Envolvente de vol

Esquema de la envolvente de vol.

En aerodinàmica, la envolvente de vol d'una aeronau es referix als llímits de la mateixa respecte a la velocitat màxima, factor de càrrega o densitat atmosfèrica, de la qual normalment es parla referint-se a l'altitut màxima a la que pot volar l'aeronau. Si una aeronau vola en condicions fòra d'esta envolvente, en alguns casos pot ser danyada o destruïda, per lo que no es deu en cap moment sobrepassar estos llímits.

La envolvente de vol és un de molts térmens que es referixen a lo mateix. És potser el més comú de tots perque és el més antic, ya que s'utilisa des de les primeres proves de vol. Està estretament relacionat en térmens més moderns com la potència d'excés i el doghouse plot, que són atres maneres de definir una envolvente de vol. La envolvente de vol actualment s'utilisa també fora del camp de l'ingenieria, referint-se als llímits estrictes sobre els quals funcionarà una activitat, o també com el  comportament previsible d'un fenomen o situació donada.

Potència d'excés

La potència extra, o potència d'excés específica, és un método molt bàsic per a conseguir determinar la envolvente de vol d'una aeronau. És fàcil de calcular, pero el problema és que no dona molta informació sobre el rendiment real de l'aeronau a diferents altituts.

Triant qualsevol conjunt de paràmetros de l'aeronau, es pot calcular la potència necessària per a una aeronau en eixes condicions. Per eixemple, en el cas d'un Cessna 150 a 2 500 ft (800 m) d'altitut i una velocitat aproximada de 90 mph (140 km/h), es necessita d'uns 60 hp (45 kW) per a realisar un vol rectilíneo i horisontal. El C150 s'equipa normalment en un motor de 100 hp (75 kW), per lo que en este cas particular, l'avió conta en 40 hp (30 kW) de potència extra. Açò és molt poca potència extra, ya que significa que s'utilisa un 60% del motor sol en mantindre volant a l'aeronau. El sobrant de 40 hp (30 kW) és tot que l'aeronau té per a maniobrar, lo que significa que no pot ascendir, girar o accelerar en gran mida. Com a eixemple, el C150 no podria mantindre un gir de 2g (20 m/s²), ya que requeriria un mínim de potència de 120 hp baix eixes condicions.

Per a les mateixes condicions, un avió de caça podria requerir considerablement més potència degut a que les seues ales són dissenyades per a una alta velocitat, agilitat, o abdós. Pot requerir 10 000 hp (7,5 MW) per a conseguir un rendiment similar. No obstant, els turborreactores moderns poden aplegar a proporcionar una potència de 50,000 hp (37 MW). En esta cantitat de potència extra, l'aeronau pot conseguir un règim d'ascens molt alt, podent inclús ascendir verticalment, realisar maniobres brusques contínues o volar a velocitats molt altes.

Doghouse plot

Archiu:AltitudeEnvelopeText. caps block 11

Envolvente d'altitut.

Archiu:TurnRateEnvelope. caps block 12

Envolvente de ràtio de gir.

Un doghouse plot generalment mostra la relació entre la velocitat a un cert nivell de vol i l'altitut. No obstant, també poden aparéixer atres variables. El seu càlcul és més complex que el càlcul de la potència d'excés, pero a canvi proporciona molta més informació, com l'altitut de vol ideal. La gràfica té forma d'O invertida i es diu normalment com doghouse plot degut a que s'assembla a una caseta de gos. El diagrama de la dreta mostra una gràfica molt simplificada que s'utilisarà per a explicar este tipo de gràfiques.

Les vores externes de la gràfica, la envolvente, mostra les condicions possibles a les que l'aeronau pot volar de forma rectilínea i horisontal. Per eixemple, l'aeronau descrita per la envolvente d'altitut de color negre a la dreta pot volar fins a altituts d'uns 52 000 ft, punt en el que no podrà ascendir més per la baixa densitat de l'aire. L'aeronau té també una velocitat màxima de Mach 1,1 a nivell de l'mar. La superfície exterior de la curva representa la condició de potència d'excés nula. Tota l'àrea baix esta curva representa condicions en les que l'avió pot volar en potència d'excés. És dir, per eixemple, esta aeronau pot volar a Mach 0,5 a 30 000 ft sense utilisar la potència màxima.

En el cas d'aeronaus d'alt rendiment, incloent avions de caça, a la llínea "1-g" que mostra els vols rectilíneos i horisontals, se li afigen atres llínees que mostren el rendiment màxim a diferents càrregues. En l'esquema de la dreta, la llínea verda representa 2-g, la llínea blava 3-g... etc. El F-16, per eixemple, té un àrea molt chicoteta baix Mach 1 i a nivell de la mar, a on pot realisar un gir a 9-g.

Volar fòra de la envolvente és possible, ya que lo únic que representa és la condició de vol rectilíneo i horisontal. Per eixemple, la baixada en picat permet a l'aeronau volar a velocitats més altes fent us de la gravetat per a accelerar.

Velocitat d'entrada en pèrdua

Tota aeronau d'ala fixa té una velocitat mínima a la que pot mantindre el nivell de vol, cridada velocitat d'entrada en pèrdua (llímit esquerre en la gràfica). Quan l'aeronau ascendix, la velocitat d'entrada en pèrdua aumenta, ya que degut a que l'ala no pot aumentar el seu tamany, l'única manera de generar la sustentació volant a través d'un aire menys dens és aumentant la velocitat. Encara que els números exactes varien en gran mida per a cada aeronau, la naturalea d'esta relació és normalment la mateixa, i si es representa en un gràfic la velocitat en l'eix x i l'altitut en l'eix i, s'obté una diagonal. Esta velocitat es pot calcular com

$V_s=\sqrt{\frac{2W}{\rho S{C}_L}}$

Sostre de vol

Les ineficiències en l'ala fan que esta llínea s'incline cap a avall en aumentar l'altitut, fins que s'aplega a una altitut en la que esta diagonal es convertix en una llínea horisontal, lo que supon que per molt que s'aumente la velocitat l'aeronau no podrà ascendir. Esta altitut màxima és coneguda com el sostre de vol (llímit superior en la gràfica), i s'utilisa a sovint per a parlar sobre el rendiment de l'aeronau.

Velocitat màxima

La part de la dreta de la gràfica representa la velocitat màxima de l'aeronau. Açò normalment disminuïx de la mateixa manera que la llínea d'entrada en pèrdua degut a que a majors altituts disminuïx la resistència de l'aire, aplegant a un punt en el que l'altitut no aumenta la velocitat màxima per la falta d'oxigen en els motors.

La potència necessària varia casi linealment en l'altitut, pero la força d'arrastre varia en el quadrat de la velocitat—en atres paraules,  normalment és més fàcil anar més alt que més ràpit, fins que s'aplega a l'altitut en la que la falta d'oxigen en els motors aplega a ser significativa.

Notes

A pesar de que és fàcil comparar aeronaus en números senzills com el sostre teòric o la velocitat màxima, un anàlisis de la envolvente de vol mostra molta més informació. Generalment, un disseny en una envolvente més gran tindrà un rendiment molt millor. Açò és degut a que quan l'avió no està volant en els llímits de la envolvente, la seua potència extra és major, lo que significa que conta en més potència per a ascendir o maniobrar. Les aeronaus d'aviació general tenen envolventes de vol molt menudes, en velocitats en un ranc de potser 50 a 200 mph, mentres que la potència extra disponible en avions de caça moderns resulta en envolventes de vol molt grans de vàries voltes el tamany del de les aeronaus d'aviació general. No obstant, els avions de caça solen tindre una velocitat d'entrada en pèrdua major, per lo que la seua velocitat d'aterrisage també és més gran.