Idea general sobre la materia Clase 1 En Performance se aprende a utilizar la información específica de cada avión, disponible en su Manual de Vuelo. Esa información le permite al piloto optimizar su despegue, ascenso, crucero y aterrizaje para diferentes condiciones y desde distintos puntos de vista. Los factores a tener en cuenta son los climáticos, la carga, el combustible, etc. Por ejemplo: lograr máxima carga transportada lograr mínima carrera de despegue lograr mínima carrera de aterrizaje lograr mínimo gasto de combustible lograr máximo rango lograr mínimo tiempo de vuelo La atmósfera ISA Los aviones se mueven en aire. Para poder probarlos, calibrar sus instrumentos y poder comparar sus performances se utiliza una atmósfera estandarizada, acordada por la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) o en inglés ICAO (International Civil Aviation Organization). La figura muestra una versión reducida de la tabla de la atmósfera ISA. Vamos a resolver una serie de problemas con esta tabla para aprender su uso. 1
Medición de altitud El primer concepto fundamental a tener en cuenta es el uso del altímetro. Los altímetros disponibles en un avión pueden ser barométricos o radioaltímetros. También en la actualidad se utilizan los GPS para darnos información de altitud. Los altímetros barométricos basan su medición de altitud en la variación de la presión con la altura. En la tabla de la atmósfera ISA vemos que la presión de la atmósfera standard disminuye con la altura. Por ejemplo a 15000 pies tenemos una pressure ratio igual a 0.5643. Este es el cociente entre la presión a 15000 y la presión a nivel del mar. Nótese que la tabla ISA corresponde, como dijimos, a una atmosfera promedio y no a la realidad de un momento en particular. En base a esta tabla podemos estimar la presión a nivel del mar, tambien llamado QNH. El método es pararnos en un lugar cuya elevación conozcamos (elevación es la altura respecto al nivel del mar), como por ejemplo la cabecera del aeródromo. Colocamos ese valor en el altímetro y la ventana Kollsman nos indica el QNH. 2
Para qué y cuando sirve saber el QNH? Para el vuelo existen dos condiciones diferentes: 1) En las etapas de ascenso y en la aproximación para el aterrizaje se necesita saber lo más exactamente posible a que distancia estamos del piso. (El único instrumento que nos da esta información en forma exacta es el Radio Altímetro. En general los aviones no cuentan con este instrumento que, por otro lado tiene algunos inconvenientes si se está volando sobre terreno ondulado.) La altitud utilizada en estas etapas es la denominada altitud QNH. EN el vuelo instrumental no es usual emplear la "altura" o altitud QFE. 2) En la etapa de crucero, necesitamos la altitud para no colisionar con otra aeronave (pensemos que podemos estar volando sin visibilidad, esa es la situación para la que tiene que estar preparado un piloto comercial). En este caso no es importante tener la elevación exacta respecto del terreno sino que basta con que todos los aviones tengan una misma referencia para evitar las colisiones. Instrumentos que pueden utilizarse para medir altitudes 1) GPS corresponde a COMUNICACIONES ver las limitaciones de este método, dado que en un GPS la distancia al piso NO SE MIDE SINO QUE SE CALCULA. 2) Un Radioaltímetro: este instrumento envía una señal y mide el tiempo de rebote en el piso. Como la señal viaja muy rápido (a 300000 km/seg) el error de retardo es pequeño. El Radioaltímetro mide la verdadera altura. Fue inventado en 1924 por el ingeniero Lloyd Espenschied, si bien la compañía Bells Labs tardó 14 años en aplicar el diseño de Espenschied en un formato adaptable al uso en aeronaves. Es en definitiva un radar, envía una señal y mide el tiempo que tarda en retornar el eco y luego hace la cuenta: h(m) = tiempo(seg) 2 30000000m / seg y nos muestra eso en el frente del instrumento que tiene este aspecto 3) Un altímetro barométrico: este es el instrumento que usualmente disponemos y tiene este aspecto En realidad el altímetro barométrico es un medidor de presión por lo cual mide la presión 3
que entra en la toma de aire estática del avión. Cómo funciona? lo estudiamos en Instrumentos de Vuelo y de Motor. Pero aquí lo que nos importa es que como todo instrumento hay que graduar el cero. Y allí viene el problema: para qué presión se pone cero? Podría hacerse esto en forma arbitraria pero lamentablemente la presión del aire que nos rodea es algo variable y si pusiéramos un cero arbitrario el instrumento sólo de casualidad nos estaría dando la verdadera distancia al suelo. Eso se solucionó agregando un ajuste que el piloto puede hacer mediante la ventanita en la que indica la presión (ventana Kollsman). Qué es lo correcto colocar en esta ventanita Kollsman y por qué? Caso 1: estamos cerca del piso, (estamos por hacer una rasante o bien estamos por aterrizar o por despegar). Suponemos el segundo caso porque hacer una rasante sin visibilidad y sólo por instrumentos es bastante loco y esperamos que nadie lo haga, al menos en nuestro aeródromo. Supongamos que estamos en el despegue. Entonces tenemos dos opciones: 1) colocar el altímetro en cero. En ese caso la presión indicada en la ventana es la presión en el aeródromo en ese momento. 2) colocar el altímetro en la elevación del aeródromo (dato conocido) en ese caso la indicación en la ventana corresponde aproximadamente al QNH que nos va a decir la torre de MDP cuando nos comuniquemos por qué?. La torre lee un barómetro que está colocado en el aeropuerto y mide la presión que hay sobre su pista. Luego el propio instrumento hace la cuenta de calcular cual sería la presión a nivel del mar y eso es lo que nos cantan. Es decir, cuando ponemos el QNH, si nos vamos sobre el mar, la altura que nos indica el altímetro es aproximadamente correcta. Si estamos sobre tierra, la altura sobre el piso es la que nos marca el altímetro menos la elevación del terreno. En definitiva si venimos para el aterrizaje, cuando lleguemos al piso el altímetro no va a marcar cero sino que va a marcar la elevación, que en el caso del aeropuerto es de aproximadamente 70 pies y en el caso de batán es 250 pies en cabecera 04 y 150 en cabecera 22. Caso 2: estamos alto, viajando de un lugar a otro, la presión en cada lugar y el QNH en cada lugar son diferentes, entonces sería un riesgo que un avión que salió de Batán tuviera puesto su QNH y otro que salió de Buenos Aires tuviera el suyo. Entonces que se decidió? que todos pongamos el mismo valor en la ventanita y ese valor es 29.92 pulgadas de mercurio o 1013.25 milibares=1013.25 HPa. Con esta solución, en realidad nadie sabe a qué altura verdadera sobre el terreno se encuentra pero como estamos alto el terreno no es problema. Lo importante es que todos los aviones tenemos la misma referencia de altura. Por eso tenemos la capa de transición que es la zona en la que hacemos el cambio entre la situación volando alto (altitud de presión o equivalente nivel de vuelo) y la situación volando bajo (altitud QNH del lugar). Y lo importante es acordarse que cuando lleguemos al aterrizaje el altímetro reglado en QNH no nos va a indicar cero. El caso particular de Mar del Plata es especial porque convivimos gente que no se comunica con el aeropuerto y que por lo tanto vuela QFE, con gente que sí y que por lo tanto vuela QNH así que hay que tener bien clara la diferencia y sobre todo, todos los que están comunicados 4
TODOS LOS AVIONES QUE VUELAN CONTROLADOS TIENEN QUE PONER EL QNH EN LA VENTANITA DE SUS ALTÍMETROS CUANDO ESTAN VOLANDO POR DEBAJO DE LA ALTITUD DE TRANSICIÓN. ALTITUD DE PRESIÓN ES LA ALTITUD INDICADA POR UN ALTÍMETRO CUANDO EN LA VENTANITA DE AJUSTE PONEMOS 29.92 PULGADAS O 1013.25 hpa. TODOS LOS AVIONES QUE VUELAN CONTROLADOS TIENEN QUE PONER 1013 CUANDO VUELAN POR ENCIMA DEL NIVEL DE TRANSICIÓN ALTITUD DE DENSIDAD LA ALTITUD DE DENSIDAD NO SE PUEDE LEER EN NINGÚN ALTÍMETRO SINO QUE HAY QUE CALCULARLA USANDO EL CR3 O USANDO TABLAS (O USANDO FÓRMULAS). Pero qué es la altitud de densidad? es la altitud a la que estaríamos en la atmósfera ISA, con la misma densidad real que tenemos ahora. O sea, en la atmósfera ISA a nivel del mar tenemos 0,125 UTM/m 3 de densidad que equivale aproximadamente a 1,25 kg/m 3. International Standard Atmosphere Sea Level Conditions Metric Value Imperial Value Pressure 101.3 kpa 2116.2 lbf/ft^2 Density 1.225 Kg/m^3 0.002378 slug/ft^3 Temperature 15 oc or 288.2 K 59 of or 518.69 or Speed of Sound 340 m/s 1116.4 ft/s Viscosity 1.789x10^- 5 Kg/m/s 3.737x10^- 7 slug/ft/s Kinematic Visc. 1.460x10^- 5 m^2/s 1.5723x10^- 4 ft^2/s Thermal Conductivity 0.02596 W/m/K 0.015 BTU/hr/ft/oR Gas Constant 287.1 J/Kg/K 1715.7 ft lbf/slug/or Specific Heat Cp 1005 J/Kg/K 6005 ft lbf/slug/or Specific Heat Cv 717.98 J/Kg/K 4289 ft lbf/slug/or Ratio of Specific Heats 1.40 1.40 Gravitation 9.80665 m/s^2 32.174 ft/s^2 Distintos métodos para calcular la altitud de densidad 1) calculamos el cociente entre la densidad que tenemos y la densidad a 1013.25 y 15C, usando la fórmula de los gases. Esta relación se denomina "density ratio": density ratio = δ 2 15 + 273 = δ 1 t(c) + 273 p(hpa) 1013.25 Y una vez hecha la cuenta entramos en la tabla de la atmósfera ISA y nos fijamos ese número a qué altura corresponde. 5
Ejemplo 1 Clase 1 Supongamos que la presión es de 891 mb y la temperatura es de 30C. density ratio = δ 2 δ 1 = 288 303 891 1013 = 0.836 Entramos a la tabla y encontramos que corresponde a 6000 pies Supongamos que la presión es de 900 mb y la temperatura es de 30C. density ratio = δ 2 δ 1 = 288 303 900 1013 = 0.844 Luego, entro a la tabla ISA y veo que ese número corresponde a digamos 5500 que está entre 6000 y 5000 pies (lo estimo porque no coincide exactamente con una posición de la tabla). Rta. Entonces la altitud de densidad es 5500 pies Otro método: En el manual de muchos aviones se encuentra la siguiente GRÁFICA. En este caso ingreso con la temperatura exterior (OAT) y con la altitud de presión (QNE). La altitud de presión la obtengo midiendo con el altímetro del avión. Para ello pongo la 6
ventanita en 29.92 pulgadas o en 1013 hpa y me fijo la altitud que marca. Esa es la altitud de presión. La temperatura del aire la mido con el termómetro que tiene el propio avión. Dibujo sobre la gráfica una recta diagonal paralela a 3000 7
correspondiente a 3100. Tiro una linea vertical subiendo desde 30 grados y me dio 5500 pies. Para qué sirve conocer la altitud de densidad? La altitud de densidad de un aeródromo es fundamental en el despegue y en el aterrizaje!!! La densidad modifica la sustentación que logramos a cierta velocidad. Si cambia la densidad se modifica la velocidad que tiene que tener el avión en el momento del despegue y por lo tanto el largo de pista que necesitamos para despegar. Para todos los aviones de gran porte existen tablas, específicas para el avión (performance), en las que se puede estimar el incremento del largo de pista originado por una mayor altitud de densidad. La Tabla de Koch Para los aviones chicos se usa la llamada carta de Koch (esta es típica para aviones pequeños, para los cuales no se cuente con las tablas de performance 8
correspondientes). Sirve para estimar el incremento en longitud de pista y la disminución del ritmo de ascenso del avión debio a coniciones meteorológicas (presión y temperatura) diferentes 15grados y presión normal. Sobre la gráfica se muestra el uso. Medimos la altitud de presión con el altímetro poniendo 29.92 pulgadas o bien 1013 hpa en la ventanita. Unimos ese punto con la temperatura. En nuestro caso teníamos 3100 pies de altitud de presión y 30 grados de temperatura (uy sonamos está en Farenheit, hay que pasar los 30 grados Celsius a Farenheit. La tabla de al lado nos dic que son 86F. Y si se fijan indica que el largo de pista que necesito se incrementó OTRO MÉTODO PARA PODER EVALUAR LA ALTITUD DE DENSIDAD? USAR EL CR3. 9
Ejemplo práctico de marcaciones de altitud (QNH), altura (QFE) y nivel del vuelo (QNE) En la siguiente figura se ve lo indicado por un altímetro en la cabecera 04 de la pista de Batán, un día en que el QNH es 1000 hpa. Es decir, sabiendo que la cabecera 04 tiene una elevación de 250 pies colocamos ese valor en el altímetro y vemos que la ventana nos indica 1000. Eso significa que la presión QNH (o sea la presión a nivel del mar en ese momento, estimada) es de 1000 hpa. Si colocamos 1013.25 en la ventana del altímetro encontraremos la altitud FL. Nótese que la altitud QNH es 250 pies, que coincide con la elevación del campo. En cambio la altitud de presion es 600 pies. Por otra parte si colocáramos en cero el altímetro encontraríamos que cuando el altímetro mide la altura QFE (mide 0) la indicaión que va a aparecer en la ventana del altímetro corresponde a 992hPA. Esa es la presión en el aeródromo en ese momento (cómo supe que iba a decir 992? lo probé o de donde lo saqué? (*) ) Es decir: 1) Si ponemos en 0 el altímetro leemos la presión en el aeródromo que vale 992hPa. La medición del altímetro corresponde a la diferencia entre la presión en la ventana (992) y la presión en el aeródromo (992). Como la diferencia es cero el altímetro marca cero. Las altitudes que midamos van a estar referidas al suelo del aeródromo y se llaman alturas QFE. 2) Si ponemos en el altímetro la elevación del aeródromo, en la ventana leemos la presión QNH, es decir la presión estimada a nivel del mar en ese momento, que vale 1000. Los 250 pies que leemos corresponden a la diferencia entre la presión en la ventana (1000) y la presión en el aeródromo (992). La elevación es igual a la altitud QNH. 10
3) Si ponemos en el altímetro 1013.25, lo que leemos en el altímetro corresponde a la diferencia entre la presión en la ventana (1013.25) y la presión del aeródromo (992), y esa diferencia, convertida a elevación, nos da los 600 pies de altitud de presión. Esta es la altitud QNE. (*) Si entramos en la tabla de la atmósfera ISA en la columna que dice p/p0 con el valor 1000 (QNH)/1013.25= 0.987 vemos que corresponde a una altitud aproximada de 500 a 600 pies, tal como nos indica el altímetro. Un concepto importante: LOS AVIONES QUE UTILIZAN UN BAROALTÍMETRO VUELA ISOBARAS Otras tablas referidas a la atmósfera ISA que aparecen en los manuales de los aviones grandes. Transcribimos por ejemplo la extraida de un manual Boeing. En la tabla de la izquierda se tiene MBS (presión de la estación en milibares o hpa) versus la altitud de presión expresada en miles de pies. En la tabla de la derecha se ingresa con el QNH y se obtiene la diferencia entre la altitud QNH y la altitud QNE. 11
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