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Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 7 – Navegación Aérea

Parte I: Conceptos básicos

Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez

Introducción

2 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

Lección 1: Conceptos básicos

Navegación aérea.

Sistemas de navegación.

Altimetría.

Anemometría.

Navegación aérea


Proceso de transitar de forma eficiente y segura entre dos puntos conocidos siguiendo una ruta determinada.

Acciones que componen el proceso de navegación:

Planificación de la ruta

Posicionamiento

Guiado del vehículo

La navegación se puede considerar como un proceso

de control con realimentación.

Sistemas de navegación


Permiten obtener, en cualquier instante:

Pueden clasificarse en dos grandes grupos: Autónomos Navegación autónoma

No autónomos Navegación por posicionamiento

Se tiende a la integración de ambos (complementarios)

Posición

Actitud

Velocidad

Tiempo

Emplea dispositivos internos de la aeronave sin necesidad de sistemas externos. Pe: navegación inercial

Emplea medidas externas como referencia para obtener posición.

navegación visual, navegación astronómica, navegación basada en radioayudas, navegación por satélite



Instrumentos básicos de vuelo y navegación: Anemómetro Horizonte Altímetro Artificial Bastón y bola Indicador Variómetro de Rumbo

(altitud) (balance y cabeceo)

velocidad del avión respecto al aire

(velocidad angular De viraje)

(velocidad vertical) (dirección)



Instrumentos básicos de vuelo y navegación:

Altimetría


Altura // Altitud // Elevación: Altura: distancia vertical entre el avión y un punto o nivel de la superficie terrestre Altitud: distancia vertical entre el avión y el nivel medio del mar Elevación: distancia vertical entre un punto o nivel de la superficie y el nivel medio del mar

Altimetría


Sensor Calculador Indicador

p h h

p

Todo instrumento consta de 3 partes principales

Altimetría


Altímetro barométrico: Proporciona medida de la altitud Para transformar medida de presión en lectura real → Atmosfera ISA En días calientes (fríos) la altitud real es mayor (menor) En con presión mayor (menor) la altitud real es mayor (menor)

Hp

p

∆T

Hp

p

∆p

∆T=0 ∆p=0

Altitud-presión (Hp)

Altimetría


Niveles de vuelo: Centésima parte de la lectura del altímetro expresada en ft y

redondeada al entero.

En la práctica: Niveles de vuelo equiespaciados 500 ft.

Hacia el Este Niveles “impares”: IFR: Acabados en 0 (210, 230) VFR: Acabados en 5 (135, 155)

Hacia el Oeste Niveles “pares”:

IFR: Acabados en 0 (220, 240) VFR: Acabados en 5 (125, 145)

1 ft = 0,3048 m

Reglas de vuelo instrumental (IFR): http://es.wikipedia.org/wiki/Reglas_de_vuelo_instrumental Reglas de vuelo visual (VFR): http://es.wikipedia.org/wiki/Reglas_de_vuelo_visual

http://es.wikipedia.org/wiki/Reglas_de_vuelo_instrumental



http://es.wikipedia.org/wiki/Reglas_de_vuelo_visual

http://es.wikipedia.org/wiki/Reglas_de_vuelo_visual

Altimetría


Reglajes:

Reglaje QNE o reglaje estándar. QNE =1013.25 mb. Se utiliza en ruta. La lectura del altímetro indica el nivel de vuelo.

Reglaje QFE. QFE = presión real en el aeropuerto Se utiliza en las proximidades del aeropuerto. Avión en tierra Lectura = 0.

Reglaje QNH. QNH = QFE + ∆pISA(hA) Se utiliza en las proximidades del aeropuerto. Avión en tierra Lectura = Elevación del aeropuerto (hA).

Altimetría


Altitud de transición (TA):

Reglaje local(QFE ó QNH) reglaje estándar. España: 6000 ft, salvo excepciones:

Aerop. de Granada: 7000 ft. Aerop. de Madrid: 13000 ft.

Nivel de transición (TL):

Reglaje estándar reglaje local. España: TA + 1000 ft.

Variable en función del TMA y de las rutas.

Anemometría


Anemómetro: Indica velocidad IAS (kt).

IAS = CAS, salvo errores del instrumento. 1kt = 1nmi/h = 1.852 km/h = 0.5144 m/s. Medida del Pito-Tube

En régimen incompresible: CAS = EAS. De la ecuación de Bernoulli

TAS requiere tomar dos medidas CAS requiere tomar una medida

Vuelo a CAS/Mach constante: CAS=cte: h↑ → TAS↑ M=cte: h↑ → TAS↓ en Tropos. y TAS=cte en Estratos.

IAS – Indicated Air Speed CAS – Calibrated Air Speed EAS – Equivalen Air Speed TAS – True Air Speed

𝑞𝑐 - impact pressure (presión dinámica)

http://en.wikipedia.org/wiki/Indicated_airspeed







http://en.wikipedia.org/wiki/Calibrated_airspeed







http://en.wikipedia.org/wiki/Equivalent_airspeed





http://en.wikipedia.org/wiki/True_airspeed





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Sergio Esteban Roncero Antonio Franco Espín

Francisco Gavilán Jiménez Alfonso Valenzuela Romero

Parte II: Navegación basada en radioayudas

Curso 2011-2012


Índice

Introducción: rumbo, ruta, radiales. Navegación VOR/DME.

Fundamentos. Indicador.

ILS. Fundamentos. Indicador.

Introducción I

Norte geográfico: definido por un sistema de coordenadas ligado a la superficie de la Tierra.

Norte magnético: definido por el campo magnético. Declinación: diferencia entre el norte geográfico y el

magnético.

Fuente: University of Tromsø isogónicas

Introducción II

Rumbo (heading): dirección del eje longitudinal del avión respecto a una referencia (rumbo verdadero o geográfico, o rumbo magnético).

Ruta o curso (bearing): dirección de la proyección sobre la superficie terrestre de la trayectoria del avión respecto a una referencia (ruta verdadera o geográfica, o ruta magnética).

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Navegación VOR/DME


VOR (VHF Omnidirectional Range): radiofaro omnidireccional. Radial de una estación: curso magnético definido desde la estación.

DME (Distance Measurement Equipment): medidor de la distancia a la estación.

-Interrogación de pares de pulsos (12𝜇) -Constestación equipo tierra pares de pulsos (50𝜇) -Equipo calcula distancia (tiempo desde que preguntó) -Tiempos se multiplican por velocidad de la luz (300m/𝜇)

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VOR - VHF Omnidirectional Radio Range


Radio ayuda a la navegación para seguir una ruta preestablecida Hay distancias terrestres distribuidas (por general una en cada aeropuertos) Estación que emite una señal de radiofrequencia VHF en todas las direcciones

Rango máximo de 320 km Se suele emplear conjuntamente con un DME

VOR

VOR-DME

VORTAC (Tactical Air Navigation System)

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Indicador VOR


OBS: - selector de radiales

CDI: - indicador desviación de curso - indica donde se encuentra el radial seleccionado en el OBS o prolongación - CDI centrado el avión está centrado en el radial seleccionado - La forma de navegar es acercarse al CDI TO-FROM: - Define si se está hacía la estación o desde la estación

Video VOR

Se puede identificar la posición del avión empleando 2 estaciones VOR

3 señales - Morse: id estación - Referencia - Variable Analogía Faro

Calcula la diferencia de fase

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Indicador VOR


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ILS I


ILS (Instrument Landing System): sistema de ayuda a la aproximación y aterrizaje. Cobertura de hasta 25 NM. Compuesto de: localizador, glideslope (senda de planeo) y markers (radio balizas).

Image created by treesmill

Image created by Herr-K

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ILS II


Markers: radiobalizas. OM (Outer Marker): ubicado a 7.2 km del umbral

de pista (o, si no es posible, entre 6.5 y 11.1 km) MM (Medium Marker): ubicado a 1050 ± 150 m

del umbral de pista. IM (Inner Marker): ubicado entre 75 y 450 m del

umbral de pista. No es obligatorio.

Emiten señal cuando el avión pasa por encima de ellas

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Inner_Marker_Indicator.gif

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ILS III


Categoría del ILS: corresponde a la precisión que da el instrumento, en función de los parámetros DH (Decision Height) y RVR (Runway Visual Range). La aproximación puede comenzarse si el RVR está por encima de un mínimo especificado. El piloto sigue el guiado del ILS hasta la altura DH. Si a esa altura se puede ver la pista, se continúa la aproximación, si no, debe realizarse un go-around.

La aeronave debe tener la capacidad correspondiente a la categoría del ILS.

Categoría 1 2 3A 3B 3C Mín RVR (m) 550 350 200 50 0 DH (ft) 200 100 100 50 0

DH – altura de decisión RVR – indica un mínimo de visibilidad

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Indicador ILS


Video

http://www.luizmonteiro.com Simuladores VOR e ILS

http://www.luizmonteiro.com/


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Parte III: Planificación de vuelo

Curso 2011-2012


Índice

Planificación de ruta IFR SID, Aerovías, STAR, IAP.

Planificación del perfil vertical. Pesos (máximos) operativos.

Carga de combustible. Rodaje, vuelo, reserva.

Diagrama alcance-carga de pago


Planificación de ruta IFR (I)


Selección de la pista. METAR: proporciona información metereológica

Las rutas IFR están compuestas por:

SID (Standard Instrument Departure)

Aerovías

STAR (Standard Terminal Arrival Route)

IAP (Instrument Approach)

Planificación de ruta IFR (II)

SID (Standard Instrument Departure):

Fase inicial de la ruta.

Desde la pista de despegue hasta la aerovía.

Aerovías:

Mayor parte de la ruta.

Pueden ser de nivel inferior (por debajo de FL245) o superior.

Empiezan y terminan en un VOR.

Pueden ser de un solo sentido o de dos.


Cartas – SID SVQ Cartas – Espacio Aéreo Superior Cartas – STAR SVQ

Planificación de ruta IFR (III)

STAR (Standard Terminal Arrival Route) :

Fase de la ruta previa a la aproximación.

Desde la aerovía hasta la fase de aproximación final.

Termina en el punto IAF (Initial Approach Fix).

IAP (Instrument Approach):

Parte final de la ruta.

Aproximación de la aeronave a la pista de servicio, comenzando en el IAF.

Incluye el procedimiento de frustrada (missed approach).



Planificación del perfil vertical (I)

Consiste en la determinación de:

El nivel o los niveles de vuelo a lo largo de la ruta.

El punto Top Of Descent (TOD).

Requiere determinar otros parámetros:

Pesos de la aeronave en las distintas etapas de vuelo.

Velocidades de operación de la aeronave en las distintas etapas de vuelo.



SID

Pista 9


SID (Standard Instrument Departure):

STAR

Pista 9


STAR (Standard Terminal Arrival Route)

Planificación del perfil vertical (II)

Pesos operativos:


BEW Crew + Catering PL Reserve Trip Taxi

OEW (Operational Empty Weight)

AZFW (Actual Zero Fuel Weight)

LW (Landing Weight)

ATOW (Actual Take Off Weight)

ARW (Actual Ramp Weight)

Basic Empty Weight Payload

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Carga de combustible


Según la norma: No se iniciará ningún vuelo si (…) el avión no lleva

combustible suficiente para completar el vuelo con seguridad. El total del combustible cargado es suma de:

Rodaje (taxi): Para maniobras en tierra: desde la puesta en marcha, hasta la suelta de

frenos. Cantidad fija para avión y condiciones de aeropuerto

Vuelo (trip): Para volar del origen al destino planificado. Comprende todas las fases de vuelo: subida, crucero, descenso,

aproximación y aterrizaje

Reserva (reserve): Para proceder al alternativo y espera, así como contingencias en ruta. Alternativo: frustrar en destino y aeropuerto alternativo Espera: 30 min a 1500 ft sobre el alternativo Contingencias (en ruta): exceso de consumo por condiciones

operativas distintas suele ser 5% del combustible (trip)

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Diagrama alcance-carga de pago


OEW (Operational Empty Weight)

AZFW (Actual Zero Fuel Weight)

LW (Landing Weight)

ATOW (Actual Take Off Weight)

ARW (Actual Ramp Weight)

ARW = ATOW + (taxi) ATOW = AZDW + (Trip + Reserve)

AZFW = OEW + PL OEW = BEW + (Tripulación + Catering)

LW = ATOW – (Trip)

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Máximo combustible


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Parte IV: Trayectoria de vuelo

Curso 2011-2012


Índice

Introducción. Optimización de trayectorias. Viento.

Introducción

Para determinar la trayectoria de vuelo en cada instante es necesario definir 3 condiciones (en vuelo simétrico) llamadas ligaduras de vuelo.

Segmento de vuelo: parte de la trayectoria definida por un conjunto de ligaduras de vuelo. Cada vez que cambia una ligadura cambia el segmento.

La trayectoria está formada por la unión de segmentos de vuelo.

Las ligaduras deben ser compatibles entre sí, y deben definir tanto el perfil vertical como el horizontal.

Ejemplos de ligaduras: subida: empuje de subida y CAS y rumbo constantes; crucero: altitud, Mach y rumbo constantes; viraje horizontal: altitud, CAS y ángulo de alabeo constantes.

Optimización de trayectorias

Las trayectorias de vuelo se definen de forma que sean óptimas respecto de algún criterio.

Mínimo consumo combustible, mín. coste, min impacto ambiental…

Para minimizar el coste las aerolíneas definen el Direct Operating Cost (DOC): Coste del combustible + coste del tiempo

cF es el coste por unidad de combustible (en $/kg), mF es el consumo de combustible (en kg), ct es el coste por unidad de tiempo (en $/hr), tf el tiempo de vuelo(en hr) y CI el Cost Index (en kg/s). CI = 0 corresponde al mínimo consumo combustible

( )tCImctcmcDOC

FF

tFF

⋅+=⋅+=

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Viento


Se mide por su: magnitud (siempre es velocidad con respecto de tierra), y dirección de donde vienen el viento (respecto del norte geográfico).

Ejemplo: : sopla del oeste Triángulo del viento:

El viento se puede descomponer en 2 componentes: viento cruzado (perpendicular a la ruta), y viento en cara/cola (paralelo a la ruta):

Modifica tiempo de vuelo y consumo de combustible Deriva: diferencia entre rumbo y ruta. Se tienen: ángulo de

deriva y ángulo de corrección de deriva.

kt40/º270=wr

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Parte V: Procedimientos de vuelo

Curso 2011-2012


Introducción

Los procedimientos de vuelo están descritos en el documento

ICAO Doc. 8168. Procedures for Air Navigation Services. Aircraft Operations. Vol. I, Flight Procedures.

Entre otros, contiene procedimientos de salida, de llegada, en ruta, de espera, para reducción de ruido y para helicópteros.


One-engine inoperative takeoff flightpath (OEI)

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Ejemplo: esperas (holdings)

Finalidad: proporcionar un espacio donde los aviones puedan aguardar su turno para continuar su vuelo cuando el número de aviones excede la capacidad del sistema.

Circuito de espera:

2 tramos rectos: - Acercamiento (inbound) - Alejamiento (outbound) - Duración: 1 min (14000 ft) / 1:30 2 virajes: - 3º/sec o a 25º ángulo de alabeo lo

que de un menor ángulo de alabeo Punto de recalado (holding fix) - Definido por radio ayuda Espera estándar: virajes a derecha 3 procedimientos para entrar en espera - Entrada paralela - Entrada desplazada - Entrada directa


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Viraje Estacionario - V A standard holding pattern uses right-hand turns and takes approximately

4 minutes to complete: one minute for each 180 degree turn, and two one-minute straight ahead sections). Deviations from this pattern can happen if long delays are expected; longer legs

(usually two or three minutes) may be used, or aircraft with distance measuring equipment (DME) may be assigned patterns with legs defined in nautical miles rather than minutes.

Less frequent turns are more comfortable for passengers and crew. Additionally, left-hand turns may be assigned to some holding patterns if there are airspace or traffic restrictions nearby.

Aircraft flying in circles is an inefficient (and hence costly) usage of time and fuel, so measures are taken to limit the amount of holding necessary.

Many aircraft have a specific holding speed published by the manufacturer; this is a lower speed at which the aircraft uses less fuel per hour than normal cruise speeds. A typical holding speed for transport category aircraft is 210 to 265 knots (491 km/h).


http://en.wikipedia.org/wiki/Distance_measuring_equipment

http://en.wikipedia.org/wiki/Distance_measuring_equipment

http://en.wikipedia.org/wiki/Nautical_mile

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Viraje Estacionario – VI (Speed Limits)

Speed Limits Maximum holding speeds are established to keep aircraft within the protected

holding area during their one-minute (one-minute and a half above 14,000 ft MSL – Mean Sea Level) inbound and outbound legs.

For civil aircraft (not military) in the United States, these airspeeds are: Up to 6,000 ft MSL: 200 KIAS From 6,001 to 14,000 ft MSL: 230 KIAS 14,001 ft MSL and above: 265 KIAS

The ICAO Maximum holding speeds: Up to 14000 ft: 230kts 14000 ft to 20000 ft: 240kts 20000 ft to 34000 ft: 265kts Above 34000 ft: M0.83

With their higher performance characteristics, military aircraft have higher holding speed limits.


http://en.wikipedia.org/wiki/Civil_aviation

http://en.wikipedia.org/wiki/Military_aviation

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Viraje Estacionario – VII (Speed Limits)

Speed Limits (cont) In Canada the speeds are:

All propeller including turboprop aircraft : Minimum Holding Altitude (MHA) to 30,000 ft (9,100 m): 175 kn (324 km/h;

201 mph)

Civilian Jet MHA to 14,000 ft (4,300 m): 230 kn (426 km/h; 265 mph)

Above 14000 ft: 265 kn (491 km/h; 305 mph) Climbing during the hold:turboprop - normal climb speed Jet aircraft - 310 kn (574 km/h; 357 mph) maximum


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Bibliografía [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de

2007. Wikipedia (imágenes):

http://it.wikipedia.org Meggar: Instrumentos de vuelo

Foro de aerolíneas Argavirtual (imágenes): http://argavirtual.foroactivo.com/t111-temario-1conceptos-de-altimetria

ICAO Annex 10. Aeronautical Telecommunications. Volume I: Radio Navigation Aids.

Luiz Monteiro (simuladores): http://www.luizmonteiro.com

[ICAO8168] ICAO Doc. 8168. Procedures for Air Navigation Services. Aircraft Operations. Vol. I, Flight Procedures.


http://en.wikipedia.org/


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