Carga y centrado

De las cuatro fuerzas fundamentales que actúan sobre un avión hemos visto en capítulos anteriores y con cierto detalle los factores que afectan principalmente a tres de ellas: sustentación, resistencia, y empuje o tracción, quedando por detallar con un poco más de profundidad la fuerza restante: el peso.

Esta fuerza no tiene menor importancia que las otras ni mucho menos, de hecho, si no existiera los aeroplanos no tendrían razón de ser; es más, el peso es uno de los mayores problemas a resolver a la hora de diseñar un aeroplano. A lo largo de este capítulo se abordan los dos aspectos fundamentales del peso en relación con el vuelo: su cantidad y la distribución del mismo en el aeroplano ya que ambos inuyen de forma fundamental tanto en su integridad estructural como en su rendimiento y control.

Retomando algunos conceptos conocidos, peso es la fuerza de atracción gravitatoria ejercida de forma perpendicular a la superficie de la tierra (más exactamente al centro de la tierra), con un sentido hacia abajo y con una intensidad proporcional a la masa del cuerpo sobre el cual se ejerce. Esta fuerza gravitatoria atrae continuamente al avión hacia la tierra, por lo cual ha de ser contrarrestada por la masafuerza de sustentación para mantener al avión en vuelo.

La segunda ley de Newton enuncia la famosa fórmula F=m*a que se enuncia como: La fuerza es igual a la por l0 Como este último factor es prácticamente constante, podemos armar que el peso de una aeronave es directamente proporcional a su masa. En la gura siguiente el peso se indica como W (Weight).

4.2.1 Control del peso.

La cantidad total de sustentación producida por un aeroplano no es innita, sino que está limitada por el diseño del ala, el ángulo de atauqe, su velocidad relativa y la densidad del aire. Si la sustentación tiene un límite, es lógico deducir que el peso, fuerza opuesta, también debe tenerlo, pues en caso contrario la sustentación sería insuciente para contrarrestar el peso y mantener al aparato en vuelo.

Así pues, un factor fundamental a tener en cuenta en el diseño de los aeroplanos es el peso, pues aunque los constructores tratan de hacerlos lo más ligeros posible, sin sacrificar seguridad ni robustez, el peso supone una limitación por su influencia sobre:

• Los elementos estructurales que deben soportar dicho peso, principalmente las alas.

• El rendimiento y capacidad de maniobra del avión, que está en función del peso del mismo.

• Las cargas dinámicas que ciertas maniobras, por ejemplo virajes pronunciados o vuelos en turbulencias severas, producen en la estructura del avión.

• La estabilidad o inestabilidad del aeroplano y en consecuencia su seguridad.

• La cantidad de sustentación a generar, que como hemos dicho es limitada.

Por todas estas razones, el fabricante indica los esos máximos que puede soportar un aeroplano (tripulación, pasaje, carga, combustible, etc.) así como el rango concreto de posiciones del centro de gravedad para aspegurar que el aeroplano vuela de forma segura y eficiente conforme a su diseño.

Un detalle a tener en cuenta es que el peso máximo de un mismo tipo de aeronave puede ser distinto según la categoría de la misma (Normal, Utility, Aerobatic). Este hecho se debe al factor de carga máximo soportado por la aeronave, aquel que puede recibir sin que se produzcan fallos estructurales. Este factor varía de una a otra categoría (+3,8 a -1,52 Normal, +4,4 a -1,76 Utility y +6,00 a -3.00 Aerobatic) y cuanto mayor es el factor de carga certificado menor es el peso máximo admitido.

Cada aeroplano tiene su propia certicación de pesos y balance (Weight and Balance Record) cuando sale de fábrica, certificación que puede ir variando a medida que al aeroplano se le agreguen instrumentos y características adicionales, también cuando se le quiten. Obviamente, la persona o entidad que realiza el cambio debe reejar los nuevos valores en ese certificado.

4.2.2 Limitaciones del peso.

Las limitaciones que marcan los fabricantes atienden a dos razones: estructurales con el fin de que no causen daños al aeroplano que pueden llegar a ser irreversibles, y por rendimiento. Es importante resaltar que aunque dejan unos márgenes de seguridad, esas limitaciones deben respetarse escrupulosamente y no caer en el error de creer que con no exceder el peso máximo es suciente, pues hay otros factores que afectan al rendimiento del avión (día caluroso y húmedo, pista cuesta arriba, aeródromo a mucha altitud, etc.) que rebajan los límites de seguridad y que combinados con un exceso de peso pueden hacer del vuelo algo impredecible.

Aunque el piloto no puede obviamente rebajar la altura del aeródromo o cambiar las condiciones climatológicas, si puede reducir el peso transportado, el número de pasajeros, o la cantidad de combustible repostado teniendo en cuenta que esto último reduce el radio de acción del aeroplano, o en último caso desistir de realizar el vuelo en esas condiciones.

Como veremos en el próximo capítulo, entre los datos que los fabricantes incluyen en el Pilot Operating Handbook (POH) o su equivalente Airplane Flight Manual (AFM), se encuentran los diferentes valores máximos para la aeronave así como información suciente para calcular su peso y posición del centro de gravedad. Suelen incluir tablas, formularios y ejemplos de grácos precalculados que en general son adecuados y sucientes para un uso general por los pilotos privados; no obstante el piloto debe conocer los principios básicos de estos cálculos y aplicarlos por sí mismo llegado el caso.

4.2.3 Efectos del sobrepeso.

El piloto de un avión debe ser consciente, pues es su responsabilidad, de las consecuencias negativas que un exceso de peso del avión puede acarrear; sobrepasar los límites puede resultar en un rendimiento sensiblemente inferior al esperado en condiciones normales, pero lo que es peor es que puede reducir el margen de seguridad hasta el punto de posibilitar un desastre. El primer aviso de este pobre rendimiento debido al sobrepeso suele darse durante el despegue, que no es desde luego el mejor momento para que el piloto y el avión se encuentren con problemas.

Algunas de las deficiencias de rendimiento más importantes producidas en un avión sobrecargado son:

- Se necesita mayor velocidad de despegue.

- La carrera de despegue se hace mas larga y se necesita por tanto más longitud de pista.

- La tasa de ascenso se reduce y puede ser comprometido salvar obstáculos.

- El techo máximo de operación del avión es más bajo.

- La distancia máxima alcanzable es más corta.

- La velocidad de crucero es menor.

- La capacidad de maniobra del avión se empobrece.

- Posibilidad de daños estructurales volando en áreas turbulentas.

- La entrada en pérdida del avión se produce con una velocidad mayor.

- Las velocidades de aproximación, planeo y aterrizaje se incrementan.

- Se necesita más longitud de pista en el aterrizaje.

- El esfuerzo sobre el tren de aterrizaje es mayor y puede dañarlo.

- La capacidad de frenada se reduce.

- Frustrar el aterrizaje puede ser comprometido.

Si a estas deficiencias le añadimos una pista corta, un aeródromo con mucha altitud, un día caluroso y con poca densidad atmosférica, obstáculos a salvar, o todo ello a la vez, los problemas para despegar y/o aterrizar se agravan y mucho.

Hasta aquí nos hemos centrado especialmente en el peso como factor cuantitativo y los efectos que tiene sobre el vuelo rebasar sus límites; sin embargo, aunque es importante observar las limitaciones de peso en cuanto a cantidad, más importante es aún si cabe atenerse a las limitaciones en cuanto a su distribución; aunque un aeroplano mantenga el peso dentro de los límites, una inadecuada distribución del mismo puede acarrear graves consecuencias.

4.2.4 Centro de gravedad y balance.

El Centro de Gravedad (en adelante CG) es el punto de un cuerpo en el cual se considera ejercida la fuerza de gravedad que afecta a la masa de dicho cuerpo, es decir, donde se considera ejercido el peso.

El CG es a su vez el centro de balance o centro de equilibrio. Si se colgara al avión por ese punto, este quedaría suspendido en perfecto equilibrio. Asimismo, como el avión es libre de moverse en cualquier dirección, todos sus movimientos los realiza pivotando sobre el CG.

Como es natural, el CG no es necesariamente un punto jo, sino que su posición, más hacia un lado u otro o más adelante o atrás, está en función de la distribución del peso en el aeroplano.

La importancia de la situación del CG viene dada por su carácter determinante en cuanto a la estabilidad y seguridad del aeroplano. Un avión con su CG. dentro de los límites tabulados por el constructor es manejable, responde a los mandos en la forma prevista y vuela por tanto con seguridad, mientras que el desplazamiento del CG más allá de dichos límites puede volverlo inmanejable poniendo al aeroplano y sus ocupantes en situaciones muy comprometidas y en grave riesgo.

Aunque el CG del avión puede desplazarse a través de los tres ejes del avión, a efectos de carga y centrado la localización del CG del avión solo se tiene en cuenta respecto a dos de ellos debido a su criticidad: eje lateral (de un extremo a otro de las alas) y eje longitudinal (de la cola al morro), aunque tiene mucha más importancia su posición adelantada o retrasada sobre el eje longitudinal que su posición desplazada a la izquierda o la derecha sobre el eje lateral.

En la figura siguiente se muestra un avión y los puntos de aplicación de las fuerzas de sustentación y peso (Centro de presiones o sustentación y Centro de gravedad). La balanza de la figura nos indica que este avión es estable longitudinalmente debido a la disposición adecuada de su peso.

4.2.5 Desplazamiento lateral del centro de gravedad.

Debido a que el balance lateral es relativamente sencillo de controlar, salvo casos muy exagerados lo cual no es habitual, y a que el control longitudinal es mucho más crítico, en los manuales de vuelo no suele hacerse referencia a la posición lateral del CG y aunque esta no suele calcularse, es prudente que el piloto conozca sus efectos.

La causa principal de desplazamiento lateral del CG se debe al desequilibrio del combustible almacenado en las alas (repostaje desigual, consumo de un depósito más que del otro, etc.)

Un avión mal balanceado lateralmente, implica mayor actuación sobre el alerón del lado más cargado, incrementa la resistencia, y produce menores eciencia y rendimiento, lo cual se traduce en mayor gasto de combustible y menor radio de acción. También, la inclinación hacia el lado de mayor peso hace un poco más trabajoso el despegue y el aterrizaje. Para paliar estos efectos, las medidas normalmente recomendadas son muy elementales: tratar de equilibrar los pesos a ambos lados y consumir el combustible de los depósitos en las alas por igual (cambio de depósito de forma regular).

Antes de adentrarnos en los efectos de un CG fuera de rango en el eje longitudinal, a modo de introducción recordemos que según se explica en el capítulo dedicado a la estabilidad, la estabilidad longitudinal se reere al movimiento del avión sobre su eje transversal o eje de cabeceo (morro arriba/abajo). Esta estabilidad está principalmente resuelta por el estabilizador horizontal de cola, puesto a propósito en la parte más alejada de las alas para acentuar el efecto de palanca, y que suele tener menor ángulo de incidencia que las alas (decalaje).

Conviene recordar también que, tal como se ha dicho, los límites anterior y posterior en que puede encontrarse el CG a lo largo del eje longitudinal, también conocido como rango del CG, los certica el fabricante para cada aeronave y pueden variar según los cambios de peso bruto o la certificación (Normal, Utility, Aerobatic).

La posición real del CG puede verse alterada de un vuelo a otro por muchos factores variables siendo la distribución del pasaje, equipaje y los artículos de carga los que determinan esa ubicación que como veremos a continuación es la más crítica en cuanto a balance y estabilidad del aeroplano.

En algunos aeroplanos no es posible ocupar todos los asientos, subir toda la carga y llenar los tanques de combustible y en esas condiciones cumplir con los límites de peso y equilibrio aprobados. Si se transporta la capacidad máxima de pasajeros el piloto a menudo debe reducir la carga de combustible o la cantidad de equipaje.

4.2.6 Centro de gravedad adelantado.

El límite delantero del CG se establece a menudo en función de las características de la aeronave durante el aterrizaje, dado que es una de las fases más críticas del vuelo. Los fabricantes colocan a propósito el límite delantero del CG lo menos adelantado posible para ayudar a los pilotos y evitar daños durante el aterrizaje. Este límite también, trata de asegurar suficiente deflexión del timón de profundidad disponible a bajas velocidades.

La localización del CG por delante del límite anterior establecido por el constructor, produce un avión pesado de morro, lo cual signica que el avión tiende a subir la cola y bajar el morro, de forma que para que vuele balanceado habremos de bajar la cola, que puede incluso llegar a tener un ángulo de ataque negativo. Esta situación del C.G. tan adelantado puede producir que:

- Se necesita un gran esfuerzo para levantar el morro y el timón de profundidad solo es efectivo a gran velocidad.

- En el despegue, el avión necesitará mayor velocidad hasta que el timón de profundidad sea efectivo para levantar el morro del avión y en consecuencia mayor longitud de pista.

- La tendencia a picar del avión puede acentuarse si se extienden flaps.

- La velocidad de pérdida es mayor con un C.G. adelantado.

- La estabilidad no suele ser problemática. El avión tiene una gran cantidad de decalaje y será estable de forma que, salvo en situaciones extremas, el avión puede volar normalmente, hasta el momento de aterrizar.

- La tendencia de morro abajo del aeroplano facilita la recuperación en caso de pérdida.

- Al hacer la recogida del aterrizaje, cuando se tire del volante de control ("cuernos") para elevar el morro, bajando por tanto la cola, el ángulo de ataque de esta puede hacerse tan negativo que entre en pérdida. Pero ojo, un ángulo de ataque negativo significa sustentación negativa y a medida que la pérdida se incrementa menor sustentación negativa se tiene, o sea que la cola empieza a subir bajando el morro. Se necesita mucha habilidad para aterrizar un avión en estas condiciones.

- Un pequeño truco que puede ayudar a aterrizar el avión consiste en tener algo de potencia en la recogida. El aire movido por el motor incidiendo en la cola del avión puede darle algo más de control y retrasar la pérdida en la cola.

- En caso de realizar motor y al aire, puede hacerse dificultoso levantar el morro del avión.

4.2.7 Centro de gravedad retrasado.

El rebasamiento del límite posterior del CG provoca en el aeroplano la condición más inestable para volar haciendo muy complicado retornarlo a una situación de vuelo recto y nivelado tras una maniobra o tras encontrar turbulencias.

Si la carga en el avión (pasaje, equipaje, carga, etc..) está distribuida de forma que el CG resulta en una posición por detrás del límite posterior dado por el fabricante, el avión tenderá a caer de cola, y por tanto a elevar el morro (encabritarse). Debido al efecto palanca, esta tendencia se incrementa conforme aumenta el desplazamiento del CG.