MANUAL DE VUELO
Performance

Prevuelo.

Rendimiento (Performance).

Se denomina rendimiento (performance) al conjunto de capacidades de un avión según el objetivo primordial para el cual ha sido diseñado.

Aunque este conjunto de capacidades varía de un avión a otro según su objetivo (carga, transporte, deportivo, etc.) e incluso dentro de la misma línea de operación (por ejemplo transporte a corta o larga distancia), existen una serie de factores que afectan de forma general al rendimiento de cualquier aeroplano, con independencia de su diseño y tipo de operación. Este capítulo trata de estos factores, enfocándolos específicamente a su incidencia en aviones ligeros con motor de pistón.

Antes de nada, es primordial conocer con certeza en qué categoría ha sido certificado el aeroplano (Normal, Utility, Acrobatic). Nunca debemos pretender obtener del aparato un comportamiento y unas capacidades para las cuales no ha sido diseñado. En el manual de operación de cada avión se especifican las limitaciones según su certificación (P.ejemplo: Normal Category - All acrobatic maneuvers including spins prohibited).

Ejemplo de categoría de aeroplano

Además de los efectos de peso y equilibrio, vistos anteriormente, los siguientes factores tienen un efecto profundo en el rendimiento del avión:

Los aspectos principales más afectados son: la distancia de despegue y aterrizaje, la velocidad de ascenso, el techo máximo del aeroplano, la carga útil, el alcance máximo, la velocidad, la estabilidad, la maniobrabilidad y el ahorro de combustible.

Algunos de estos factores a menudo se oponen directamente: por ejemplo, alta velocidad versus corta distancia de aterrizaje, largo alcance versus carga útil y alta tasa de ascenso versus ahorro de combustible.

4.4.1   Altitud de presión y de densidad.

En algunos libros y manuales, cuando se habla de rendimiento se suele recurrir a dos conceptos que en ocasiones producen confusión en los alumnos pilotos: altitud de presión y altitud de densidad.

En condiciones estándar, a cada altitud concreta le corresponde una presión determinada; si ponemos ambos valores en dos columnas, podemos determinar la altitud a partir de la presión y viceversa; este es el principio de funcionamiento del altímetro.

La altitud de presión se puede determinar mediante uno de los siguientes métodos:

  1. Establecer la escala barométrica del altímetro en 29,92” y leer la altitud indicada o
  2. Establecer esa escala con el valor de presión actual y aplicar un factor de corrección según esa presión (ver fig.442).

Con la altitud de densidad sucede algo similar, en condiciones estándar a cada altitud le corresponde una densidad y viceversa; de ahí el nombre altitud de densidad. En esta relación biunívoca, la altitud de presión por tanto, no es ni más ni menos que la altitud que corresponde a una presión atmosférica concreta en condiciones estándar; esa misma altitud corregida por las desviaciones de temperatura respecto a la estándar recibe el nombre de altitud de densidad.

Volviendo al capítulo dedicado a la atmósfera, recordemos que la densidad del aire se ve afectada por los cambios de altitud, temperatura, y humedad, de forma que cuando la temperatura del aire aumenta su densidad disminuye. Además, a medida que aumenta la altitud, disminuye la presión del aire y también la densidad. Esto último puede producir confusión pero lo cierto es que: “cuanto mayor es la altitud de densidad menor es la densidad del aire y viceversa”.

Hemos de destacar que la altitud de densidad NO es un nivel de vuelo, es una "condición", por lo que es importante recordar que la altitud indicada por el altímetro, calado habitualmente con el QNH o el QNE, es siempre nuestra referencia de altura en lo que respecta al vuelo.

No nos confundamos, hay distintas denominaciones para distintos conceptos de altitud, debemos conocerlas, comprender su significado y para qué sirven, pero nuestra referencia sobre la altura de vuelo del avión es la indicada por el altímetro. En resumen: el nivel de vuelo viene dado por el altímetro (altitud de presión) y la altitud de densidad se utiliza para determinar el rendimiento del avión.

Aunque no tengamos a bordo instrumentos que midan la densidad, tenemos uno que indica la presión traducida en altitud (altímetro) y otro que mide la temperatura (OAT - Outside Air Temperature). Lo más lógico es por tanto construir las tablas y gráficos partiendo de valores de estas dos variables: presión traducida en altitud y temperatura.

Determinación de la altitud de densidad

En la fig.442 se muestra un gráfico de conversión de altitud de presión a altitud de densidad. Si por ejemplo estamos en un aeródromo con una altitud de presión de 7000 pies y una temperatura exterior de 18ºC, la intersección de la línea transversal de 7000 pies con la línea vertical de 18ºC se aproxima a la horizontal de 9000 pies de altitud de densidad (línea azul discontinua); o sea que el rendimiento del avión es como si despegáramos de un aeródromo situado a 9000 pies.

La tabla de valores a la derecha del gráfico se utiliza si nuestra referencia no es la presión estándar (29,92”) sino otra distinta. A la altitud conocida del campo le sumamos o restamos el factor de corrección que corresponde a la presión actual y así obtenemos la altitud de presión.

Una forma sencilla de calcular la altitud de densidad, partiendo de que la temperatura ISA a nivel del mar es de 15ºC y que por cada 1000 pies de altitud la temperatura disminuye -2ºC es como sigue:

Altitud de densidad = Altitud presión + [(Temperatura actual - Temperatura ISA) *120]

Volviendo al ejemplo de la figura anterior, la temperatura ISA a 7000 pies es 1ºC (15-14) y la actual 18ºC; conforme la operación indicada calculamos que la altitud de densidad es de: 7000 + [(18-1)*120)] = 7000 + 2040 = 9040 pies.

Por fortuna, normalmente no tendremos que hacer cálculos para determinar la altitud de densidad pues los datos de rendimiento en las tablas y gráficos de los manuales de vuelo se especifican a partir de las variables altitud de presión y temperatura, y por supuesto el peso del aeroplano.

4.4.2   Efecto de la densidad.

La densidad del aire es quizá el factor simple más importante que afecta al rendimiento del avión, pues influye en la sustentación, la resistencia, el rendimiento del motor y la eficiencia de la hélice.

Sobre la sustentación y la resistencia. La densidad (ρ) es un factor común en las fórmulas tanto de la sustentación como de la resistencia, de las cuales se infiere que a mayor densidad mayor sustentación, mayor resistencia, y viceversa. Conclusión: cuanto mayor sea la altura de vuelo menor será la densidad, y en consecuencia, menor la sustentación y menor la resistencia.

Fórmulas de sustentación y resistencia

Este descenso del factor ρ en la sustentación ha de ser compensado con un aumento de la velocidad V para lo cual se precisa de mayor eficiencia en motor y hélice, que como veremos a continuación ha disminuido debido precisamente a esa baja densidad, todo lo cual hace que el rendimiento del aeroplano en altitudes de baja densidad disminuya considerablemente.

Sobre el motor y la hélice. El motor produce potencia en función de la masa de aire que entra en los cilindros. Para un mismo régimen, el volumen de aire que entra es el mismo, pero la masa varía con la densidad: a mayor densidad mayor masa y viceversa. Esta variación de la densidad tiene dos efectos: por un lado el rendimiento del motor es menor cuanto menor sea la densidad, pero por otro, la cantidad de combustible a mezclar debe ser menor para mantener la proporción adecuada de la mezcla. Estos efectos no tienen incidencia en motores turboalimentados.

En cuanto a la hélice, esta produce empuje o tracción en función de la masa de aire acelerada por las palas de la misma. Como esta masa es proporcional a su densidad podemos afirmar que la hélice es menos eficiente con una densidad baja del aire que con una densidad alta. A la vista de los efectos anteriormente mencionados, podemos concluir que:

Rendimiento de un aeroplano según la densidad del aire

Una vez que conocemos los efectos que la variación de la densidad tiene sobre el rendimiento del avión, se nos pueden ocurrir varias preguntas: ¿hay algún indicador o instrumento a bordo que nos diga la densidad? ¿si no lo hay cómo se calcula? ¿cómo se deduce el rendimiento del avión a partir de una densidad dada?

Vamos con las respuestas. Como ya se ha dicho, no hay indicador o instrumento a bordo que muestre directamente la densidad, pero es que, en general, no es necesario conocer explícitamente este dato pues los manuales de operación ya incluyen las tablas y gráficos de rendimiento en función de la temperatura exterior y la altitud de presión. Partiendo de ambas magnitudes, basta con consultar la tabla o gráfico correspondiente (despegue, aterrizaje, ascenso, descenso, crucero, distancia, etc.) para conocer el rendimiento esperado del aeroplano en esas circunstancias.

Ejemplo de tabla de rendimiento según altitud y temperatura

Las condiciones que dan como resultado una baja densidad, y por tanto menor rendimiento, son elevaciones altas, bajas presiones atmosféricas, altas temperaturas, alta humedad o alguna combinación de estos factores. Por el contrario, elevaciones más bajas, alta presión atmosférica, bajas temperaturas y baja humedad son indicativos de alta densidad.

4.4.3   Factores ambientales.

Humedad. Debido a la evaporación, la atmósfera siempre contiene alguna parte de moléculas de agua en forma de vapor, las cuales ocupan el lugar de las moléculas de aire seco. Debido a la menor densidad del vapor de agua respecto al aire seco, un determinado volumen de aire húmedo pesa menos (es menos denso) que el mismo volumen de aire seco. Y aunque en las tablas de rendimiento para aviones ligeros no suele considerarse la humedad, conviene tener en cuenta que con un alto porcentaje de humedad en la atmósfera el rendimiento del avión disminuye.

Viento. El efecto del viento en superficie tiene, en cierto sentido, un efecto contrario al mismo viento durante el vuelo. En el despegue o aterrizaje el viento en cara es positivo: acorta las distancias de despegue y aterrizaje; incrementa el ángulo de ascenso y la senda de aproximación; posibilita una mejor liberación de obstáculos, etc. Por el contrario, el viento en cola para estas dos operaciones es negativo: las distancias de despegue y aterrizaje se incrementan; los ángulos de ascenso y aproximación disminuye; etc. Salvo casos de fuerza mayor, nunca debe realizarse un despegue o aterrizaje con viento en cola.

En régimen de crucero se invierten los términos: el viento en cara es negativo, implica resistencia al avance aminorando la velocidad respecto al suelo, lo cual aumenta el consumo de combustible y disminuye la autonomía y el radio de acción del vuelo. Con el viento de cola sucede todo lo contrario, es positivo; se incrementa la velocidad respecto al suelo permitiéndonos llegar antes a nuestro destino, es menor el gasto de combustible, y mayores la autonomía y el radio de acción del vuelo.

Efecto del viento en cara y viento en cola

4.4.4   Otros factores.

Estado y gradiente de la pista. En las operaciones de despegue y aterrizaje, el estado de la pista y su gradiente (cuesta arriba o cuesta abajo) pueden tener una gran influencia en el rendimiento de la aeronave. Una pista de hierba, tierra o grava, mojada, embarrada, etc. produce mayor resistencia al movimiento del avión que una pista seca y de hormigón o asfalto. Esto implica una carrera de despegue más larga y por tanto la necesidad de una mayor longitud de pista para despegar. Sin embargo, esta resistencia debido a la fricción puede reducir la distancia de aterrizaje, siempre y cuando la pista no esté mojada o con hielo porque afectaría a la capacidad de frenada y alargaría la distancia de aterrizaje.

La Flight Safety Foundation's en su documento “Approach and Landing Accident Reduction Tool Kit” aconseja lo siguiente:

La Federal Aviacion Administration (FAA) aconseja añadir un 15% adicional como margen de seguridad.

El gradiente de una pista expresa el porcentaje de cambio en la altura de una pista respecto de su longitud. Un gradiente del 2% supone que por cada 100 metros de longitud de la pista su altura cambia 2 metros. Los gradientes positivos indican un aumento de la altura (pendiente ascendente) y los negativos indican lo contrario (pendiente descendente).

Visto esto, es fácil deudicr que una pista cuesta arriba (upslope) alarga la carrera de despegue y acorta la de aterrizaje mientras que una pista cuesta abajo (downslope) acorta la carrera de despegue y alarga la de aterrizaje.

En las tablas y gráficos de despegue y aterrizaje los fabricantes asumen que la pista está seca, pavimentada y nivelada, tal como se muestra en la figura siguiente.

Ejemplo de notas en las tablas de rendimiento

Peso. Como hemos visto en un capítulo anterior, el peso es con diferencia el factor que más impacto tiene sobre el rendimiento. Sabemos que el peso y su distribución tienen unos límites que no se pueden sobrepasar si queremos volar sin riesgos; pero aun estando el peso y el C.G dentro de estos límites, es obvio que para levantar y mantener en vuelo un peso mayor se necesita mayor rendimiento del avión que con un peso menor. Por ejemplo: un aumento del peso al despegue del 10% supone un 5% más de velocidad de rotación y un 21% de incremento en la distancia necesaria para despegar.

En algunos casos extremos, por ejemplo aeródromo a mucha altitud en un día con temperatura y humedad muy altas, puede suceder que el peso suponga un handicap tal que no sea posible el despegue.

Del análisis de las explicaciones anteriores, pudiera extraerse la conclusión equivocada de que un piloto debe estar consultando continuamente el rendimiento del avión para comprobar si puede o no realizar una determinada operación. Esto no es exactamente así.

Un piloto juicioso y sensato, es decir un buen piloto, sabe lo que puede y no puede esperar del avión en que vuela habitualmente, y en condiciones normales no suele echar mano de unas tablas que ya conoce. Pero ese mismo piloto reconoce cuando las condiciones son desfavorables y antes de correr un riesgo, aunque sea mínimo, consulta las tablas y gráficos, sobre todo en la maniobra que puede volverse más crítica con un bajo rendimiento del avión: el despegue y ascenso posterior.

Por su seguridad, sea prudente a la hora de valorar su capacitación como piloto y el rendimiento del avión cuando decide salir a volar, máxime cuando se dan una o más combinaciones de factores desfavorables.

4.4.5   Uso de tablas y gráficos de rendimiento.

Como ya sabemos, el objetivo de una tabla o gráfico consiste en mostrar el resultado de una consulta basándonos en valores conocidos de diferentes variables. Pues bien, las tablas y gráficos que aquí se muestran están realizadas a partir de algunas publicadas por los constructores; debe quedar claro que su objetivo es familiarizar al lector con su uso y estudio, NO SON PARA USO OPERACIONAL.

De acuerdo con las directrices GAMA, todo lo referente al rendimiento del aeroplano (tablas, gráficos, notas, etc.) se incluye en la sección 5ª de los manuales de operación (POH o AFM). Esta sección contiene los datos operativos de la aeronave; es decir, los datos relativos al despegue, ascenso, alcance, resistencia, descenso, aterrizaje, velocidades de pérdida, etc.

Cabe destacar que la información ofrecida se ha obtenido mediante pruebas de vuelo efectuadas en condiciones normales de operación, hechas por pilotos con una notable experiencia y con el aeroplano en excelentes condiciones. Es prudente pues, contar con un rendimiento ligeramente inferior y prever un margen de seguridad.

Estos datos de rendimiento que aportan los fabricantes no están estandarizados sino que cada uno lo hace en la forma que cree más conveniente, aunque en todos los casos se incluyen ejemplos que son perfectamente comprensibles y fáciles de manejar. Se suelen emplear dos formatos: uno tabulado en filas y columnas, en el cual basta con cruzar valores en una o más de ellas para obtener la solución, o un formato gráfico con una serie de líneas cuya intersección con los ejes X e Y muestran valores computados.

Ejemplo de datos tabulados para calcular la distancia de despegue

En la fig.448 tenemos un ejemplo de tabla sencilla, en este caso de distancia de despegue, la cual se explica por sí misma. En la cabecera se indican las condiciones de la maniobra así como unas notas que aportan detalles a tener en cuenta. Esta misma tabla repetida pero con distintas condiciones de peso, flaps, etc. estará presente en el manual del aeroplano.

En la siguiente fig.449 vemos como el constructor ha optado por un gráfico con el cual el piloto puede calcular la distancia de despegue, sin más que proyectar sobre el eje X la intersección de la altura de densidad con la línea (Ground roll o Over 50 ft) que corresponda y según peso del aeroplano (línea azul o línea roja). Como en la tabla anterior, también aquí el constructor nos indica las condiciones de operación: los flaps retraídos (0º), aplicando toda la potencia antes de soltar los frenos, y sobre una pista pavimentada, seca y nivelada.

Ejemplo de gráfico para cálculo de distancia de despegue

El ejemplo contenido en el gráfico (línea verde discontinua), nos muestra que con una altura de densidad de 3800 pies, un aeroplano con peso bruto de 2150 libras necesita 1300 pies de pista para despegar con las condiciones indicadas en ese mismo gráfico.

Con ese gráfico, poco usual, el piloto debe calcular a priori la altitud de densidad, y si el peso no fuera uno de los mostrados realizar la interpolación correspondiente o asumir el peso máximo. Por estas y otras razones, se ha impuesto un tipo de gráficos más complejos y elaborados que admiten más variables y eximen al piloto de realizar cálculos, tal como el mostrado en la figura siguiente.

Ejemplo de gráfico con distancia de despegue necesaria

En la parte izquierda del gráfico se encuentran los datos de altitud de presión y temperatura que en conjunto nos ofrecen la altitud de densidad; en la parte central los pesos del aeroplano y velocidad de rotación, y por último en la derecha velocidad y dirección del viento (en cara o en cola); conectando puntos de intersección de izquierda a derecha, desde una intersección a la siguiente, acabaremos obteniendo la distancia de despegue necesaria con las variables dadas.

Debido a que no todos los valores se enumeran en las tablas y gráficos, a veces se requiere interpolación para determinar un resultado a partir de valores intermedios para una condición de vuelo o situación particular, aunque lo más sencillo y precavido es tomar el valor de los resultados inmediatamente superiores contenidos en las tablas y/o gráficos.

Cuando consulte tablas y gráficos de rendimiento, tenga en cuenta que los datos que contienen son específicos de esa marca, modelo y tipo de aeroplano, no para otros.

4.4.6   Ejemplos de tablas y gráficos de rendimiento.

Seguidamente se presenta una breve muestra, a modo de ejemplo, de algunas de las tablas y gráficos que podemos encontrar en los manuales de operación de algunos aeroplanos ligeros. Hasta donde yo he visto, Cessna, Socata, Cyrrus, Diamond, por ejemplo presentan los datos de rendimiento preferiblemente en forma de tablas, mientras que otros como Piper, Beechcraft, o Gulfstream se decantan más por los gráficos.

Ejemplo de gráfico de velocidades de pérdida
Ejemplo de gráfico de distancia de despegue salvando obstáculos
Ejemplo de tabla con distancias de despegue
Ejemplo de gráfico para cálculo de distancia de aterrizaje necesaria

Safe Creative #1311279448448

Copyright Miguel Angel Muñoz Navarro