Sistema Pitot-estático

Un sistema de Pitot-estático es un sistema de instrumentos sensibles a la presión que se utiliza con mayor frecuencia en la aviación para determinar la velocidad aerodinámica , el número de Mach , la altitud y la tendencia de altitud de una aeronave . Un sistema de Pitot-estático generalmente consta de un tubo de Pitot , un puerto estático y los instrumentos de Pitot-estático. ^[1] Otros instrumentos que pueden estar conectados son las computadoras de datos aéreos , las grabadoras de datos de vuelo , los codificadores de altitud, los controladores de presurización de la cabina y varios interruptores de velocidad aerodinámica. Los errores en las lecturas del sistema de Pitot-estático pueden ser extremadamente peligrosos ya que la información obtenida del sistema de Pitot-estático, como la altitud, es potencialmente crítica para la seguridad. Varios desastres de aerolíneas comerciales se han atribuido a una falla del sistema de Pitot-estático. ^[2]

El Código de Regulaciones Federales (CFR) requiere que los sistemas Pitot-estáticos instalados en aeronaves registradas en EE. UU. sean probados e inspeccionados cada 24 meses calendario. ^[3]

El sistema de instrumentos Pitot-estático utiliza el principio del gradiente de presión del aire . Funciona midiendo presiones o diferencias de presión y utilizando estos valores para evaluar la velocidad y la altitud. ^[1] Estas presiones se pueden medir desde el puerto estático (presión estática) o desde el tubo de Pitot (presión de Pitot). La presión estática se utiliza en todas las mediciones, mientras que la presión de Pitot se utiliza solo para determinar la velocidad del aire.

La presión de Pitot se obtiene del tubo de Pitot . La presión de Pitot es una medida de la presión de aire de impacto (la presión de aire creada por el movimiento del vehículo o el aire que choca contra el tubo), que, en condiciones ideales, es igual a la presión de estancamiento , también llamada presión total. El tubo de Pitot se ubica con mayor frecuencia en el ala o en la sección delantera de una aeronave, mirando hacia adelante, donde su abertura está expuesta al viento relativo . ^[1] Al ubicar el tubo de Pitot en tal ubicación, la presión de aire de impacto se mide con mayor precisión, ya que estará menos distorsionada por la estructura de la aeronave. Cuando aumenta la velocidad aerodinámica, aumenta la presión de aire de impacto, lo que puede traducirse por el indicador de velocidad aerodinámica . ^[1]

La presión estática se obtiene a través de un puerto estático. El puerto estático suele ser un orificio empotrado en el fuselaje de una aeronave y se ubica donde puede acceder al flujo de aire en un área relativamente tranquila. ^[1] Algunas aeronaves pueden tener un solo puerto estático, mientras que otras pueden tener más de uno. En situaciones en las que una aeronave tiene más de un puerto estático, generalmente hay uno ubicado a cada lado del fuselaje. Con esta posición, se puede tomar una presión promedio, lo que permite lecturas más precisas en situaciones de vuelo específicas. ^[1] Se puede ubicar un puerto estático alternativo dentro de la cabina de la aeronave como respaldo para cuando el o los puertos estáticos externos estén bloqueados. Un tubo de Pitot-estático integra de manera efectiva los puertos estáticos en la sonda de Pitot. Incorpora un segundo tubo (o tubos) coaxial con orificios de muestreo de presión en los lados de la sonda, fuera del flujo de aire directo, para medir la presión estática. Cuando la aeronave asciende, la presión estática disminuirá.

Algunos sistemas de tubo de Pitot-estático incorporan sondas individuales que contienen múltiples puertos de transmisión de presión que permiten la detección de datos de presión de aire, ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral. Según el diseño, estas sondas de datos de aire pueden denominarse sondas de datos de aire de 5 o 7 orificios. Se pueden utilizar técnicas de detección de presión diferencial para producir indicaciones de ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral.

El sistema de Pitot-estático obtiene presiones para su interpretación por parte de los instrumentos de Pitot-estático. Si bien las explicaciones a continuación explican los instrumentos mecánicos tradicionales, muchas aeronaves modernas utilizan un computador de datos aéreos (ADC) para calcular la velocidad aerodinámica, la velocidad de ascenso, la altitud y el número de Mach . En algunas aeronaves, dos ADC reciben la presión total y estática de tubos de Pitot y puertos estáticos independientes, y el computador de datos de vuelo de la aeronave compara la información de ambos computadores y verifica uno con el otro. También existen "instrumentos de reserva", que son instrumentos neumáticos de respaldo que se emplean en caso de problemas con los instrumentos primarios.

El indicador de velocidad aerodinámica está conectado tanto a la fuente de presión de Pitot como a la fuente de presión estática. La diferencia entre la presión de Pitot y la presión estática se denomina presión dinámica. Cuanto mayor sea la presión dinámica, mayor será la velocidad aerodinámica informada. Un indicador de velocidad aerodinámica mecánico tradicional contiene un diafragma de presión que está conectado al tubo de Pitot. La caja alrededor del diafragma es hermética y se ventila al puerto estático. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la presión del ariete, mayor será la presión ejercida sobre el diafragma y mayor será el movimiento de la aguja a través del enlace mecánico. ^[4]

El altímetro de presión, también conocido como altímetro barométrico, se utiliza para determinar los cambios en la presión del aire que se producen a medida que cambia la altitud de la aeronave. ^[4] Los altímetros de presión deben calibrarse antes del vuelo para registrar la presión como una altitud sobre el nivel del mar. La caja del instrumento del altímetro es hermética y tiene un respiradero hacia el puerto estático. Dentro del instrumento, hay un barómetro aneroide sellado . A medida que la presión en la caja disminuye, el barómetro interno se expande, lo que se traduce mecánicamente en una determinación de la altitud. Lo contrario es cierto cuando se desciende de altitudes mayores a menores. ^[4]

Las aeronaves diseñadas para operar a velocidades transónicas o supersónicas incorporan un machímetro. El machímetro se utiliza para mostrar la relación entre la velocidad aerodinámica real y la velocidad del sonido . La mayoría de las aeronaves supersónicas están limitadas en cuanto al número de Mach máximo que pueden volar, lo que se conoce como el "límite de Mach". El número de Mach se muestra en un machímetro como una fracción decimal . ^[4]

El variómetro , también conocido como indicador de velocidad vertical (VSI) o indicador de velocidad vertical (VVI), es el instrumento de Pitot-estático que se utiliza para determinar si una aeronave está volando o no en vuelo nivelado. ^[5] La velocidad vertical muestra específicamente la velocidad de ascenso o la velocidad de descenso, que se mide en pies por minuto o metros por segundo. ^[5] La velocidad vertical se mide a través de un enlace mecánico a un diafragma ubicado dentro del instrumento. El área que rodea el diafragma se ventila al puerto estático a través de una fuga calibrada (que también puede conocerse como un "difusor restringido"). ^[4] Cuando la aeronave comienza a aumentar la altitud, el diafragma comenzará a contraerse a un ritmo más rápido que el de la fuga calibrada, lo que hará que la aguja muestre una velocidad vertical positiva. Lo inverso de esta situación es cierto cuando una aeronave está descendiendo. ^[4] La fuga calibrada varía de un modelo a otro, pero el tiempo promedio para que el diafragma iguale la presión es de entre 6 y 9 segundos. ^[4]

Existen varias situaciones que pueden afectar la precisión de los instrumentos de Pitot-estático. Algunas de ellas implican fallas del propio sistema de Pitot-estático, que pueden clasificarse como "fallas del sistema", mientras que otras son el resultado de una colocación defectuosa del instrumento u otros factores ambientales, que pueden clasificarse como "errores inherentes". ^[6]

Un tubo de Pitot bloqueado es un problema de pitot-estático que solo afectará a los indicadores de velocidad aerodinámica. ^[6] Un tubo de Pitot bloqueado hará que el indicador de velocidad aerodinámica registre un aumento en la velocidad aerodinámica cuando la aeronave asciende, aunque la velocidad aerodinámica real sea constante. (Siempre que el orificio de drenaje también esté bloqueado, ya que de lo contrario la presión del aire se filtraría a la atmósfera). Esto se debe a que la presión en el sistema de Pitot permanece constante cuando la presión atmosférica (y la presión estática ) están disminuyendo. Por el contrario, el indicador de velocidad aerodinámica mostrará una disminución en la velocidad aerodinámica cuando la aeronave desciende. El tubo de Pitot es susceptible de obstruirse con hielo, agua, insectos o alguna otra obstrucción. ^[6] Por esta razón, las agencias reguladoras de la aviación como la Administración Federal de Aviación de los EE. UU. (FAA) recomiendan que se revise el tubo de Pitot para detectar obstrucciones antes de cualquier vuelo. ^[5] Para evitar la formación de hielo, muchos tubos de Pitot están equipados con un elemento calefactor. Se requiere un tubo de Pitot calentado en todas las aeronaves certificadas para vuelo por instrumentos, excepto las aeronaves certificadas como Experimental Amateur-Built. ^[6]

Un puerto estático bloqueado es una situación más grave porque afecta a todos los instrumentos de Pitot y estáticos. ^[6] Una de las causas más comunes de un puerto estático bloqueado es la formación de hielo en la estructura del avión. Un puerto estático bloqueado hará que el altímetro se congele en un valor constante, la altitud a la que el puerto estático se bloqueó. El indicador de velocidad vertical leerá cero y no cambiará en absoluto, incluso si la velocidad vertical aumenta o disminuye. El indicador de velocidad aerodinámica revertirá el error que ocurre con un tubo de Pitot obstruido y hará que la velocidad aerodinámica se lea menos de lo que es realmente a medida que el avión asciende. Cuando el avión está descendiendo, la velocidad aerodinámica se sobreinformará. En la mayoría de los aviones con cabinas no presurizadas, hay una fuente estática alternativa disponible y se puede seleccionar desde dentro de la cabina . ^[6]

Los errores inherentes pueden clasificarse en varias categorías, cada una de las cuales afecta a diferentes instrumentos. Los errores de densidad afectan a los instrumentos que miden la velocidad aerodinámica y la altitud. Este tipo de error es causado por variaciones de presión y temperatura en la atmósfera. Un error de compresibilidad puede surgir porque la presión de impacto hará que el aire se comprima en el tubo de Pitot. A la altitud de presión estándar a nivel del mar, la ecuación de calibración (ver velocidad aerodinámica calibrada ) tiene en cuenta correctamente la compresión, por lo que no hay error de compresibilidad a nivel del mar. A altitudes superiores, la compresión no se tiene en cuenta correctamente y hará que el instrumento lea una velocidad aerodinámica mayor que la equivalente . Se puede obtener una corrección a partir de un gráfico. El error de compresibilidad se vuelve significativo a altitudes superiores a 10 000 pies (3000 m) y a velocidades aerodinámicas superiores a 200 nudos (370 km/h). La histéresis es un error causado por las propiedades mecánicas de las cápsulas aneroides ubicadas dentro de los instrumentos. Estas cápsulas, que se utilizan para determinar las diferencias de presión, tienen propiedades físicas que resisten al cambio al mantener una forma determinada, aunque las fuerzas externas hayan cambiado. Los errores de inversión son causados ​​por una lectura de presión estática falsa. Esta lectura falsa puede ser causada por cambios anormalmente grandes en el cabeceo de una aeronave. Un gran cambio en el cabeceo causará una demostración momentánea de movimiento en la dirección opuesta. Los errores de inversión afectan principalmente a los altímetros y a los indicadores de velocidad vertical. ^[6]

Otra clase de errores inherentes es el error de posición . Un error de posición se produce cuando la presión estática de la aeronave es diferente de la presión del aire a distancia de la aeronave. Este error es causado por el aire que fluye más allá del puerto estático a una velocidad diferente de la velocidad aerodinámica real de la aeronave . Los errores de posición pueden proporcionar errores positivos o negativos, dependiendo de uno de varios factores. Estos factores incluyen la velocidad aerodinámica, el ángulo de ataque , el peso de la aeronave, la aceleración, la configuración de la aeronave y, en el caso de los helicópteros, la corriente descendente del rotor . ^[6] Hay dos categorías de errores de posición, que son "errores fijos" y "errores variables". Los errores fijos se definen como errores que son específicos de un modelo particular de aeronave. Los errores variables son causados ​​por factores externos como paneles deformados que obstruyen el flujo de aire o situaciones particulares que pueden sobrecargar la aeronave. ^[6]

Los errores de retardo se deben a que cualquier cambio en la presión estática o dinámica fuera de la aeronave requiere una cantidad finita de tiempo para llegar a los tubos y afectar a los medidores. Este tipo de error depende de la longitud y el diámetro de los tubos, así como del volumen dentro de los medidores. ^[7] El error de retardo solo es significativo en el momento en que la velocidad aerodinámica o la altitud están cambiando. No es un problema para un vuelo nivelado y constante.

• 1 de diciembre de 1974 – El vuelo 6231 de Northwest Airlines , un Boeing 727 , se estrelló al noroeste del Aeropuerto Internacional John F. Kennedy durante el ascenso en ruta al Aeropuerto Internacional Buffalo Niagara debido al bloqueo de los tubos de Pitot por el hielo atmosférico .
• 6 de febrero de 1996: el vuelo 301 de Birgenair se estrelló en el mar poco después del despegue debido a lecturas incorrectas del indicador de velocidad aerodinámica. La causa sospechada es un tubo de Pitot bloqueado (esto nunca se confirmó, ya que los restos del avión no fueron recuperados). ^[8]
• 2 de octubre de 1996 – El vuelo 603 de Aeroperú se estrelló debido a un bloqueo de los puertos estáticos. Los puertos estáticos del lado izquierdo del avión habían sido tapados con cinta adhesiva mientras se enceraba y limpiaba el avión. Una vez realizado el trabajo, la cinta no fue retirada. ^[9]
• 23 de febrero de 2008: un bombardero B-2 despegó de la base aérea Andersen en Guam y se estrelló después de entrar en pérdida. El accidente se debió a la humedad en los sensores de velocidad del aire. ^[10]
• 1 de junio de 2009 – La autoridad de seguridad aérea francesa BEA afirmó que la formación de hielo en el tubo de Pitot fue un factor que contribuyó al accidente del vuelo 447 de Air France . ^[11]

• Índice de artículos sobre aviación
• Auge de los datos aéreos
• Unidad de referencia inercial de datos aéreos
• Austral Líneas Aéreas Vuelo 2553
• Error de posición

• Lawford, JA y Nippress, KR (1983). Calibration of Air-Data Systems and Flow Direction Sensors (AGARD AG-300 – Vol.1, AGARD Flight Test Techniques Series; RW Borek, ed.). Consultado en Spaceagecontrol.com (PDF). Recuperado el 25 de abril de 2008.
• Kjelgaard, Scott O. (1988), Derivación teórica y técnica de calibración de una sonda de cinco orificios con punta hemisférica (Memorando técnico de la NASA 4047).

• Simulador de sistema Pitot estático basado en Macromedia Flash 8