Envolvente de vuelo

En aerodinámica , la envolvente de vuelo , la envolvente de servicio o la envolvente de rendimiento de una aeronave o nave espacial se refiere a las capacidades de un diseño en términos de velocidad aerodinámica y factor de carga o densidad atmosférica, a menudo simplificado a altitud. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

El término se aplica de forma algo imprecisa y también puede referirse a otras medidas, como la maniobrabilidad. Por ejemplo, cuando se fuerza un avión, por ejemplo, al realizar picados a alta velocidad, se dice que vuela "fuera de la envolvente", algo considerado bastante peligroso. Durante los programas de prueba de vehículos, la envolvente de vuelo simplemente se refiere a la parte de las capacidades de diseño de la aeronave o nave espacial que ya se han probado con éxito y, por lo tanto, han pasado de ser una capacidad teórica o de diseño a una capacidad demostrada o certificada.

El término «envolvente de vuelo» es uno de varios términos relacionados que se utilizan de forma similar. Es quizás el más común por ser el más antiguo, ya que se empleó por primera vez en los inicios de los vuelos de prueba. Está estrechamente relacionado con términos más modernos como « potencia extra» y « gráfico de la caseta del perro» , que son diferentes maneras de describir la envolvente de vuelo de una aeronave. Además, el término se ha ampliado más allá del campo de la ingeniería para referirse a los límites estrictos dentro de los cuales se desarrollará un evento o, de forma más general, al comportamiento predecible de un fenómeno o situación determinados, y por lo tanto, a su «envolvente de vuelo».

La potencia adicional, o potencia específica excedente , ^{[ 3 ]} es un método muy básico para determinar la envolvente de vuelo de una aeronave. Es fácil de calcular, pero como desventaja, no proporciona mucha información sobre el rendimiento real de la aeronave a diferentes altitudes.

Elegir un conjunto específico de parámetros generará la potencia necesaria para una aeronave determinada en esas condiciones. Por ejemplo, un Cessna 150 a 760 metros de altitud y 140 km/h necesita aproximadamente 45 kW para volar en línea recta y nivelado. El C150 normalmente está equipado con un motor de 75 kW, por lo que en este caso particular el avión dispone de 30 kW adicionales. En términos generales, esta potencia adicional es mínima, ya que el 60 % de la potencia del motor se consume simplemente para mantener el avión en el aire. Los 40 CV restantes son todo lo que la aeronave tiene para maniobrar, lo que significa que solo puede ascender, girar o acelerar ligeramente. Para poner esto en perspectiva, el C150 no podría mantener un giro de 2 g (20 m/s²), lo que requeriría un mínimo de 120 caballos de fuerza (89 kW) en las mismas condiciones.        

En las mismas condiciones, un avión de combate podría requerir mucha más potencia debido a que sus alas están diseñadas para alta velocidad, gran agilidad o ambas. Podría necesitar 10 000 caballos de fuerza (7,5 MW) para lograr un rendimiento similar. Sin embargo, los motores a reacción modernos pueden proporcionar una potencia considerable, siendo habitual que alcancen el equivalente a 50 000 caballos de fuerza (37 MW) . Con esta potencia adicional, la aeronave puede lograr una tasa de ascenso máxima muy alta , incluso ascender verticalmente, realizar maniobras continuas y potentes, o volar a velocidades muy elevadas.  

Un diagrama de "casita de perro" generalmente muestra la relación entre la velocidad en vuelo horizontal y la altitud, aunque también pueden existir otras variables. Su elaboración requiere más esfuerzo que un cálculo de potencia adicional, pero a cambio proporciona mucha más información, como la altitud de vuelo ideal. El diagrama suele tener forma de U invertida y se le conoce comúnmente como diagrama de "casita de perro" debido a su parecido con una caseta de perro. El diagrama de la derecha muestra un diagrama muy simplificado que se utilizará para explicar la forma general del mismo.

Los bordes exteriores del diagrama, la envolvente, muestran las posibles condiciones que la aeronave puede alcanzar en vuelo recto y nivelado. Por ejemplo, la aeronave descrita por la envolvente de altitud negra a la derecha puede volar a altitudes de hasta aproximadamente 52 000 pies (16 000 m) , punto en el que el aire más tenue le impide seguir ascendiendo. La aeronave también puede volar hasta Mach 1.1 a nivel del mar, pero no más rápido. Esta superficie exterior de la curva representa la condición de potencia cero . Toda el área bajo la curva representa las condiciones en las que el avión puede volar con potencia de sobra; por ejemplo, esta aeronave puede volar a Mach 0.5 a 30 000 pies (9 100 m) utilizando menos de la potencia máxima.  

En el caso de aeronaves de alto rendimiento, incluidos los cazas, esta línea de "1 g" que representa el vuelo recto y nivelado se complementa con líneas adicionales que muestran el rendimiento máximo a diferentes cargas g. En el diagrama de la derecha, la línea verde representa 2 g, la línea azul 3 g, y así sucesivamente. El F-16 Fighting Falcon tiene un área muy pequeña justo por debajo de Mach 1 y cerca del nivel del mar donde puede mantener un giro de 9 g.

Es posible volar fuera de la envolvente de vuelo, ya que esta representa únicamente la condición de vuelo recto y nivelado. Por ejemplo, un picado permite alcanzar mayores velocidades, utilizando la gravedad como fuente de potencia adicional. Asimismo, se puede alcanzar mayor altitud acelerando primero y luego realizando un ascenso balístico, una maniobra conocida como ascenso en zoom .

Un gráfico de velocidad frente a factor de carga (o diagrama Vn) es otra forma de mostrar los límites del rendimiento de la aeronave. Muestra cuánto factor de carga se puede alcanzar de forma segura a diferentes velocidades aerodinámicas. ^{[ 3 ]}

A temperaturas más elevadas, el aire es menos denso y los aviones deben volar más rápido para generar la misma sustentación. El calor intenso puede reducir la cantidad de carga que un avión puede transportar, aumentar la longitud de pista necesaria para el despegue y dificultar la evasión de obstáculos como montañas. En condiciones meteorológicas adversas, esto puede hacer que volar sea inseguro o antieconómico, lo que ocasionalmente provoca la cancelación de vuelos comerciales. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Si bien es fácil comparar aeronaves con datos simples como la velocidad máxima o el techo de servicio, un análisis de la envolvente de vuelo revela mucha más información. Generalmente, un diseño con una mayor área bajo la curva tendrá un mejor rendimiento general. Esto se debe a que, cuando el avión no vuela en los límites de la envolvente, su potencia adicional es mayor, lo que significa más potencia para tareas como el ascenso o las maniobras. Las aeronaves de aviación general tienen envolventes de vuelo muy pequeñas, con velocidades que oscilan entre 50 y 200  mph, mientras que la potencia adicional disponible en los aviones de combate modernos resulta en envolventes de vuelo enormes con un área mucho mayor. Sin embargo, como contrapartida, las aeronaves militares suelen tener una velocidad de pérdida más alta. Como resultado, la velocidad de aterrizaje también es mayor.

Esta frase se usa para referirse a que una aeronave alcanza o supera sus límites de altitud y velocidad designados. ^{[ 6 ]} Por extensión, esta frase puede usarse para significar probar otros límites, ya sea dentro del sector aeroespacial o en otros campos, por ejemplo, Plus ultra (lema) . ^{[ 7 ]}

• Rincón del ataúd (aviación)
• Diagrama de altura-velocidad del helicóptero
• Efecto Küssner
• Velocidad de maniobra
• Caso excepcional