Parte 1 - Principios del vuelo

Principios básicos del vuelo

Fuerzas que actúan sobre el UAS

En este apartado se describen cuales son los principios básicos por los que un UAS vuela, las fuerzas por las que un UAS puede elevarse, avanzar, mantenerse en el aire o descender controladamente.

• Aerodinámica: Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los gases alrededor de los objetos. Su principal objetivo es estudiar el efecto que se origina en una corriente de aire por la presencia de un cuerpo, en nuestro caso denominado perfil aerodinámico. Estas partículas de aire se alteran, generando una variación de presión y velocidad. De esta acción se generan dos fuerzas principales que se denominan sustentación y resistencia.

Perfil aerodinámico: Forma del área transversal de un elemento, que al desplazarse a través del aire es capaz de crear a su alrededor una distribución de presiones que genera sustentación. Ejemplo de perfiles son el ala de un avión o las palas de un rotor de un UAS.

Ademá, la física del vuelo en las aeronaves se explica a partir de varias teorías:

• Principio de Bernoulli: En un fluido en movimiento, la suma de la presión estática pe más la presión dinámica pd, denominada presión total pt, es constante: pt = pe + pd = constante; de donde se deduce que si la velocidad de un fluido se incrementa, la presión estática disminuye.
  
  
• Efecto Venturi: Al pasar por un estrechamiento, las partículas de un fluido aumentan su velocidad mientras que la presión disminuye.
  
  

  

  
  
• Tercera Ley de Newton: Toda acción tiene una acción de igual magnitud pero de sentido opuesto. Las moléculas del aire que vienen por debajo chocan contra el perfil y son desviadas hacia abajo produciendo la reacción en el perfil de ir hacia arriba. Adicionalmente, el aire que fluye hacia arriba y por debajo sigue la curvatura del perfil y es desviado hacia abajo aportando igualmente una reacción en sentido opuesto.
  
  

  

• Un objeto con curvatura o inclinación puesto en una corriente de aire es capaz de producir sustentación. La forma del perfil alar no es tan relevante como su inclinación en relación al viento, lo que se conoce como ángulo de ataque, que es el ángulo que forma la cuerda geométrica de un perfil alar con la dirección del aire incidente.
  
  

  

  
  
• Al chocar la corriente de aire (el fluido) sobre el ala, como la parte superior es curva, se crea un estrechamiento por la zona donde va a pasar el aire, esto causa que el aire de la parte superior del ala se acelere (efecto Venturi), y por lo tanto disminuya la presión (Principio de Bernoulli) y esto provocará una diferencia de presiones entre la parte superior (extradós) y la inferior (intradós) del ala.
  
  

  

  
  
• Como la presión de los gases o fluidos tiende a igualarse, esa diferencia de presión genera una fuerza aerodinámica que empujar el perfil de la zona de altas presiones a la de bajas presiones conforme la tercera ley de Newton (Principio de acción-reacción). Y además, el flujo de aire que se proyecta desde la parte superior viaja a mayor velocidad que el flujo de aire que se proyecta desde la parte inferior, por lo que empuja donde confluyen ambas partes (borde de salida), generando lo que se denomina flujo inducido, con una fuerza adicional hacia arriba.
  
  
• En multirrotores, el aire pasa por una hélice con la misma forma que un perfil aerodinámico. En este caso los rotores son los que generan el flujo de aire a las hélices, que generan a su vez la fuerza de sustentación. En una ala fija, el flujo de aire se genera por la velocidad que alcanza el avión en su propulsión.
  
  

  

  
  

  

Principios aerodinámicos

Las aeronaves de ala fija utilizan los motores específicamente para generar el empuje. En el caso de los multirrotores, existen las mismas 4 fuerzas, pero existe una diferenciación, ya que la acción de los motores está dedicada a la rotación de las hélices, en este caso, se asimila la sustentación con el empuje. Si la aeronave se inclina hacia un lado, el empuje se dirige hacia esa dirección, pero surge una fuerza de componente horizontal, que en este caso se corresponde con la fuerza de resistencia que es la fuerza surgida que se opone al movimiento.

En resumen, las fuerzas actúan de dos en dos, una siempre es contraria a la otra. Para que un UAS se eleve, la fuerza de sustentación tiene que ser mayor que la fuerza de gravedad (peso), y para que avance, la fuerza de empuje tiene que ser mayor que la fuerza de resistencia.

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Efecto de las condiciones ambientales en el vuelo de UAS

Nuestro planeta está constituido por tres partes fundamentales, una sólida denominada litosfera (continentes), otra líquida denominada hidrosfera (mares, océanos) y otra gaseosa o atmósfera, que a su vez se divide en diferentes subcapas.

• La subcapa donde tiene lugar el vuelo de UAS se denomina troposfera.
• Es muy importante tener en cuenta la temperatura, presión, densidad, viento, visibilidad, actividad solar, tormentas y engelamiento, pues estos factores inciden profundamente en el vuelo.
• Tanto la densidad, como la temperatura y presión varían con la altitud, por lo que el cambio en estas magnitudes incide en el rendimiento de la aeronave.

• La presión de debe al peso de aire sobre un cierto punto de la superficie terrestre, por lo que a mayor altura, menor presión.
• La temperatura disminuye con la altura debido a la absorción de calor de las distintas capas que componen la atmósfera, de modo que cuando aumenta la temperatura, las moléculas que componen el aire se dispersan, disminuyendo la densidad, si la temperatura disminuye, las moléculas ocupan menor espacio entre sí, reduciéndose el volumen que ocupa y aumentando la densidad.
• Según la Ley de Boyle, a temperatura constante, los volúmenes ocupados por un gas son inversamente proporcionales a las presiones a las que está sometido.
  
  

Al operar un UAS es necesario tener en cuenta los factores ambientales que pueden interferir en el rendimiento de la aeronave y por lo tanto en el vuelo. Los principales factores que pueden afectar son la densidad del aire, la humedad y el viento.

Densidad del aire

La densidad del aire es un factor muy importante en el comportamiento de la aeronave porque la densidad influye en la sustentación, la resistencia, el rendimiento del motor y la eficacia de la hélice.

Humedad del aire

La atmósfera siempre contiene alguna parte de moléculas de agua en forma de vapor. Debido a la menor densidad del vapor de agua respecto al aire seco, un determinado volumen de aire húmedo pesa menos (es menos denso) que el mismo volumen de aire seco. Por lo tanto, cuando la humedad del aire es mayor, la densidad disminuye y esto provoca que la sustentación del UAS también disminuya.

Viento

Es importante tener en cuenta el viento en la atmósfera previo a cada vuelo porque la maniobrabilidad y actuaciones del UAS pueden verse afectados. El viento puede afectar a la autonomía y la maniobrabilidad de la UA.

El viento en cara o en cola afecta al despegue, ascenso, crucero, y aterrizaje de la aeronave.