Advertencia justa: si cree que está completamente seguro de su comprensión de la velocidad de maniobra, el artículo que está a punto de leer puede sacudir su mundo.
Cuando se investiga este tema, rápidamente se hace evidente que muchos pilotos creen tener un conocimiento sólido del concepto, pero cuando se les pide que lo expliquen, la certeza se rompe en los detalles. Incluso una comprensión basada en la documentación de la FAA puede volverse complicada y confusa.
Para comenzar, compartamos las respuestas que la mayoría de nosotros daríamos cuando nos pidieran definir la velocidad de maniobra:
- La velocidad de maniobra es la velocidad máxima a la que se pueden realizar movimientos completos o abruptos de un solo control sin provocar un fallo estructural de la aeronave.
- La velocidad de maniobra es la velocidad más rápida a la que su avión entrará en pérdida antes de exceder su factor de carga límite si el ángulo de ataque aumenta repentina y drásticamente.
- La velocidad de maniobra es la velocidad a la que el ala de la aeronave, operada en el ángulo crítico de ataque, produce un factor de carga igual al factor de carga límite certificado de la aeronave. En otras palabras, tanto la pérdida como el factor de carga límite se alcanzan en el mismo AOA que se produce a la velocidad de maniobra.
Este es un punto de partida, pero no refleja el panorama completo y, como se ve, algunas de las respuestas que nos han enseñado pueden incluso ser peligrosamente engañosas. Abróchese el cinturón, porque estamos a punto de adentrarnos en la madriguera del conejo y ampliar nuestra comprensión de la velocidad de maniobra.
¿Qué es la velocidad de maniobra y cómo se calcula?
Para empezar, ¿sabías que hay más de un tipo de velocidad de maniobra? Los dos tipos de velocidad de maniobra que los pilotos de la Parte 23 del CFR deben conocer son la velocidad de maniobra de diseño (Va) y la velocidad máxima de maniobra operativa (Vo). Para los pilotos de la Parte 25 del CFR, Va se utiliza, de forma un tanto ambigua, para indicar tanto la velocidad de maniobra de diseño como la velocidad de maniobra operativa. En este caso, el piloto determinará el significado del término “velocidad de maniobra” en función del contexto de su uso.
Velocidad de maniobra de diseño (Va)
En AC 23-19A , la FAA establece que la velocidad de maniobra de diseño es “un valor elegido por el solicitante” y que “las cargas resultantes de las deflexiones totales de la superficie de control en Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones”.
Básicamente, el propósito de Va es garantizar que los diseñadores creen superficies de control que puedan soportar las cargas creadas durante la deflexión completa a una velocidad elegida. Esta velocidad elegida es Va.
Va no debe ser menor que la velocidad de pérdida (Vs) multiplicada por la raíz cuadrada del factor de carga positivo máximo (n). Escrito matemáticamente, esto se lee:
Va ≥
Velocidad máxima de maniobra operativa (Vo)
Vo (velocidad máxima de maniobra operativa) es un factor de carga limitante que también determina el diseñador de la aeronave. La norma AC 23-19A dice que Vo es “una velocidad a la que el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con el morro hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión”.
El valor máximo de Vo es la velocidad de pérdida (Vs) multiplicada por la raíz cuadrada del factor de carga positivo máximo (n). Escrito matemáticamente, esto se lee:
La velocidad máxima de maniobra operativa de su avión fluctuará en función del peso. El puesto de mando de su avión y los carteles de la cabina deben indicar su velocidad de maniobra en función del peso máximo. En algunos casos, los carteles adicionales indicarán velocidades de maniobra basadas en pesos inferiores.
Para calcular su propio Vo en función de su peso actual (inferior al máximo), utilice la siguiente ecuación:
Una forma sencilla de estimar su velocidad de maniobra ajustada es reducir su Vo en un 1% por cada 2% de reducción en el peso.
¿Por qué el peso de la aeronave afecta la velocidad máxima de maniobra operativa (Vo)?
Intuitivamente, tiene sentido que el peso y la velocidad de maniobra estén correlacionados, sin embargo, la naturaleza de la correlación merece una pequeña explicación. La mayoría de los pilotos novatos supondrían inicialmente que, a medida que su peso disminuye, su velocidad máxima de maniobra operativa aumentará, pero, de hecho, ocurre lo contrario. Un peso menor corresponde a una velocidad de maniobra menor, y aquí se explica por qué:
Segunda ley del movimiento de Newton
Gracias a la segunda ley de movimiento de Newton, sabemos que cuando una fuerza (en este caso, una entrada de control total) actúa sobre un objeto de masa (en este caso, un avión), el objeto se acelerará en la misma dirección que la fuerza. Esta relación se expresa en la ecuación matemática:
Como conocemos los valores de fuerza y masa, nos interesa ver qué efecto tienen en la aceleración del avión alrededor del eje de rotación. Por lo tanto, reescribimos la ecuación de la siguiente manera:
a = F/m .
Como podemos ver en esa ecuación, cuando aplicamos la misma fuerza de control, pero reducimos la masa de la aeronave, la aceleración resultante que experimenta la aeronave aumentará. Una mayor aceleración significa un mayor estrés o carga en la estructura de la aeronave y, con el tiempo, esa carga superará las limitaciones de diseño y provocará una falla estructural si no modificamos otra variable.
Suponiendo que no agregáramos más peso y que aún queremos poder soportar la fuerza de un movimiento de control total, la variable que debemos modificar es nuestra velocidad de maniobra. Así que, ahí lo tienes: un peso menor de la aeronave requiere una velocidad máxima de maniobra operativa menor.
Ángulo de ataque y factor de carga límite
Otra forma de entender la relación entre el peso de la aeronave y la velocidad de maniobra es hablar del ángulo de ataque y del factor de carga límite. Cuanto más ligero sea un avión, menos sustentación necesitará para lograr un vuelo recto y nivelado, como lo demuestra la ecuación:
Un menor requerimiento de sustentación significa la capacidad de volar con un ángulo de ataque menor. Si la velocidad de una aeronave se mantiene igual, pero su peso disminuye, el ángulo de ataque requerido disminuirá.
El problema es que con un ángulo de ataque menor, es posible que una ráfaga de viento o una desviación total del control del elevador aumenten la fuerza G más allá del factor de carga límite del avión (+3,8 G para aviones de potencia normal) mientras que aún permanecen por debajo del AoA crítico necesario para que las alas entren en pérdida.
Por ejemplo, si el avión experimenta 1G con un ángulo de ataque de 3°, un aumento repentino en la sustentación con un ángulo de ataque correspondiente de 18° resultaría en una fuerza de 6G porque el ángulo de ataque inicial de 3° ha aumentado en un factor de 6. Antes de que las alas alcancen el ángulo crítico de ataque y se detengan, el avión habrá excedido su límite de carga y podría experimentar daños estructurales o fallas.
Tomemos el mismo avión, con el mismo peso bruto más ligero que el máximo, y compénselo ahora disminuyendo la velocidad de modo que el ángulo de ataque inicial aumente a 4,5°. Con este ángulo de ataque aumentado, cuando las alas alcancen su ángulo de ataque crítico de 18°, el avión seguirá estando justo por debajo de su factor de carga límite. Entrará en pérdida antes de sufrir daños estructurales o fallas.
En resumen, para compensar un menor peso, debemos disminuir nuestra velocidad para que nuestro ángulo de ataque se mantenga lo suficientemente alto como para que un aumento en la fuerza G no nos haga exceder nuestro factor de carga límite antes de entrar en pérdida.
Este concepto puede resultar un poco confuso, por lo que resulta útil ver una demostración gráfica como la de Rod Machado "¿Cómo se determina la velocidad de maniobra?" y "¿Por qué la velocidad de maniobra cambia con el peso?" .
Relación entre la velocidad de maniobra de diseño (Va) y la velocidad máxima de maniobra operativa (Vo)
Analice nuevamente las ecuaciones anteriores para Va y Vo. Observe que la única forma de que las velocidades de maniobra sean iguales es si el diseñador selecciona un valor de para ambas.
Si Vo es igual a Va, entonces es muy probable que el avión se detenga antes de sufrir una falla estructural durante una sola acción de control ejecutada en un valor de Va o inferior. El problema es que el fabricante no tiene que hacer que Va sea igual a Vo. Va no puede ser más lenta que Vo, pero puede ser tan rápida como Vc (velocidad de crucero de diseño).
Por lo general, Va es igual a Vo, sin embargo, si Va para su aeronave es mayor que Vo, la comprensión estándar de Va como la velocidad a la que su avión entrará en pérdida antes de experimentar una falla estructural se desvanece. Podrá superar el factor de carga límite de su aeronave (Vo) mientras sigue volando por debajo de Va.
En la Circular Asesora 23-19A , una guía de fuselaje para la certificación de aeronaves de la Parte 23, la FAA confirma:
“VA no debe interpretarse como una velocidad que permita al piloto un movimiento sin restricciones de control de vuelo sin exceder los límites estructurales del avión, ni debe interpretarse como una velocidad de penetración de ráfagas. Solo si VA = Vs √n, el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con el morro hacia arriba en el factor de carga límite o cerca de él. En el caso de aviones en los que VA > VS √n, el piloto tendría que verificar la maniobra; de lo contrario, el avión excedería el factor de carga límite”.
Continúa explicando:
“La enmienda 23-45 agregó la velocidad de maniobra operativa, VO, en § 23.1507. La VO se establece como no mayor que VS√n, y es una velocidad a la que el avión entrará en pérdida en una maniobra de cabeceo con el morro hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión”.
Lo que esto significa para nosotros es que, para los aviones de la Parte 23, la comprensión que teníamos de Va es en realidad una descripción más precisa de Vo.
Esto nos lleva a otra conversación muy importante sobre qué es y qué no es la velocidad máxima de maniobra operativa.
El error más común [y peligroso] sobre la velocidad de maniobra
Hasta 2001, había un consenso común entre los pilotos de que volar por debajo de la velocidad máxima de maniobra operativa ofrecía casi un 100% de protección contra los peligros de falla estructural y/o de la superficie de control. La creencia era que si volabas a Vo o por debajo de ella, tu avión entraría en pérdida antes de experimentar daño/falla estructural sin importar los movimientos de control que hicieras. Al final resultó que esa era una simplificación excesiva y peligrosa de la física de la velocidad de maniobra, como lo demostraron fatalmente los pilotos del vuelo 587 de American Airlines.
Tras el desastre del vuelo 587 de American Airlines, la FAA publicó el Boletín de información especial sobre aeronavegabilidad CE-11-17. El público objetivo son principalmente los pilotos de la Parte 25, por lo que se hace referencia a Va, en lugar de Vo, ya que, como recordará, la Parte 25 utiliza Va para describir tanto las velocidades de diseño como las de maniobra operativa. Aun así, el boletín aclara que su mensaje también se aplica a los pilotos de la Parte 23.
La moraleja del CE-11-17 es que su velocidad máxima de maniobra operativa (Va para la Parte 25 y Vo para la Parte 23) es:
“la velocidad por debajo de la cual se puede mover un solo control de vuelo, una vez, hasta su deflexión completa, para un solo eje de rotación del avión (cabeceo, balanceo o guiñada), en aire tranquilo, sin riesgo de dañar el avión”.
El boletín continúa señalando que los fabricantes no están obligados a construir aeronaves que sean capaces de realizar múltiples entradas de control total simultáneas o entradas de control total secuenciales. Este fue el error fatal cometido por el primer oficial del AA 587, que realizó entradas secuenciales repetitivas del pedal del timón que llevaron a la "separación en vuelo del estabilizador vertical".
El resultado final
Empiece a investigar el concepto de velocidad de maniobra y encontrará que Internet está plagado de interpretaciones y entendimientos contradictorios sobre qué es esta velocidad vertical y qué significa para usted. Realice su propia lectura e investigación para completar su comprensión de la velocidad de maniobra.
A modo de resumen, los puntos clave son:
- La FAA ha designado dos velocidades de maniobra (Va y Vo) para los pilotos de la Parte 23.
- Va representa la velocidad de maniobra de diseño y Vo es la velocidad máxima de maniobra operativa.
- Los pilotos de la Parte 25 utilizan Va para describir tanto la velocidad de maniobra de diseño como la velocidad de maniobra operativa máxima.
- La velocidad de maniobra de diseño (Va) es un valor que establece el diseñador de la aeronave. Las cargas resultantes de las deflexiones totales de la superficie de control en Va se utilizan para diseñar el empenaje y los alerones.
- La velocidad máxima de maniobra operativa (Vo) es la velocidad a la que el avión se detendrá en una maniobra de cabeceo con el morro hacia arriba antes de exceder los límites estructurales del avión.
- El Vo disminuye a medida que disminuye el peso de tu aeronave.
- A menudo, Va es igual a Vo, aunque no siempre. Si Va es mayor que Vo, podría exceder el factor de carga límite de la aeronave antes de entrar en pérdida.
- Estar en Vo o por debajo de él significa que puede mover un solo control de vuelo, una vez, hasta su deflexión máxima, para un solo eje de rotación del avión (cabeceo, alabeo o guiñada), en aire tranquilo, sin riesgo de dañar el avión. Múltiples deflexiones completas secuenciales o simultáneas pueden provocar una falla estructural incluso si está volando por debajo de Vo.
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