figura-­‐4).  Cuando  nos  desplazamos  más  rápido  que  la  velocidad  a  la  que  se  propagan  las  ondas,  se  formará  una  onda  de  choque  de  forma  oblicua.  Todo  esto  es  muy  teórico  y  sería  como  en  la  figura  de  arriba  si  el  cuerpo  que  viaja  a  velocidad  supersónica  fuera  muy  pequeño.  Una  estructura  como  de  un  avión  perturba  el  aire  desde  varios  puntos  de  la  célula  produciendo  varias  ondas  más.  El  resultado  es  que  las  ondas  se  suman  en  dos  lineas,  dos  ondas  de  choque.  La  que  está  justo  por  delante  de  la  célula  y  la  que  está  por  detrás.  Por  ello  todos  los  aviones  supersónicos  tienen  dos  ondas  de  choque  y  provocan  un  doble  estampido  sónico  cuando  pasan.  Esta  imagen  es  la  de  una  bala  que  viaja  a  velocidad  supersónica.  Se  puede  ver  como  perturba  el  aire  y  forma  dos  ondas  de  choque,  claramente  diferenciadas  en  la  parte  delantera  y  trasera  de  la  bala.  Las  otras  ondas  mas  suaves,  que  se  ven  entre  las  dos  ondas  de  choque,  son  ondas  de  expansión  que  veremos  más  adelante.    

                                                                                                                                         8  Una  forma  de  perturbación  es  la  que  producen  ondas  en  el  rango  auditivo  humano  20  Khz  a  20000  Khz,  a  la  que  llamamos  sonido.    

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 Acontinuación  una  imagen  de  un  X-­‐15  en  un  tunel  de  viento.  Ondas  de  choque  en  la  parte  anterior  y  posterior  del  avión.  Y  al  tener  una  forma  más  compleja,  ondas  oblicuas  y  de  expansión  entre  ellas.      

   Veamos  que  es  esto  de  las  ondas  de  expansión  y  oblicuas.      Contra  más  vertical  sea  la  onda  de  choque,  más  nos  perjudica.  Esto  es  porque  la  onda  de  choque  en  sí  representa  un  salto  de  velocidad  supersónica  a  subsónica  muy  brusco.  Hay  un  salto  en  la  densidad,  la  presión  muy  brusco.  Y  contra  más  vertical  sea  la  onda  más  brusco  es9.  Aerodinámicamente  queremos  evitar  las  ondas  de  choque  normales  (verticales)  a  toda  costa.  Básicamente  porque  ese  salto  tan  brusco  de  densidad  y  presión  provoca  el  desprendimiento  de  las  capas  de  aire  sobre  las  alas  y  los  motores  (entradas  en  pérdida,  etc.)  y  aumentan  enormemente  la  resistencia  al  avance  (resistencia  de  onda).    

   Entonces,  los  ingenieros  se  dieron  cuenta  que  si  le  damos  formas  más  suaves  al  avión,  más  aerodinámicas,  las  ondas  de  choque  resultante  son  más  oblicuas  y  el  salto  de  supersónico  a  subsónico  es  mas  suave.  Y  es  la  que  buscan  en  sus  diseños.      

                                                                                                                                       9  De  hecho,  las  ondas  de  choque  que  se  forman  en  el  extradós  de  las  alas  de  aviones  subsónicos  a  velocidades  transónicas,  cuando  viajamos  por  encima  de  “Mcrit”  son  tan  verticales  que  provocan  que  se  pueda  desprender  la  capa  límite  y  que  el  avión  entre  en  pérdida  por  alta  velocidad.    

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   Si  ponemos  un  objeto  aerodinámico  en  un  tunel  de  viento  a  velocidad  supersónica  obtendremos  unas  lineas  similares  a  esta:    

   El  aire  se  mueve  a  Mach  superior  a  1  y  se  encuentra  con  un  objeto  puntiagudo  de  ángulo  “θ”.  Por  la  perturbación  del  objeto  ese  aire  forma  una  onda  de  choque  y  es  oblícua.  El  aire  que  fluye  delante  de  la  onda  va  a  ir  más  rápido  que  el  que  fluye  detrás.  En  este  caso  no  se  pasa  de  supersónico  a  subsónico  directamente  y  por  tanto  no  hay  un  salto  tan  brusco  de  densidad  y  presión  como  pasaría  en  el  caso  de  una  onda  normal.      La  presión  detrás  de  la  onda  aumenta,  la  densidad  aumenta  pero  el  número  de  Mach  disminuye  y  la  TAS  también.  El  aire  se  comprime  detrás  de  la  onda.      Si  ese  mismo  aire  se  encuentra  que  ahora  el  objeto  forma  un  ángulo  inverso,  se  formará  otro  tipo  de  onda.  Una  onda  de  expansión.  En  ésta  el  efecto  es  el  contrario.  El  aire  se  acelera,  el  número  de  Mach  aumenta  y  la  TAS,  pero  la  presión  disminuye  y  la  densidad  también.  El  aire  se  expande.        

 

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 Todo  esto  hace  que  cualquier  objeto  que  vuele  a  velocidad  supersónica  tenga  ondas  de  choque  y  de  expansión,  como  por  ejemplo  este  misil.      

 Los  efectos  ya  los  conocemos.  Y  aerodinámicamente  habrá  que  tenerlo  en  cuenta.  Por  esta  física  del  vuelo,  las  alas  de  los  aviones  supersónicos  tienen  unas  características.  Tienen  muy  poco  alargamiento  (poca  envergadura),  generalente  tienen  flecha,  su  perfil  alar  es  simétrico  y  tiene  una  de  las  siguientes  formas:  

 Bi-­‐convexos  o  romboidal.  Por  ejemplo  en  el  romboidal  podríamos  visualizar  que  las  ondas  de  choque  oblicuas  se  formarían  en  las  puntas  de  delante  y  de  detrás  y  las  ondas  de  expansión  en  las  puntas  superior  e  inferior.  En  vuelo,  para  producir  sustentación  necesitarían  cierto  ángulo  de  ataque.  De  esta  manera  aprovecharíamos  el  aumento  de  presión  en  el  intradós  del  ala  tal  y  como  muestera  la  siguiente  ilustración:  

 

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La  zona  roja  es  zona  de  alta  presión  y  la  azul  zona  de  baja  presión.  Cuando  le  damos  un  poco  de  ángulo  de  ataque  (a  partir  de  5º)  tendremos  bajas  presiones  en  el  extrados  y  altas  en  el  intradós  produciendo  sustentación.  Los  perfiles  supersónicos  requieren  siempre  cierto  ángulo  de  ataque  para    “volar”.    Finalmente  y  como  información  para  nuestros  vuelos,  necesitamos  saber  que  el  estampido  sónico  puede  alertar  a  nuestro  enemigo  y  puede  producir  daños  en  instalaciones  amigas  si  volamos  muy  bajo  por  la  fuerza  de  onda  de  choque.    

     Cuanto  más  alto  volemos,  menor  será  el  impacto  de  la  onda  de  choque  con  el  suelo.  Un  punto  a  tener  en  cuenta  si  volando  en  vuelo  NOE  se  nos  ocurre  superar  Mach  1.    Otra  cosa  que  necesitamos  saber  es  de  qué  depende  el  número  de  Mach.  Bueno,  depende  obviamente  de  nuestra  TAS  pero  también  de  la  velocidad  del  sonido  que  no  siempre  es  constante.  Depende  de  la  temperatura  relativa  del  aire.  Es  decir,  a  mayor  altitud  (hace  más  frio),  la  velocidad  del  sonido  es  inferior.  Y  por  tanto  para  una  misma  TAS,  si  volamos  más  alto  nuestro  número  de  Mach  será  mayor.  Esto  está  perfectamente  modelado  en  DCS  World.    

 

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Esto  es  un  diagrama  de  la  atmósfera  estandar  internacional  o  ISA  (un  modelo  ideal  que  se  toma  para  los  cálculos)  .  Podéis  ver  como  la  velocidad  del  sonido  baja  de  661    KTAS  (o  1200  Km/h)  a  nivel  del  mar  y  disminuye  paulatinamente  con  la  altitud.  Hasta  llegar  a  la  estratosfera  (12000m,  36000ft),  donde  la  temperatura  permanece  constante  a  -­‐56ºC  y  también  la  velocidad  del  sonido.      Finalmente,  superar  Mach  1,  la  velocidad  del  sonido  requiere  mucha  energía.  Cuanto  más  nos  acercamos  hay  que  vencer  la  resistencia  de  esas  ondas  que  se  acumulan  en  la  parte  delantera  del  avión.  A  esto  se  le  conoce  como  resistencia  de  onda  y  aumenta  considerablemente  cuando  nos  acercamos  a  Mach  1.  Por  eso  en  la  mayoría  de  cazas,  necesitaremos  la  postcombustión  para  pasar  a  régimen  supersónico.  Sin  embargo  una  vez  sobrepasamos  la  barrera  del  sonido  la  resistencia  de  onda  disminuye  significativamente  y  cae  a  unos  niveles  más  llevaderos.    

 Por  ejemplo,  el  Concorde  necesitaba  encender  la  postcombustión  para  superar  Mach  1  y  la  volvía  a  apagar  a  Mach  1.5  puesto  que  los  motores  ya  podían  contrarrestar  la  resistencia  de  onda  a  ese  número  de  Mach.      Conclusiones    Con  este  capítulo  del  curso  de  reactores  hemos  dado  unos  conocimientos  sobre  aerodinámica  que  nos  ayudarán  a  controlar  y  entender  los  nuevos  modelos  de  vuelo  avanzados  que  nos  vamos  a  encontrar  en  DCS-­‐W.    Nuestros  aviones  están  dotados  de  unos  dispositivos  que  les  ayudarán  a  aumentar  su  envolvente  de  vuelo.  Todos  ellos  con  sus  pros  y  sus  contras  y  es  necesario  conocerlos  especialmente  cuando  volamos  bajos,  a  plena  carga  y  con  un  enemigo  que  nos  dispara.  Nos  ayudará  a  sobrevivir.          

ESA  _Jazz