Por qué se mantiene arriba, y por qué no

Lo que realmente paga la sustentación

Ayuda separar peso, sustentación, resistencia y empuje, las cuatro fuerzas que una máquina voladora tiene que equilibrar. En un ala fija, la mayor parte de la sustentación viene del ala moviéndose a través del aire. En vuelo nivelado estable el empuje equilibra la resistencia, no el peso en sí. La resistencia es menor que el peso, y por eso el crucero puede ser barato en energía. Un multicóptero no tiene ala en ese sentido. Cada rotor es un ala giratoria, y la fuerza ascendente es la reacción a acelerar aire hacia abajo. Incline el empuje para moverse lateralmente y la parte vertical debe seguir sosteniendo el peso, así que el empuje total en vuelo de avance es mayor que el peso.

El vuelo estacionario es esa reacción pagada sin pausa. En palabras, según la teoría de la cantidad de movimiento: el empuje es la tasa a la que se da cantidad de movimiento descendente al aire, y la potencia es aproximadamente ese empuje por la velocidad que se da al aire. Para la misma área de rotor, una aeronave más pesada debe empujar más aire o empujarlo más rápido. Empujarlo más rápido es la opción cara. La energía en la estela crece con el cuadrado de la velocidad, mientras que el empuje solo crece con la velocidad por la cantidad de aire. Por tanto, la potencia de vuelo estacionario sube más rápido que el peso. Un disco mayor compra el mismo empuje a una velocidad de aire menor, y es una aeronave distinta, con otro ruido y otra plataforma.

Vuelo estacionario, viento y el valle

El vuelo estacionario no siempre es la mayor potencia que exigirá la aeronave. Un ascenso fuerte o un sprint rápido pueden ser peores. El vuelo de avance moderado suele usar menos potencia que el estacionario, porque el rotor encuentra aire fresco y el coste inducido baja, hasta que la resistencia parásita y la inclinación del vector de empuje vuelven a subir. La potencia frente a la velocidad es típicamente un valle, no una rampa. Lo que el vuelo estacionario destruye es el alcance. El alcance es distancia por unidad de energía, y un vuelo estacionario no cubre terreno mientras corre el contador. Esperar sobre un portal no es una pausa barata. Es vuelo sin progreso, así que un plan debería convertir esos minutos en distancia perdida antes de declarar factible la ruta.

El viento no es una molestia dibujada en el mapa. La aeronave vuela a velocidad aerodinámica; la misión necesita velocidad respecto al suelo. Con viento de cara gasta más minutos, o vuela a una velocidad aerodinámica mayor donde la resistencia es más alta, para cubrir el mismo terreno. El viento de cola de ida es a menudo el viento de cara de vuelta. Mantener una posición con viento también es trabajo: la aeronave sigue empujando contra el aire. Un viento medio y una racha son cosas distintas. Las rachas exigen margen de empuje y de actitud para que el controlador pueda corregir. Si el vuelo estacionario medio ya usa casi todo el empuje, no queda nada con que corregir, y la aeronave no es controlable en ningún sentido útil. El margen forma parte de la sustentación en un día de viento, no es un adorno.

Una aeronave de inspección que mantiene la posición junto a una estructura encuentra el mismo viento en otra forma. Las rachas que giran en pilas y esquinas de edificios, y la deriva que fija la distancia de separación, se tratan en cómo los drones de inspección mantienen la posición con viento cerca de estructuras (Airffic Inspection).

Ser empujado por el propio flujo descendente cerca de paredes se trata en volar drones en espacios confinados en la guía de Inspección.

Por qué la carga útil se come el alcance

Añada masa y el empuje necesario para el vuelo estacionario sube con ella. Con el área de rotor fija, la potencia sube más rápido que el empuje, así que un pequeño aumento de carga útil puede quitar un gran bocado de minutos. La batería contiene una reserva fija de energía salvo que añada batería, y la batería que añade es masa que debe levantar. Pasado un punto, más batería no compra alcance útil. Compra peso. La carga y la batería también compiten por el mismo volumen, y la estructura crece para contener ambas. Un folleto que cita alcance y carga útil como cifras independientes está sin terminar. Son un solo intercambio, y el intercambio vuelve a moverse cuando se incluyen el viento, la reserva y una batería envejecida.

El medio de almacenamiento fija un techo antes que la ruta. En el dimensionado preliminar, las baterías de iones de litio actuales, contadas como baterías completas y no como celdas de titular, se sitúan en el orden de unos pocos cientos de vatios-hora por kilogramo. La cifra se mueve con la química y con cuánta estructura y refrigeración se incluya. Los combustibles líquidos se sitúan en el orden de diez kilovatios-hora por kilogramo de energía química. Un motor pequeño desperdicia mucho de eso como calor y trae su propia masa y sus propios fallos, pero lo que queda sigue siendo la razón por la que las aeronaves de gran autonomía no son multicópteros a batería. Las baterías se eligen porque la transmisión es simple, el control es rápido y la misión es corta, no porque el almacén sea denso. El hidrógeno parece denso por kilogramo y luego pierde esa ventaja frente al tanque. Deje de pedirle a una célula que haga el trabajo de un camión.

Girar no basta

La rotación en sí no cancela la gravedad. Las palas producen empuje solo al acelerar aire, y ese empuje tiene un techo fijado por el diámetro, la velocidad de rotación, el área de pala, el par del motor y la potencia eléctrica que la batería puede entregar antes de que su voltaje se desplome. Los diseñadores no hacen vuelo estacionario con un empuje igual al peso. Mantienen un margen por encima del peso para que la máquina pueda inclinarse, ascender y rechazar una racha. Una cifra de empuje mantenida un segundo en un banco no es el empuje que puede mantener durante una salida. La misma corriente calienta los bobinados y hunde la batería. Una hélice mayor eleva el empuje para una potencia dada, y también cambia el ruido, la velocidad de punta y la plataforma que necesita. No hay ningún truco sobrante en el que suficiente giro pague la cuenta.

La gravedad es continua, y la cuenta de energía corre todo el tiempo que la aeronave está fuera del suelo. También el control. Una pila de vuelo sigue actualizando su estimación, cierra los lazos de actitud y de velocidad angular y se detiene en la asignación de empuje cuando los comandos saturan. Una aeronave volada cerca de esa saturación puede estar «volando» en un folleto y aun así no tener nada en reserva en el momento en que el viento pida una corrección. Cuando alguien proponga una carga pesada, pida primero el área de disco, el margen de empuje y la energía por minuto. Un vídeo de palas girando no es prueba de que esos tres se cumplan. Un plan que no puede responderlos debería descartarse antes de armarse.

Incline para moverse, y la parte vertical del empuje baja. Esa relación es más rápida de sentir que de leer. Volar sobre un mapa del mundo en el navegador (Airffic Simulation, en japonés) permite probarlo sin romper una aeronave. No sustituye a la formación operativa.

Para ver cómo el tamaño y el peso cambian la manera en que vuela un dron, pruebe volar un multirrotor dimensionado en el navegador.