¿Cuál es el ángulo de ascenso típico (frente al suelo) de un avión de pistón de un solo motor?

Eso depende de la velocidad del viento y de la relación empuje-peso de la aeronave.

Aquí hay algunos valores, todos válidos para el nivel del mar.

• Aeronave GA: velocidad de ascenso de 4 m/s, velocidad aerodinámica de 36 m/s. Con aire en calma, esto se convierte en un ángulo de ascenso de 6,3°. Si el viento sopla con 36 m/s, el avión ascenderá verticalmente con respecto a la tierra si vuela directamente contra el viento.
• Avión de pasajeros: 20 m/s de velocidad de ascenso, 120 m/s. Con aire en calma, esto se convierte en un ángulo de ascenso de 9,5°.
• Avión vacío: 30 m/s a 100 m/s. Con aire en calma, esto se convierte en un ángulo de ascenso de 16,7°. En las exhibiciones aéreas esto se usa para lograr un efecto dramático .

Tenga en cuenta que los ángulos espectaculares en las exhibiciones aéreas implican la conversión de la velocidad del aire en altitud, por lo que estas maniobras son instantáneas.

Si desea obtener más información sobre cómo calcular el ángulo de ascenso óptimo, considere leer esta respuesta .

La principal influencia en la velocidad de ascenso es la relación empuje-peso del avión. Dado que el empuje depende de la velocidad de vuelo, la temperatura ambiente y la densidad del aire, esos factores controlan la velocidad de ascenso alcanzable en combinación con el peso de la aeronave.

Para un observador, la siguiente influencia importante es la velocidad del viento, ya que el avión sube en relación con la masa de aire que atraviesa. Si esta masa de aire hace que la aeronave parezca volar más lentamente, se puede observar un ángulo de ascenso más pronunciado.

Rendimiento de ascenso sobre la velocidad aerodinámica y la relación empuje-peso para un motor turboventilador idealizado. Las líneas azules muestran el empuje (eje Y derecho) y las líneas verdes la velocidad de ascenso resultante. Las dos líneas negras muestran cómo la velocidad de vuelo óptima para la mejor velocidad de ascenso y el mejor ángulo de ascenso (ascenso más pronunciado) varían según las cargas de empuje. Son fáciles de encontrar gráficamente: solo mida el ángulo de una línea desde el origen hasta el punto en una línea verde a la velocidad de vuelo deseada y la carga de empuje correcta (relación empuje-peso). Si las escalas de las dos velocidades en los ejes X e Y fueran las mismas, podrías tomar el ángulo directamente de la gráfica.

Con mucho exceso de empuje, el óptimo está limitado por la velocidad de pérdida (la línea negra se dobla en una tendencia vertical), mientras que sin exceso de empuje ambas velocidades óptimas vx y vy convergen. Esto tiene sentido: si el empuje es suficiente para evitar que el avión descienda a una velocidad, esta velocidad dará el mejor ángulo de trayectoria de vuelo y la mejor velocidad vertical (desafortunadamente, ambos serán 0 en este punto). También ayuda a reducir la resistencia inducida, por lo que las aeronaves con un ala de relación de aspecto alta ascenderán más empinadas con un coeficiente de sustentación más alto (= velocidad más baja).

El ángulo de ascenso depende de una serie de factores como la velocidad aerodinámica, la velocidad de ascenso deseada, el ToW, la relación T/W, la ubicación del aeródromo (altitud de densidad), etc.

Para la mayoría de los aviones comerciales, los ángulos de ascenso típicos están en el rango de 15 a 20$^{\circ}$, mientras que algunos aviones superan estos límites. (Agregado en respuesta al comentario de @Jon Story)

La siguiente figura muestra los posibles ángulos de ascenso de los aviones Boeing:

Imagen de la revista Boeing AERO

Tenga en cuenta que los valores reales serán diferentes dependiendo de varias condiciones como ya se indicó.

En cuanto a los aviones GA, los ángulos de ascenso típicos estarán en el rango de 5-6$^{\circ}$al nivel del mar y decreciendo con la altitud, en igualdad de condiciones.