Variómetro
En aviación, un variómetro, también conocido como indicador de índice de ascenso y descenso (RCDI), índice de -indicador de subida, indicador de velocidad vertical (VSI), o indicador de velocidad vertical (VVI) – es uno de los instrumentos de vuelo en una aeronave que se utiliza para informar al piloto de la velocidad de descenso o ascenso. Se puede calibrar en metros por segundo, pies por minuto (1 ft/min = 0,00508 m/s) o nudos (1 kn ≈ 0,514 m/s), según el país y el tipo de aeronave. Por lo general, está conectado a la fuente de presión estática externa de la aeronave.
En vuelo motorizado, el piloto hace uso frecuente del VSI para asegurarse de que se mantiene el nivel de vuelo, especialmente durante las maniobras de viraje. En vuelo a vela, el instrumento se usa casi continuamente durante el vuelo normal, a menudo con una salida audible, para informar al piloto sobre el aire que sube o baja. Es habitual que los planeadores estén equipados con más de un tipo de variómetro. El tipo más simple no necesita una fuente de alimentación externa y, por lo tanto, se puede confiar en su funcionamiento independientemente de si se ha instalado una batería o una fuente de alimentación. El tipo electrónico con audio necesita una fuente de alimentación para estar operativo durante el vuelo. El instrumento es de poco interés durante el despegue y el aterrizaje, con la excepción del remolque aéreo, donde el piloto generalmente querrá evitar soltarse en el hundimiento.
Historia
En 1930, según Ann Welch, "Kronfeld... fue uno de los primeros en utilizar un variómetro, un dispositivo sugerido por Alexander Lippisch." Welch continúa afirmando que el "primer vuelo térmico real" ocurrió en 1930 por A. Haller y Wolf Hirth, con Hirth usando un variómetro en su Musterle. Frank Irving afirma que Arthur Kantrowitz mencionó por primera vez la energía total en 1940. Sin embargo, ya en 1901, Wilbur Wright escribió sobre las térmicas, "cuando los operadores de planeo han adquirido mayor habilidad, pueden, con relativa seguridad, mantenerse en el aire". durante horas a la vez de esta manera, y así mediante la práctica constante aumentan su conocimiento y habilidad para que puedan elevarse en el aire más alto y buscar las corrientes que permiten a los pájaros planeadores transportarse a sí mismos a cualquier punto deseado, elevándose primero en un círculo, y luego navegando en un ángulo descendente."
Descripción
Según Paul MacCready, "un variómetro es esencialmente un altímetro de presión con una fuga que tiende a hacer que lea la altitud de un momento anterior. Consiste en un recipiente ventilado al aire exterior de tal manera que la presión dentro del matraz se queda ligeramente atrás de la presión estática exterior. La medida de la tasa de ascenso proviene de la tasa de entrada o salida de aire del contenedor."
Los variómetros miden la tasa de cambio de altitud al detectar el cambio en la presión del aire (presión estática) a medida que cambia la altitud. Los tipos comunes de variómetros incluyen los que se basan en un diafragma, una paleta (bocina), una banda tensa o son eléctricos. El variómetro de paleta consta de una paleta giratoria, centrada por un resorte helicoidal, que divide una cámara en dos partes, una conectada a un puerto estático y la otra a una cámara de expansión. Los variómetros eléctricos utilizan termistores sensibles al flujo de aire o placas de circuito que consisten en resistencias variables conectadas a la membrana de una pequeña cavidad de vacío.
Se puede construir un variómetro simple agregando un depósito grande (una botella termo) para aumentar la capacidad de almacenamiento de un instrumento común de velocidad de ascenso de una aeronave. En su forma electrónica más simple, el instrumento consta de una botella de aire conectada a la atmósfera externa a través de un medidor de flujo de aire sensible. A medida que la aeronave cambia de altitud, la presión atmosférica fuera de la aeronave cambia y el aire entra o sale de la botella de aire para igualar la presión dentro de la botella y fuera de la aeronave. La velocidad y la dirección del flujo de aire se miden mediante el enfriamiento de uno de los dos termistores de autocalentamiento y la diferencia entre las resistencias de los termistores provocará una diferencia de voltaje; esto se amplifica y se muestra al piloto. Cuanto más rápido asciende (o desciende) el avión, más rápido fluye el aire. El aire que sale de la botella indica que la altitud del avión está aumentando. El aire que entra en la botella indica que el avión está descendiendo.
Los diseños de variómetros más nuevos miden directamente la presión estática de la atmósfera mediante un sensor de presión y detectan los cambios de altitud directamente a partir del cambio en la presión del aire en lugar de medir el flujo de aire. Estos diseños tienden a ser más pequeños ya que no necesitan la botella de aire. Son más fiables ya que no hay botella que se vea afectada por los cambios de temperatura y hay menos posibilidades de que se produzcan fugas en los tubos de conexión.
Los diseños descritos anteriormente, que miden la tasa de cambio de altitud mediante la detección automática del cambio en la presión estática a medida que la aeronave cambia de altitud, se denominan "no compensados" variómetros. El término "indicador de velocidad vertical" o "VSI" se utiliza con mayor frecuencia para el instrumento cuando se instala en un avión motorizado. El término "variómetro" se utiliza con mayor frecuencia cuando el instrumento está instalado en un planeador o planeador.
Un "conductor de inercia" o "Instantáneo" VSI (IVSI) utiliza acelerómetros para proporcionar una respuesta más rápida a los cambios en la velocidad vertical.
Propósito
Los seres humanos, a diferencia de las aves y otros animales voladores, no pueden detectar directamente las tasas de ascenso y descenso. Antes de la invención del variómetro, a los pilotos de planeadores les resultaba muy difícil volar. Aunque podían detectar fácilmente cambios abruptos en la velocidad vertical ('en el asiento de los pantalones'), sus sentidos no les permitían distinguir la sustentación de la caída, o la sustentación fuerte de la débil. elevar. Ni siquiera se podía adivinar la tasa de ascenso/hundimiento real, a menos que hubiera alguna referencia visual clara y fija cerca. Estar cerca de una referencia fija significa estar cerca de una ladera o del suelo. Excepto cuando se planean colinas (explotando la sustentación cerca del lado de arriba de una colina), estas son generalmente posiciones muy poco rentables para los pilotos de planeadores. Las formas más útiles de sustentación (elevación térmica y de olas) se encuentran altitudes y es muy difícil para un piloto detectarlas o explotarlas sin el uso de un variómetro. Después de que el variómetro fuera inventado en 1929 por Alexander Lippisch y Robert Kronfeld, el deporte del vuelo sin motor pasó a un nuevo ámbito.
Los variómetros también adquirieron importancia en el ala delta de despegue a pie, donde el piloto al aire libre escucha el viento pero necesita el variómetro para ayudarlo a detectar regiones de aire ascendente o descendente. En los primeros vuelos de ala delta, no se necesitaban variómetros para los vuelos cortos o los vuelos cercanos al ascenso de la cresta. Pero el variómetro se volvió clave cuando los pilotos comenzaron a realizar vuelos más largos. El primer variómetro portátil para usar en alas delta fue el Colver Variometer, introducido en la década de 1970 por Colver Soaring Instruments, que sirvió para extender el deporte al vuelo térmico de fondo. En la década de 1980, Ball Variometers Inc., fundada en 1971 por Richard Harding Ball (1921–2011), produjo un variómetro de muñeca alimentado por una batería de 9 voltios.
Compensación total de energía
Sin embargo, a medida que se desarrollaba el deporte del vuelo sin motor, se descubrió que estos muy simples "no compensados" instrumentos tenían sus limitaciones. La información que los pilotos de planeadores realmente necesitan para volar es el cambio total de energía experimentado por el planeador, incluidas la altitud y la velocidad. Un variómetro no compensado simplemente indicará la velocidad vertical del planeador, dando lugar a la posibilidad de una "térmica de palo" es decir, un cambio de altitud causado únicamente por la entrada de la palanca. Si un piloto tira hacia atrás de la palanca, el planeador se elevará, pero también disminuirá la velocidad. Pero si un planeador está subiendo sin que cambie la velocidad, esto es una indicación de sustentación real, no de "elevación de palanca".
Los variómetros compensados también incluyen información sobre la velocidad de la aeronave, por lo que se utiliza la energía total (potencial y cinética), no solo el cambio de altitud. Por ejemplo, si un piloto empuja la palanca hacia adelante, acelerando a medida que el avión se sumerge, un variómetro no compensado solo indica que se está perdiendo altitud. Pero el piloto podría tirar hacia atrás de la palanca, cambiando la velocidad adicional por altitud nuevamente. Un variómetro compensado usa tanto la velocidad como la altitud para indicar el cambio en la energía total. Por lo tanto, el piloto que empuja la palanca hacia adelante, se zambulle para ganar velocidad y luego retrocede nuevamente para recuperar altitud, no notará ningún cambio en la energía total en un variómetro compensado (despreciando la pérdida de energía debido a la resistencia).
Según Helmut Reichmann, "La palabra 'variómetro' significa literalmente 'cambiar de medidor' y así es como debe entenderse. Sin más información, no queda claro qué cambios se están midiendo. Los variómetros simples... son indicadores de velocidad de ascenso. Dado que el ascenso y descenso real del planeador que se muestra en estos instrumentos depende no solo del movimiento de la masa de aire y del rendimiento del planeador, sino también en gran parte de los cambios en el ángulo de ataque (movimientos de profundidad)... Esto hace que sea prácticamente imposible extraer información útil, como, por ejemplo, la ubicación de las térmicas. Mientras que los indicadores de velocidad de ascenso muestran cambios de altitud y, por lo tanto, cambios en la energía potencial del planeador, los variómetros de energía total indican cambios en la energía total del planeador, es decir, tanto su energía potencial (debido a la altitud) como su energía cinética (debido a la velocidad aerodinámica)."
La mayoría de los planeadores modernos están equipados con variómetros Total Energy compensados.
Compensación de energía total en teoría
La energía total de la aeronave es:
1. ETot=Eolla+Ekin{displaystyle E_{text{tot}=E_{text{pot}+E_{kin}}
Donde Eolla{displaystyle E_{text{pot}} es la energía potencial, y Ekin{displaystyle E_{text{kin}} es la energía cinética. Así que el cambio en la energía total es:
2. Δ Δ ETot=Δ Δ Eolla+Δ Δ Ekin{displaystyle Delta E_{text{tot}= Delta E_{text{pot}+ Delta E.
Desde
3. La energía potencial es proporcional a la altura.
Eolla=mgh{displaystyle E_{text{pot}=mgh}
Donde m{displaystyle m} es la masa más brillante y g{displaystyle g} la aceleración de la gravedad
y
4. La energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado,
Ekin=12mV2{displaystyle E_{text{kin}={1over 2}mV^{2}
luego de 2:
5. Δ Δ ETot=mgΔ Δ h+12mΔ Δ V2{displaystyle Delta E_{text{tot}=mgDelta h+{1over 2}m{Delta V}^{2}}
6. Por lo general, esto se convierte en un cambio de altitud efectivo dividiendo por la aceleración de la gravedad y la masa de la aeronave, por lo que:
Δ Δ ETotmg=Δ Δ h+Δ Δ V22g{displaystyle {Delta E_{text{tot}over mg}=Delta h+{Delta V}^{2}over 2g}}
Compensación de energía total en la práctica
Los variómetros de energía total utilizan un compensador de membrana, compensación por venturi o compensación electrónica. El compensador de membrana es una membrana elástica, que se flexiona de acuerdo con la presión total (pitot más estática) de la velocidad del aire. Por lo tanto, los efectos de la velocidad del aire anulan un aumento en el hundimiento, debido a la aceleración, o una disminución en el hundimiento, debido a la desaceleración. El compensador venturi proporciona una presión negativa dependiente de la velocidad, de modo que la presión se reduce a medida que aumenta la velocidad, compensando el aumento de la presión estática debido al hundimiento. Según Helmut Reichmann, "... el punto de montaje del venturi menos sensible parecería estar en el cuarto superior de la aleta vertical, a unos 60 cm (2 pies) por delante del borde de ataque." Los tipos de compensadores Venturi incluyen Irving Venturi (1948), Althaus Venturi, Hüttner Venturi, Brunswick Tube, Nicks Venturi y Double-Slotted Tube, desarrollado por Bardowicks de Akaflieg Hannover, también conocido como Braunschweig Tube.
Muy pocos aviones con motor tienen variómetros de energía total. Los pilotos de aeronaves motorizadas están más interesados en la verdadera tasa de cambio de altitud, ya que a menudo quieren mantener una altitud constante o mantener un ascenso o descenso constante.
Variometro Netto
Un segundo tipo de variómetro compensado es el variómetro Netto o de masa de aire. Además de la compensación TE, el variómetro Netto ajusta la tasa de caída intrínseca del planeador a una velocidad dada (la curva polar) ajustada por la carga alar debida al lastre de agua. El variómetro Netto siempre leerá cero en aire quieto. Esto proporciona al piloto la medición precisa del movimiento vertical de la masa de aire fundamental para los planeos finales (el último planeo hacia la ubicación de destino final).
En 1954, Paul MacCready escribió sobre una corrección de velocidad de descenso para un venturi de energía total. MacCready declaró: "En aire en calma... un planeador tiene una velocidad de descenso diferente en cada velocidad aerodinámica... sería mejor si el variómetro agregara automáticamente la velocidad de descenso y, por lo tanto, mostrara el movimiento vertical del aire en lugar del vertical. movimiento de planeador. La corrección se puede hacer por una variedad de métodos. Probablemente lo mejor sea utilizar el venturi de energía total y la presión dinámica del tubo de Pitot." Como explicó Reichmann, un variómetro "Netto muestra el ascenso y descenso de la masa de aire (¡no del planeador!)... Para lograr un 'neto' indicación, el sumidero polar siempre presente del planeador debe ser 'compensado' de la indicación. Para hacer esto, se aprovecha el hecho de que por encima de la velocidad de mejor planeo, la velocidad de descenso polar del planeador aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad aerodinámica. Dado que la presión de Pitot también aumenta con el cuadrado de la velocidad, se puede usar para 'compensar' el efecto del hundimiento polar del planeador en prácticamente todo el rango de velocidades." Tom Brandes afirma: "Netto es simplemente la forma alemana de decir 'net,' y un sistema de variómetro Netto (o compensador polar) es simplemente uno que le indica el movimiento de aire vertical neto con el movimiento del planeador o sumidero extraído de la lectura habitual del variómetro."
El variómetro neto relativo indica la velocidad vertical que alcanzaría el planeador SI volara a la velocidad de las térmicas, independientemente de la velocidad del aire y la actitud actuales. Esta lectura se calcula como la lectura Netto menos el hundimiento mínimo del planeador. Cuando el planeador gira a la térmica, el piloto necesita conocer la velocidad vertical del planeador en lugar de la de la masa de aire. El variómetro Relative Netto (o, a veces, el super Netto) incluye un sensor g para detectar térmicas. Al girar en térmica, el sensor detectará una aceleración (gravedad más centrífuga) por encima de 1 g y le indicará al variómetro neto relativo que deje de restar la tasa de caída polar ajustada por la carga del ala del planeador durante la duración. Algunos nettos anteriores usaban un interruptor manual en lugar del sensor g.
Variómetros electrónicos
En 1954, MacCready señaló las ventajas de un variómetro de audio: "Se puede ganar mucho si la indicación del variómetro se presenta al piloto mediante un sonido. Más que cualquier otro instrumento, excepto durante el vuelo a ciegas, el variómetro debe observarse continuamente. si el piloto puede obtener la lectura de oído, puede mejorar su vuelo térmico observando los planeadores cercanos, y puede mejorar materialmente el vuelo general estudiando las formaciones de nubes que se utilizarán a continuación."
En los planeadores modernos, la mayoría de los variómetros electrónicos generan un sonido cuyo tono y ritmo dependen de la lectura del instrumento. Por lo general, el tono de audio aumenta en frecuencia a medida que el variómetro muestra una tasa de ascenso más alta y disminuye en frecuencia hacia un gemido profundo a medida que el variómetro muestra una tasa de descenso más rápida. Cuando el variómetro muestra un ascenso, el tono a menudo se corta y la tasa de corte puede aumentar a medida que aumenta la tasa de ascenso, mientras que durante un descenso el tono no se corta. El vario suele ser silencioso con aire en calma o con sustentación, que es más débil que la tasa de caída típica del planeador en caída mínima. Esta señal de audio permite que el piloto se concentre en la vista externa en lugar de tener que mirar los instrumentos, lo que mejora la seguridad y también le brinda al piloto más oportunidades para buscar nubes prometedoras y otras señales de sustentación. Un variómetro que produce este tipo de tono audible se conoce como "variómetro de audio".
Los variómetros electrónicos avanzados en planeadores pueden presentar otra información al piloto desde los receptores GPS. La pantalla puede así mostrar el rumbo, la distancia y la altura requerida para alcanzar un objetivo. En modo crucero (usado en vuelo directo), el vario también puede dar una indicación audible de la velocidad correcta para volar dependiendo de si el aire está subiendo o bajando. El piloto simplemente tiene que ingresar la configuración MacCready estimada, que es la velocidad de ascenso esperada en la siguiente térmica aceptable.
Hay una tendencia creciente de variómetros avanzados en planeadores hacia computadoras de vuelo (con indicaciones de variómetro) que también pueden presentar información como espacio aéreo controlado, listas de puntos de giro e incluso advertencias de colisión. Algunos también almacenarán datos de GPS posicionales durante el vuelo para su posterior análisis.
Vuelo controlado por radio
Los variómetros también se utilizan en planeadores controlados por radio. Cada sistema de variómetro consta de un transmisor de radio en el planeador y un receptor en tierra para uso del piloto. Dependiendo del diseño, el receptor puede darle al piloto la altitud actual del planeador y una pantalla que indica si el planeador está ganando o perdiendo altitud, a menudo a través de un tono de audio. El sistema también puede proporcionar otras formas de telemetría, mostrando parámetros como la velocidad del aire y el voltaje de la batería. Los variómetros utilizados en planeadores controlados por radio pueden o no presentar compensación de energía total.
Los variómetros no son esenciales en los planeadores controlados por radio; un piloto experto generalmente puede determinar si el planeador sube o baja solo a través de señales visuales. El uso de variómetros está prohibido en algunos concursos de vuelo para planeadores controlados por radio.
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