«¿Te has preguntado cómo los aviones miden la velocidad del aire? El sistema estático de Pitot es la respuesta. En este artículo te explicaremos cómo funciona este invento ingenioso que revolucionó la aviación y se utiliza en muchas otras aplicaciones».
Disculpe, señor, ¿sabe a qué velocidad iba? ¿Y a qué altura volabas?
La respuesta está en un pequeño tubo de metal que sobresale en la corriente de aire y en un pequeño agujero en el fuselaje del avión. Esta configuración aparentemente simple ejecuta tres de los instrumentos más importantes de la cabina. Se llama sistema pitot-estático.
El sistema pitot-estático se utiliza en aeronaves para medir la velocidad aerodinámica, la altitud y la velocidad vertical de la aeronave.
Los respectivos instrumentos para mostrar estas lecturas son:
- El indicador de velocidad aerodinámica (ASI)
- el altímetro
- El indicador de velocidad vertical (VSI)
Componentes del Sistema Pitot-Estático
Dos partes del sistema pitot-estático son visibles desde el exterior de la aeronave.
Uno de ellos es el tubo de Pitot, una pieza de metal en forma de L que apunta hacia el viento. En realidad, es un tubo hueco con un agujero en la parte delantera, de cara al aire que se aproxima. El tubo Pitot debe instalarse en un lugar donde reciba un flujo de aire libre sin restricciones.
Eso significa que el flujo de aire hacia el instrumento no debe ser perturbado por ninguna parte de la aeronave y también debe estar libre del lavado creado por la hélice.
Por esta razón, encontrará uno o más tubos pitot montados en o cerca de la nariz de la aeronave. Para los aviones que tienen una hélice montada en la nariz, el tubo de Pitot se coloca en algún lugar donde no reciba aire perturbado de la hélice.
Es por eso que en aviones como los Cessnas de un solo motor, encontrará el tubo de Pitot montado en el borde de ataque del ala.
Si observa detenidamente, también notará un orificio muy pequeño en la parte posterior del tubo Pitot. Ese es un orificio de drenaje y se usa para drenar la humedad del interior del tubo Pitot.
La otra parte visible del sistema es un pequeño orificio en el costado del fuselaje que se denomina puerto estático. El puerto estático es diferente del tubo de Pitot ya que el orificio está colocado al ras del fuselaje del avión y perpendicular al flujo de aire relativo.
El puerto estático también necesita un flujo de aire imperturbable a través de la abertura para obtener una lectura precisa de la presión atmosférica sin la influencia de la presión dinámica causada por el movimiento de la aeronave.
Si cree que sería difícil encontrar un flujo de aire sin perturbaciones en el fuselaje de un avión en movimiento, ¡no está equivocado! El fabricante de la aeronave coloca el puerto en un lugar donde el flujo de aire no se ve afectado en la mayoría de las orientaciones en las que es probable que vuele la aeronave.
El tubo de Pitot y el puerto estático están conectados a los instrumentos mediante pequeñas líneas de presión para transmitir las presiones. Las líneas de presión son básicamente tuberías muy delgadas que transmiten la presión del aire desde el tubo Pitot y el puerto estático a los instrumentos.
Por supuesto, una aeronave equipada con un panel de instrumentos Glass Cockpit no tiene instrumentos separados. En ese caso, la presión se envía a una o más computadoras de datos de aire (ADC). Esta unidad puede convertir la presión en una señal digital que muestra la lectura asociada en la pantalla.
Principio de operación
El teorema de Bernoulli nos dice que la presión total que experimenta el avión es constante. Hay dos tipos de presiones que encuentra la aeronave.
Uno es la presión dinámica, que experimenta la aeronave como consecuencia de su movimiento contra el aire. Cuanto más rápido vuele, mayor será la presión dinámica.
El otro componente es la presión estática, que es causada por el peso de la atmósfera que actúa sobre todo. Si vuela más alto, hay menos atmósfera sobre usted, por lo que experimentará menos presión estática.
La suma de la presión estática y la presión dinámica es la presión total.
¿Cómo proporciona entradas el sistema al ASI?
El indicador de velocidad aerodinámica es el único instrumento que depende de las entradas del tubo de Pitot y del puerto estático.
A medida que la aeronave vuela por el aire, el aire ejerce presión hacia la aeronave, actuando en contra de la dirección del movimiento de la aeronave. Esta presión se llama presión dinámica ya que solo existe mientras la aeronave se está moviendo.
Dado que el tubo de Pitot está orientado hacia el viento relativo, recibe toda la presión dinámica que experimenta la aeronave.
Sin embargo, dado que el tubo de Pitot también está expuesto a la atmósfera, también experimenta presión estática. Entonces, el tubo de Pitot mide la presión total, lo que complica las cosas.
Si la presión estática fuera siempre constante, habría sido fácil restar una cantidad constante de lectura de presión del tubo de Pitot y presentarla en el ASI.
Pero dado que la presión atmosférica varía con la altura y el clima local, necesitamos obtener la medición precisa de la presión estática constantemente y seguir restándola de la presión total para obtener lecturas precisas de la velocidad del aire en todo momento.
Ahí es donde podemos usar la presión dada por la fuente estática. Como se mencionó anteriormente, la fuente estática solo proporciona presión estática o atmosférica.
El ASI tiene dos entradas, una del tubo de Pitot y otra del puerto estático. Están separados por un diafragma. La entrada de presión estática entra en la caja de velocidad aerodinámica y el aire ram del tubo pitot se envía al diafragma.
Dado que el tubo de Pitot aplica la presión total contra la presión estática del puerto estático, la presión resultante sobre el diafragma es la presión dinámica que experimenta la aeronave.
El diafragma se mueve como resultado del diferencial de presión, y esto mueve el dial en el ASI a través de un mecanismo simple.
También es posible tener un puerto estático y una cámara estática integrados en el propio tubo de Pitot, como se ve en el diagrama de la sección anterior. En este caso, la presión estática se resta de la presión total en el propio tubo y solo la presión dinámica se envía al ASI. Esto le permite tener un mecanismo más simple en el ASI.
Por cierto, recuerda que el ASI solo te da la velocidad del flujo de aire en relación con la aeronave. Incluso el viento genera presión dinámica, por lo que tendrá que corregir la presión dinámica adicional causada por el viento para obtener su velocidad aerodinámica real (TAS). Puedes averiguar cómo hacerlo aquí.
¿Cómo proporciona el sistema entradas al altímetro?
Como se mencionó anteriormente, la presión atmosférica o estática varía con la altitud y el clima. El altímetro utiliza la entrada del puerto estático para determinar la altitud. El altímetro es el único instrumento de los aviones pequeños que proporciona información sobre la altitud del piloto, por lo que es un instrumento crítico para el piloto.
El aire atmosférico llena la cámara sellada del altímetro y actúa contra un diafragma similar al ASI. Sin embargo, en el caso del altímetro, el diafragma no recibe ninguna entrada. El fabricante del instrumento lo establece para que tenga una presión constante de 29,92 pulgadas de mercurio, la presión estándar asumida al nivel del mar en condiciones ISA.
A medida que el avión sube, la presión estática disminuye. Se desarrolla una diferencia de presión entre la cámara del altímetro y el diafragma, lo que hace que el diafragma se mueva. Este movimiento se traduce en la rotación de las agujas indicadoras en el dial del altímetro.
Es posible que haya notado que el altímetro dará lecturas relativas a la presión atmosférica estándar de forma predeterminada.
La presión atmosférica real cambia con los sistemas meteorológicos de alta o baja presión. Es posible experimentar una variedad de presiones atmosféricas mientras vuela a lo largo de su ruta, incluso si vuela a una altitud constante.
Los altímetros suelen tener una perilla de ajuste que puede usar para calibrar el instrumento de acuerdo con su presión barométrica local.
Hay una pequeña ventana en el dial llamada Ventana Kollsman que puede usar para ver la configuración de presión establecida actualmente.
Si no establece la presión local, no volará a la altitud a la que se supone que debe volar, lo que podría ponerlo en peligro de colisionar con otras aeronaves o terreno elevado.
El altímetro también se ve afectado por los cambios de temperatura. Si vuela hacia un aire más frío, su altitud real será menor que la que muestra el altímetro, y viceversa.
No hay un ajuste estándar para la temperatura, pero el piloto debe anticipar este fenómeno y tratar de volar a una altitud de crucero más alta, especialmente en regiones montañosas.
El gráfico anterior se basa en fórmulas utilizadas por la OACI. Puede usarlo para obtener una guía aproximada de cuánto puede afectar la temperatura a la lectura del altímetro.
¿Cómo proporciona entradas el sistema al VSI?
El indicador de velocidad vertical también se basa únicamente en la entrada de presión estática. Como su nombre lo indica, el VSI muestra la velocidad de ascenso o descenso de la aeronave. Muestra la velocidad de ascenso o descenso en pies por minuto. Cuando vuela a una altitud constante, debería indicar cero si se ha calibrado correctamente.
En el caso del VSI, la presión estática ingresa al instrumento a través de la línea de presión estática que puede ver en el diagrama. Esta línea se conecta al interior del diafragma. La línea estática también tiene un orificio restringido que filtra presión a una tasa calibrada hacia la carcasa del instrumento.
Ambas entradas provienen del puerto estático, pero el interior del diafragma tiene una apertura sin restricciones y la caja del VSI tiene una apertura medida.
Cuando la aeronave asciende o desciende, la presión estática cambiará instantáneamente en la apertura sin restricciones, pero la presión de la caja tardará más en ajustarse debido a la apertura restringida. Esto crea una presión diferencial que actúa sobre el diafragma, que luego mueve y gira la aguja conectada también.
Cuanto más rápida sea la velocidad de ascenso o descenso, mayor será la presión diferencial y más oscilará la aguja.
Obstrucciones en el sistema estático de Pitot
Dado que el tubo de Pitot y los puertos estáticos están ubicados en el exterior del fuselaje, están expuestos a los elementos. ¡Sus agujeros pueden quedar bloqueados por el hielo, la suciedad, la humedad o incluso por la actividad de los insectos!
Ambas partes del sistema pitot-estático necesitan un flujo de aire claro y sin restricciones. Cuando las aberturas están bloqueadas, las lecturas de presión que envían a los instrumentos pueden ser muy incorrectas o incluso pueden indicar cero si están completamente bloqueadas.
Si vuela en condiciones meteorológicas instrumentales (IMC), no tendrá referencias externas. Los pilotos están capacitados para confiar en sus instrumentos, ya que su cuerpo no puede sentir con precisión la actitud de la aeronave en función de la sensación.
Debe saber cómo diagnosticar un instrumento que funciona mal para no terminar en un percance. Incluso los pilotos experimentados se han confundido con instrumentos pitot estáticos que funcionan mal, con resultados fatales.
En 1996, un Boeing 757 operado por Aeroperú en el vuelo 603 despegó de Lima, Perú, con 70 pasajeros y tripulantes a bordo. Despegó justo después de la medianoche en una noche sin luna y su ruta lo llevó sobre el Océano Pacífico, por lo que los pilotos no tenían referencias visuales externas.
El personal de tierra se había olvidado de quitar la cinta protectora de los puertos estáticos de la aeronave, por lo que los pilotos tuvieron que intentar volar el 757 mientras recibían lecturas de instrumentos contradictorias e incorrectas. Aunque eran pilotos muy experimentados, no pudieron regresar al aeropuerto y se estrellaron en el Pacífico.
Aquí son importantes tres aperturas en el sistema pitot-estático; el orificio de pitot principal, el orificio de puerto estático y el orificio de drenaje en el pitot. Los bloqueos en cada uno de ellos dan como resultado distintos tipos de errores que el piloto puede utilizar para diagnosticar dónde está el bloqueo y cómo superarlo.
Tubo de Pitot bloqueado con orificio de drenaje transparente
En este caso, el aire ram no puede entrar en la línea de presión de Pitot. Dado que el orificio de drenaje aún está desbloqueado, el aire que ya está presente en las líneas de presión y el tubo Pitot se ventilará. La presión en el sistema cae hasta la presión atmosférica actual.
Recuerde que el ASI es el único instrumento que depende del tubo de Pitot. La lectura de la velocidad del aire bajará a cero en caso de esta falla ya que la presión dentro y fuera del diafragma es igual.
Tubo de Pitot bloqueado y orificio de drenaje bloqueado
Si el orificio de drenaje está bloqueado junto con el orificio de Pitot principal, la presión que ya está en el sistema no tiene adónde ir. Si vuela a una altitud constante, el ASI mostrará la misma velocidad aunque acelere o desacelere.
Sin embargo, si asciende o desciende, la diferencia entre la presión estática cambiante y la presión constante en el tubo de Pitot comenzará a mostrar que la velocidad del aire cambia, aunque de forma imprecisa.
La presión dinámica es constante, ya que queda atrapada, y la presión estática aumenta al descender. El ASI mostrará su velocidad aerodinámica disminuyendo cuando esté descendiendo, ¡incluso si acelera!
Si está en un ascenso, la presión estática disminuirá en comparación con la presión dinámica constante, y el ASI mostrará el aumento de la velocidad aerodinámica indicada, independientemente de su velocidad aerodinámica real.
Puedes ver cómo esto puede volverse peligroso. Si la velocidad del aire parece estar aumentando más allá de los niveles seguros, el instinto del piloto es reducir la aceleración. Pero dado que estás en un ascenso, es posible que la aeronave ya esté volando a una velocidad aerodinámica lenta y podría entrar en pérdida si el piloto no se da cuenta del error y reduce el acelerador.
Puerto estático bloqueado y tubo Pitot transparente
Cuando el puerto estático está bloqueado, la presión en el sistema estático no tiene dónde ventilarse, por lo que permanece constante. Esto afecta a los tres instrumentos. El VSI siempre mostrará cero y el altímetro se congelará a la altitud donde ocurrió el bloqueo.
El ASI tiene una entrada desde el puerto estático así como desde el tubo pitot, por lo que no se congelará ni mostrará cero. Deberá tener mucho cuidado porque parecerá que todavía está funcionando, ¡pero dará lecturas inexactas!
Dado que la presión estática en la carcasa ASI está atrapada, solo mostrará una lectura válida a la altitud donde ocurrió el bloqueo. El instrumento no podrá experimentar un cambio en la presión estática cuando la aeronave ascienda o descienda.
Esto significa que la velocidad aerodinámica real de la aeronave será mayor que la lectura que se muestra en el ASI cuando la aeronave vuele por encima de la altitud en la que se produjo el bloqueo.
Al volar por debajo de la altitud donde ocurrió el bloqueo, la velocidad aerodinámica real será menor que la lectura indicada por el ASI.
Cuanto más se aleje la aeronave de la altitud del incidente, mayor será la discrepancia en las lecturas del ASI.
¿Cómo solucionamos las fallas en vuelo?
El bloqueo más común durante el vuelo ocurre debido a la formación de hielo. Es más probable que la formación de hielo afecte el tubo de Pitot, ya que está montado en el exterior mirando hacia el flujo de aire. El diámetro estrecho del tubo también favorece la acumulación de hielo.
Reparación de obstrucciones en el tubo de Pitot
En caso de que observe humedad visible durante el vuelo, puede usar el interruptor de calor de Pitot para encender los elementos de calefacción eléctrica dentro del tubo de Pitot. Este es un paso preventivo que toman los pilotos cuando vuelan en condiciones en las que es probable que se forme hielo.
Si el piloto no enciende el pitot heat, el hielo se acumulará progresivamente y comenzará a afectar los instrumentos como se describe en la sección anterior. Si el piloto enciende el calentador de Pitot después de notar que los instrumentos funcionan mal, los calentadores tardarán un tiempo en derretir la acumulación de hielo dentro del tubo de Pitot.
El hielo derretido debe salir por el orificio de drenaje. La mayoría de los tubos Pitot también tienen un elemento calentador colocado cerca del orificio de drenaje.
El ejemplo más conocido de un accidente de avión relacionado con la formación de hielo en los tubos de Pitot es el vuelo 447 de Air France. El Airbus A330 comenzó a mostrar lecturas de instrumentos erróneas cuando se congelaron los tubos de Pitot. Los pilotos intentaron hacer volar el avión basándose en las lecturas incorrectas y entraron en pérdida que los condujo al Océano Atlántico.
Reparación de bloqueos de puertos estáticos
Es más raro que el puerto estático esté bloqueado por formación de hielo. Como está al ras del fuselaje, la estela ayuda a mantenerlo despejado.
Si los pilotos determinan que el puerto estático está bloqueado, pueden usar la fuente estática alternativa. Algunas aeronaves están equipadas con un interruptor de fuente estática alternativa. Este interruptor permite que el sistema estático use la presión de aire de la cabina en lugar de la entrada del puerto estático externo.
Las lecturas de la fuente estática alternativa no serán tan precisas como las del puerto externo, pero es mejor tener un altímetro menos preciso que uno congelado.
El Manual de operaciones del piloto (POH) o el Manual de vuelo de la aeronave (AFM) de la aeronave deben tener datos sobre las correcciones que debe realizar mientras los instrumentos utilizan la fuente estática alternativa.
¿Qué hace si su aeronave no tiene una función de fuente estática alternativa?
¡Se sorprenderá al saber que el mejor curso de acción, en ese caso, es romper el cristal de uno de los instrumentos de Pitot-estático!
Romper el vidrio permite que el aire de la cabina ingrese a las líneas estáticas y hará que los instrumentos se comporten de manera similar al uso de la fuente estática alternativa.
Cuando rompas el cristal, probablemente destruirás el instrumento. Se recomienda sacrificar el indicador de velocidad vertical si es necesario, ya que es el instrumento menos importante de los tres.
¿Cómo prevenir bloqueos en el suelo?
Cuando está estacionado en la pista, el avión se enfrenta a otras amenazas para el sistema pitot-estático.
Las posibilidades de bloqueos por suciedad y partículas de polvo aumentan si la aeronave está estacionada en un entorno ventoso durante un período de tiempo prolongado.
Los pequeños agujeros también son muy atractivos para los insectos, que incluso podrían intentar construir nidos en el interior.
Aquí hay una perspectiva de cuán serio es esto: la causa probable del accidente del vuelo 301 de Birgenair, un Boeing 757 que transportaba a 189 personas, fue un nido de avispas construido dentro del tubo de Pitot. La aeronave había pasado al menos dos días estacionada con los tubos de Pitot descubiertos, tiempo suficiente para que las avispas bloquearan uno de los tubos de Pitot.
Para evitar incidentes similares, los pilotos o el personal de tierra cubren los tubos de Pitot con una cubierta de colores brillantes que tiene la etiqueta «Retirar antes del vuelo».
La cubierta de pitot es uno de los elementos que la tripulación de vuelo verifica en cada recorrido previo al vuelo de la aeronave. Si olvida quitar la cubierta de pitot antes de la salida, no tendrá ninguna información de velocidad aerodinámica y no podrá recuperarla hasta que aterrice.
Las consecuencias de dejar el puerto estático bloqueado antes de la salida son más graves, ya que el puerto estático proporciona entrada a los tres instrumentos pitot-estático en comparación con la única entrada del tubo pitot al ASI.
El incidente de Aeroperú mencionado anteriormente es un buen recordatorio para que también verifique los puertos estáticos en su recorrido.
¿Por qué no tener el Pitot Heat encendido todo el tiempo?
Cuando estás en vuelo, no solo el aire circundante está más frío, sino que el calor también sale del tubo Pitot por convección del aire que se aproxima.
No hay mucha pérdida de calor por convección cuando está parado en el suelo, por lo que el calor continuará acumulándose si el pitot todavía está encendido. ¡El tubo puede calentarse hasta varios cientos de grados si lo enciende durante un período prolongado de tiempo mientras está en el suelo!
Recuerde que debe colocar la cubierta de Pitot en el tubo cuando esté asegurando el avión después del vuelo. ¡Si el tubo de Pitot aún está caliente, podría quemarse la mano o incluso derretir la cubierta!
También hay dos razones secundarias para no dejar el pitot encendido todo el tiempo.
Una razón es evitar que los elementos calefactores se desgasten antes de tiempo.
La otra razón es reducir la carga en el sistema eléctrico de la aeronave.
Los aviones comerciales grandes tienen suficiente energía eléctrica disponible, pero los aviones pequeños de aviación general solo están equipados con una batería pequeña. La batería se utiliza para alimentar algunos instrumentos, luces de aeronaves, radios y otros equipos, incluido el pitot heat.
La batería se carga continuamente mientras el motor está funcionando, pero en caso de falla del motor, la cantidad de tiempo que la batería puede durar depende del consumo de energía de la aeronave.
Dejar el pitot encendido puede robarle la preciosa energía de la batería cuando la necesite. Es por eso que es mejor usarlo solo cuando vuele en condiciones conocidas de formación de hielo.
Otras fuentes de errores
El sistema pitot-estático también encuentra errores que son menos drásticos pero aún bastante significativos. Una pequeña cantidad de error es aceptable para las operaciones de vuelo normales y no es práctico eliminarlo por completo.
Pequeños errores en el puerto estático
El puerto estático es vulnerable a errores de posición. Los fabricantes de aeronaves intentan colocar el puerto estático en una posición en el fuselaje donde pueda medir la presión atmosférica sin ninguna influencia del movimiento de la aeronave.
En realidad, no es posible tener un error de posición cero en todos los ángulos de ataque que experimenta la aeronave, pero el puerto estático se coloca en una ubicación donde el error es lo más bajo posible.
Pequeños errores en el tubo de Pitot
El tubo de Pitot no experimenta error de posición. Mide la presión total o de estancamiento, que es igual en todos los puntos de una línea de corriente. Sin embargo, el tubo de Pitot experimenta un error de alineación.
Cuando la aeronave no está volando en línea recta y nivelada, como cuando vuela en un banco, en un deslizamiento lateral o con una actitud de morro hacia arriba o hacia abajo significativa, el sistema pitot-estático no recibe todos los flujos de aire que experimenta la aeronave.
Algunos de los flujos de aire pueden estar bloqueados por el propio fuselaje o porque la abertura no es perpendicular al viento relativo debido a la orientación de la aeronave.
Un flujo de aire reducido da como resultado una presión dinámica reducida, lo que significa que el ASI no mostrará la velocidad real de la aeronave en el aire. Este error se denomina error de alineación.
El tubo de Pitot debe proporcionar lecturas precisas hasta que el viento relativo tenga un ángulo de alrededor de 15 grados con respecto al tubo de Pitot. Un ángulo tan grande solo ocurre en ángulos de ataque extremos, como cuando el avión está a punto de entrar en pérdida.
Dado que es probable que el ASI sea inexacto en ese ángulo, debe confiar en la bocina de advertencia de entrada en pérdida en lugar de la velocidad aerodinámica que se muestra en el ASI para determinar si la aeronave está a punto de entrar en pérdida.
¿Cómo contrarrestamos los pequeños errores?
Los pequeños errores en el sistema pitot-estático se contrarrestan mediante el uso de múltiples tubos pitot y puertos estáticos en ambos lados del fuselaje del avión.
Cuando la aeronave está en un banco o se ve afectada por el viento de un lado, las lecturas de presión en cualquier lado del fuselaje serán diferentes.
El uso de sistemas estáticos de Pitot con entradas de ambos lados que alimentan una línea de presión común reduce considerablemente los errores más pequeños.
Los aviones más grandes a menudo tienen múltiples sistemas pitot-estático que son independientes entre sí. Los aviones de pasajeros suelen utilizar un sistema separado para los instrumentos del capitán, otro para los instrumentos del primer oficial y, en algunos casos, un tercer sistema pitot-estático para los instrumentos de reserva. Los sistemas separados e independientes proporcionan redundancia, lo cual es bueno para instrumentos tan importantes para el vuelo como estos.
Durante la carrera de despegue, el Pilot Not Flying (PNF) vigila el indicador de velocidad aerodinámica y anuncia una velocidad aerodinámica, generalmente de 80 nudos. El Pilot Flying (PF) mira su propio ASI y verifica que también está leyendo la misma velocidad aerodinámica.
Es posible que su avión de aviación general solo tenga un indicador de velocidad aerodinámica y un sistema pitot-estático, pero sigue siendo una buena idea indicar su velocidad aerodinámica durante la carrera de despegue. ¡Esto le permite saber que su tubo de Pitot no está bloqueado y que no se ha olvidado de quitar la cubierta de Pitot!
Conclusión
El indicador de velocidad aerodinámica, el altímetro y el indicador de velocidad vertical son tres de los seis instrumentos básicos de vuelo. Aunque el sistema que les proporciona entradas funciona solo con presión de aire, diagnosticar y corregir errores en el sistema puede ser complicado. Saber cómo funciona el sistema y, lo que es más importante, cómo falla, lo ayuda a estar más preparado para su próximo vuelo.
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