6.9.1. INTRODUCCION.

El peso es una medida de la intensidad con que la fuerza gravitacional de la tierra atrae hacia su centro cualquier objeto, es una indicación cuantitativa de la masa o tara de cada cuerpo. Podemos considerar el peso como uno de los mayores enemigos de la aeronáutica, siendo un parámetro muy a tener en cuenta para la operación segura de la aeronave.
La fuerza de la gravedad actuando sobre el UAS intenta continuamente empujarlo hacia el suelo, la sustentación generada por las alas o rotores, será la única fuerza disponible para contrarrestar la gravedad y mantener el UAS en vuelo.

Cada superficie sustentadora solamente es capaz de generar una cantidad determinada de sustentación dependiendo de sus características aerodinámicas, velocidad, ángulo de ataque y densidad del aire en el que se desplaza. Cuando la sustentación no iguala al peso, el UAS no es capaz de mantener la altitud de vuelo e inicia el descenso.
Al afrontar el estudio de la carga de cada UAS, no solamente se debe considerar su peso sino también como se encuentra repartido, el peso afecta a las performances del UAS mientras que la situación de su centro de gravedad (resultante de la distribución de las cargas) influye sobre la estabilidad y controlabilidad del mismo.

Es conveniente al hablar de carga y centrado aclarar una serie de términos:

• Peso en Vacío EW (Empty Weight). –Es el peso del UAS con sus equipos indispensables para el vuelo y control, excluye el combustible y/o peso de la batería.
• Peso Básico Vacío BEW (Basic Empty Weight). –Peso del UAS con combustible y/o baterías.
• Peso al Despegue TOW (Take Off Weight). –Peso del UAS cuando levantamos el tren de aterrizaje o las ruedas del suelo.
• Peso en Rampa RW (Ramp Weight). –Peso del UAS a la puesta en marcha de los motores, suponiendo esté cargado.
• Carga Útil PL (Pay Load). –Peso de la carga de pago (cámaras, gimball…)

PL = RW – BEW

• Masa Máxima al Despegue MTOW (Maximum Take Off Weight). –Se trata de un valor definido por el fabricante y que se compone de:
  • El peso en vacío de la aeronave EW, mas
  • 100 % de la carga de pago PL.
  • 100 % del combustible (baterías).

Define la masa máxima, que por razones estructurales o de otro tipo, la aeronave puede iniciar el despegue.

• DATUM Line. –Plano longitudinal del UAS. Este plano puede estar, en, por delante, o detrás del morro del UAS y sirve como referencia de distancias, la intersección de este plano y el eje longitudinal se denomina “estación Ø “STA Ø
• Brazo ARM. –Distancia longitudinal desde cualquier objeto del UAS al punto tomado como origen de momentos.
• –Expresión numérica de la tendencia del giro o rotación del UAS respecto de una STA OM (origen de momentos). Matemáticamente la podemos calcular multiplicando el peso por la distancia.
• Centro de Gravedad. –Punto en el que se consideran concentrados los pesos del UAS. Podemos calcularlo con la siguiente formula:

C de G = (Σ M)/(Σ P)

• Estación STA.-Distancia longitudinal desde cualquier punto del UAS a la STA Ø, puede ser positiva o negativa si está por delante o detrás de dicha STA Ø respectivamente.

6.9.2. LIMITACIONES DE MASA MAXIMA.

Como hemos dicho anteriormente cualquier peso significativo que se estibe a bordo, tendrá un efecto pernicioso sobre las posibilidades de vuelo de nuestro UAS.

La regla de oro en la carga de cualquier aeronave es conseguir que la misma sea lo más liviana posible sin comprometer su seguridad. El excesivo peso reduce la capacidad de la aeronave para volar en prácticamente todos los aspectos, la penalización se concreta en:

• Mayor potencia en los motores para iniciar el vuelo tanto en UAS de ala fija como rotatoria.
• Mayores velocidades de despegue, aterrizaje y pérdida en UAS de la fija.
• Menores ángulos y regímenes de ascenso.
• Menores velocidades de crucero y techos operativos.
• Menor alcance y autonomía de vuelo.

6.9.3. CENTRO DE GRAVEDAD (C.G).

Como podemos comprobar en cualquier manual de vuelo, no solo es necesario comprobar que el peso del UAS se encuentra dentro de los límites, también lo es comprobar que la ubicación de su centro de gravedad es correcta pues la misma influye de manera significativa en la estabilidad y seguridad del vuelo.

El centro de gravedad es el punto alrededor del cual el UAS quedaría en equilibrio si fuese posible suspenderlo del mismo, donde asume que toda la masa de la aeronave se encuentra concentrada. Los tres ejes de la aeronave interceptan en el centro de gravedad, cualquier cambio en la actitud de vuelo supondrán un giro sobre uno o varios de sus ejes y por extensión con respecto al centro de gravedad.

El centro de gravedad se localiza en unas coordenadas verticales, longitudinales y laterales, aunque normalmente se considera su posición en el eje longitudinal, aunque su posición con respecto al eje lateral también tenga importancia, normalmente el diseño de las aeronaves asume una perfecta simetría lateral, es decir, a cada peso alojado en la parte izquierda del fuselaje se opone un mismo peso en la parte derecha. Puesto que la posición lateral del centro de gravedad es fácilmente controlable, no es objeto de cálculo en el problema del centrado, es por ello que el estudio lo realizaremos con respecto al eje longitudinal (atrasado-adelantado).

El centro de gravedad no es un punto fijo y su posición dependerá de cómo distribuyamos las cargas, una carga estibada muy atrás provocara distintas actitudes en la aeronave, que serán compensadas haciendo uso del compensador correspondiente, esto reducirá la eficiencia aerodinámica, así como el recorrido del compensador.

Una situación incorrecta del centro de gravedad puede inducir a un vuelo inestable o incontrolable, es por ello por lo que el fabricante establece un límite delantero y trasero, entre los cuales debe estar localizado el CG durante todas las fases del vuelo.

La posición del CG se expresa en pulgadas o centímetros medidos desde la línea de referencia o Datum.

6.9.4. LIMITES DEL C.G.
Hasta ahora hemos asumido que el punto de aplicación de la sustentación CP (centro de presiones) y el punto de aplicación del peso CG coincidían, esto no es del todo cierto y veremos cómo esta situación afecta a la estabilidad de la aeronave.
Supongamos que el CP y el CG coinciden en el mismo punto

Mientras la aeronave se encuentre en vuelo recto y nivelado, todo parece estar en equilibrio, si redujéramos la potencia del motor la única opción sería el descenso, puesto que las alas generarían menos sustentación al reducirse la velocidad.  Pero qué ocurre si lo que queremos es mantener la altitud de vuelo, para ello deberíamos incrementar el ángulo de ataque, lo cual conseguiremos actuando sobre una superficie aerodinámica, el timón de profundidad.

Una vez determinada la absoluta necesidad de contar con un mando que controle el cabeceo de la aeronave y que permita el ascenso, cruceros a distintas velocidades y el descenso, debe tenerse en cuenta que dicha superficie aerodinámica será también generadora de sustentación, dicha fuerza produce un momento que deberá ser compensado, lo que se consigue cuando la situación del CG no coincide con el CP.

En la siguiente figura se ha considerado ya el timón de profundidad, generador por su perfil, de sustentación positiva, y donde el CG se encuentra por detrás del CP, vemos como el sistema se encuentra en equilibrio.

Esta configuración en el que el CP se encuentra por delante del CG, es incomoda en insegura, ya que, al reducir potencia, disminuiremos la corriente de barrido y la velocidad haciendo que el timón de profundidad pierda efectividad iniciando la aeronave un “encabritado” (tendencia del morro a ascender) que reducirá aún más la velocidad, acercándonos peligrosamente a la velocidad de pérdida.

EFECTO DE LA DITRIBUCION DE LAS CARGAS

Hemos establecido que lo idóneo es cuando el CG se encuentra por delante del CP (en alas fijas y VTOL), pero esta configuración presenta algunos inconvenientes.

• CG Adelantado:
  • Aumenta la estabilidad.
  • Mayor consumo.
  • Mayor resistencia.
  • Menor autonomía/alcance.
  • Menor velocidad de crucero.
  • Aumento de la Velocidad de perdida Vs.
• CG Atrasado:
  • Disminuye la estabilidad.
  • Disminuye el consumo.
  • Disminuye la resistencia.
  • Mayor autonomía/alcance.
  • Ligeramente mayor velocidad de crucero.
  • Disminución de la velocidad de perdida Vs.

ASEGURAMIENTO DE LA CARGA UTIL

Primeramente, definiremos lo que se conoce como “carga útil”, y se refiere al instrumento, equipo, componente, aparato o accesorio, incluido el equipo de comunicación, que este instalado o fijado en la aeronave y no se utilice ni este destinado a utilizarse para el manejo o control de la aeronave en vuelo, ni forme parte del fuselaje, el motor o la hélice.
Los UAS de uso comercial pueden llevar cargas útiles muy diferentes, por lo general, se enmarcan en una de las categorías siguientes:

• Cámaras de fotografía y video: Si bien la mayoría de las aeronaves no tripuladas ya incorporan algún tipo de cámara en su diseño, los modelos comerciales incluyen dispositivos de obtención de imágenes más sofisticados y con más opciones: visión en primera persona (FPV por sus siglas en inglés), vídeo 4K, zoom óptico para aplicaciones de inspección, etiquetado GPS para cartografía en 3-D, etc. Los sistemas más avanzados pueden incorporar un Gimbal o cardán que contrarresta los movimientos del vuelo para mantener la cámara nivelada y obtener imágenes de vídeo más estables y de calidad superior.

• Cámaras térmicas, de infrarrojos y de visión infrarroja frontal: Los sistemas térmicos de obtención de imágenes, reservados tradicionalmente a los modelos de gama alta, pueden emplearse con diferentes fines, como la realización de censos agrícolas, controles sanitarios o vigilancia de seguridad o policial, además de en tareas de inspección y rescate. La tecnología de infrarrojos puede facilitar el manejo de las aeronaves no tripuladas en condiciones de poca luz o vuelos nocturnos. Los sistemas de visión infrarroja frontal (FLIR por sus siglas en inglés) utilizan una cámara térmica que percibe variaciones mínimas de la radiación infrarroja. Este tipo de cámaras son capaces de captar diferentes rangos de frecuencia, lo que les permite detectar la presencia de compuestos químicos mediante un radar óptico (sistema LIDAR) para determinar la posición exacta de los objetos y la distancia entre ellos.

Transporte y entrega: La utilización de aeronaves no tripuladas para efectuar entregas de manera rápida y eficaz ha ido en alza en los últimos años, siendo el ejemplo más notable el servicio Prime Air de Amazon. Aunque sus posibilidades de aplicación comercial están sobre todo en las entregas de venta al por menor, la tecnología del transporte controlado por radio podría ser útil también en otros sectores, como el de la sanidad, donde las aeronaves no tripuladas podrían emplearse, por ejemplo, para enviar desfibriladores a demanda.

• Comunicaciones: El uso de dispositivos de comunicaciones como carga útil de drones aún no es habitual, pero podría popularizarse con la introducción de las redes 5G. Las aeronaves no tripuladas cargadas con un dispositivo de comunicaciones podrían emplearse para controlar, interrumpir o emular comunicaciones inalámbricas privadas legítimas; por ejemplo, manipulando las ondas emitidas por torres de telefonía o puntos de acceso inalámbrico.

Aunque también podríamos encontrar algún tipo de carga útil fuera de estas categorías, como pueden ser el transporte de armas, los sistemas empleados para los tratamientos fitosanitarios, etc.

En la mayoría de las ocasiones estos sensores van montados sobre un “Gimbal” o “Cardán”, y que no es más que un soporte pivotante que permite que un objeto permanezca horizontal independientemente del movimiento a su alrededor. Un cardán está diseñado para mantener la cámara en el mismo ángulo independientemente del movimiento del UAS mediante compensación automática, la cual, la conseguimos mediante el uso de motores eléctricos calibrados y, a menudo, controlados de forma remota.

Todos estos sistemas han de estar bien fijados a la aeronave, para no comprometer la estabilidad de la misma, además se tendrá en cuenta su posición y el efecto que, sobre el centro de gravedad de la aeronave pueda tener.

Además del Gimbal o Cardan, las aeronaves que transporten dispositivos que no necesiten estabilización, deberán guardar las mismas premisas en cuanto a su colocación/instalación, que se hará de manera que no comprometa la estabilidad, ni la seguridad de la operación.

Este tipo de cargas van desde dispositivos de recogida/entrega de objetos, como pudieran ser unas “garras articuladas” hasta sistemas que incluyan una bobina/carrete para la entrega de, por ejemplo, equipos de rescate y salvamento.