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UAV Navigation en profundidad: Envolvente de vuelo

INTRODUCCIÓN

En la aerodinámica, la envolvente de vuelo define los límites operacionales de una plataforma aérea con respecto a la velocidad máxima y el factor de carga dada una densidad atmosférica concreta. La envolvente de vuelo es la región dentro de la cual una aeronave puede operar con seguridad.

Si una aeronave vuela "fuera de la envolvente" puede sufrir daños; por lo tanto, los límites nunca deben excederse. El término también se ha adoptado en otros campos de la ingeniería al referirse al comportamiento de un sistema que está operando más allá de su especificación de diseño normal, es decir, 'fuera de la envolvente de vuelo' (incluso si el sistema ni siquiera está volando realmente).

Existen varios tipos de diagramas de envolvente de vuelo de aeronaves, que normalmente representan la relación entre un parámetro de vuelo y otro. El diagrama más común incluye la velocidad del aire (normalmente expresada en Mach) y la variación de la altitud de vuelo (V-h) o la variación de la velocidad del aire y la carga (V-n).

Este segundo diagrama es el más importante y comúnmente utilizado ya que muestra los límites de carga estructural en función de la velocidad del aire. Esta envolvente de vuelo se define normalmente durante la fase de diseño. Un gráfico de velocidad versus factor de carga (o diagrama V-n) es una forma de mostrar los límites del rendimiento de un avión. Muestra cuánto factor de carga puede alcanzarse con seguridad a diferentes velocidades del aire.

La definición y el análisis del diagrama V-n es fundamental durante el diseño de una aeronave, ya que afecta a la operación de la misma. Una maniobra o una ráfaga de viento puede situar a una aeronave temporalmente fuera de su envolvente de vuelo seguro y, por lo tanto, causar daños estructurales que pongan en peligro la seguridad del vuelo.

ENVOLVENTE DE VUELO DE V-n

A continuación se presenta un diagrama básico V-n (a veces denominado diagrama V-g) que incluye las características más importantes de dichos diagramas. El diagrama no pertenece a un avión específico. En este ejemplo, el diagrama V-n representa la velocidad del aire (eje horizontal) frente al factor de carga (eje vertical). En aviones más complejos el diagrama puede variar.

a

 

Factor de carga. La estructura de una aeronave está diseñada para poder soportar las fuerzas que se ejercen sobre ella durante el vuelo; en conjunto, estas fuerzas se calculan como el factor de carga y pueden variar dependiendo de la fase de vuelo; el factor de carga se define como la relación entre la elevación y el peso de la aeronave:

 

Load Factor

donde

n = Factor de carga

L = Elevación

W = Peso

El factor de carga es igual a 1 cuando la aeronave está estática en el suelo, con sólo la gravedad actuando sobre ella. Por lo tanto, el factor de carga puede definirse como un múltiplo de la aceleración gravitatoria g.

Hay varias características importantes del diagrama V-n:

  • La velocidad normal de pérdida (punto A) se define por las características aerodinámicas de la plataforma. En el ejemplo anterior, la aeronave es capaz de desarrollar n=1 (1g) a 62 mph, que es la velocidad de pérdida a nivel de las alas de la aeronave.
  • La intersección del límite positivo del factor de carga y la línea de máxima elevación (punto B) define la máxima velocidad del aire que permite la plena maniobrabilidad. Este punto se llama velocidad de maniobra o velocidad de curva. A velocidades inferiores, la estructura no puede ser sobrecargada ya que entrará en pérdidaantes de alcanzar el factor de carga límite. A la velocidad de maniobra, el factor de carga límite de la aeronave se alcanzará a la menor velocidad posible. A velocidades más altas, se pueden producir posibles daños estructurales. En el diagrama anterior, la velocidad de maniobra se alcanza en n=4,4g y IAS=137 mph.
  • La intersección del factor de carga límite negativo y la línea de máxima capacidad de sustentación negativa (punto C) define la máxima velocidad aerodinámica que permite la plena maniobrabilidad en una situación de sustentación negativa. Como muestra el gráfico, las velocidades del aire superiores al punto C proporcionan suficiente sustentación negativa para dañar la estructura.
  • La velocidad del aire necesaria para producir un determinado factor de carga negativo es mayor que la necesaria para producir el mismo factor de carga positivo.
  • Para asegurar la seguridad estructural, se debe definir una velocidad máxima de crucero estructural. Normalmente se define como un punto de referencia para cada aeronave; en el ejemplo anterior es de 180 mph. Además, el diagrama define la velocidad límite o la velocidad de descenso. Esta es la velocidad máxima (normalmente 1,25 Velocidad de crucero) antes de que la aeronave entre en la región donde es posible el fallo estructural.
  • Cuando una aeronave opera en las regiones denominadas Daño estructural o Falla estructural, puede producirse una deformación permanente inaceptable de la estructura primaria y una alta tasa de fatiga. Por consiguiente, en el funcionamiento normal debe evitarse el funcionamiento por encima del factor de carga límite.

EL AUTOPILOTO Y LA ENVOLVENTE DE VUELO

Los autopilotos de UAV Navigation están diseñados de tal manera que las órdenes enviadas por el piloto automático aseguran que la aeronave siempre opere dentro de la envolvente de vuelo segura, a menos que sea provocada intencionalmente por el operador. Esos “sobrecomandos” pueden provocar que una plataforma vuele "fuera de la envolvente", causando daños al fuselaje y tal vez incluso la pérdida de la aeronave. Esta característica de seguridad de los autopilotos de UAV Navigation está incorporada en el software como parte del proceso de adaptación.

 

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UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.