martes, 17 de febrero de 2015

Introducción al "Flexible takeoff"


Siguiendo con la idea desarrollada en un post anterior, donde hablaba de la posibilidad de un despegue con potencia reducida, hoy voy a hablar un poco de lo que se conoce como FLEX  o Flexible Takeoff o Assumed Temperature method. (asunción de una temperatura mayor de la real). Este método de reducción de potencia es diferente al tratado anteriormente y conocido por "de-rated". El "de-rated" es una reducción fija de potencia que puede puede ser seleccionada de unos valores prefijados por el fabricante. En la familia E-Jet, por ejemplo, existe la posibilidad (según modelos) de elegir entre TO-1, TO-2 y TO-3, siendo TO-1 la potencia máxima (normal de despegue), TO-2 es un porcentaje fijo de TO-1, (por ejemplo un 7% menos) y TO-3 es otro porcentaje fijo que nos daría una potencia menor que TO-2. Se podría reducir mas la potencia? La respuesta es si, pero hasta un máximo permitido por la legislación aérea. Eso es el Flex TO o método de asunción de temperatura.

Lo que dice la ley:

  1. No se podrá reducir mas de un 25% de la potencia de despegue.
  2. No se podrá utilizar este método en pistas contaminadas
  3. La compañía deberá de contar con un programa de mantenimiento del motor que asegure la monitorización de la planta motriz. 


Una idea importante que hay que entender es la de que solo se podrá aplicar este método cuando el peso al despegue no sea el máximo. Si el avión se encuentra en su peso máximo al despegue (avión completamente cargado) el método no podría proporcionar potencia suficiente y no seria seguro. Al ser un tema muy complejo y para poder tener una idea clara de cómo se debe efectuar el despegue con potencia reducida, teniendo en cuenta todas las variables y las limitaciones posibles, Embraer ha diseñado un software especial que ayudara a los pilotos a tomar las mejores decisiones. A continuación se puede ver una captura de pantalla de esta aplicación que se puede descargar gratis en la Appstore en modo simulación. (https://itunes.apple.com/us/app/eperf/id586166665?mt=8).


iPad Screenshot 2

Los análisis del despegue se efectúa para cualquier pista dada y el resultado consiste en una hoja tabulada, como la de la imagen, de forma que el piloto puede interpretar fácilmente todos los datos importantes.

En la parte superior de esta hoja de datos se encuentran las condiciones de la pista (temperatura, humedad, viento, distancias, presión, etc.), luego se puede ver la configuracion del avión, el peso al despegue, el tipo de motor, etc. En la zona inferior derecha se encuentran los resultados que se obtienen una vez aplicados los cálculos. Una vez que se tiene la información de las velocidades y la temperatura, se pueden insertar en la unidad MCDU y esta se encargará de mandar los parámetros a los distintos sistemas del avión.

Las ventajas del despegue con potencia reducida.

Con el FLEX o FLEXIBLE TAKE-OFF, o ASSUMED TEMPERATURE METHOD (método de asunción de una temperatura mayor de la real) se puede reducir el costo de la operación de despegue mientras que se mantiene un nivel de actuaciones igual o superior a como se haría en condiciones de temperatura mayores. 

Recuérdese que la parte del motor que mas sufre es aquella que recibe el impacto de los gases con mayor temperatura. Esto ocurre a la salida de la cámara de combustión. La primera parte del motor que recibe el impacto de estos gases calientes, son los llamados NGV's (Nozzle Guidance Vanes) que se encargan de cambiar la trayectoria de los gases para que impacten con la mejor geometría posible en la primera etapa de la turbina de alta presión y así poder extraer el máximo de energía. Los NGV's son aletas, por lo general fijas que encuentran adosadas a la parte exterior del motor. El material y el diseño de estas aletas es muy complejo y son muy difíciles de cambiar cuando se desgastan, en cuanto a mano de obra y tiempo se refiere. 




Una de las cosas que el piloto debe de tener en cuenta en todo momento es la temperatura máxima de operación del motor, precisamente para no dañar estas piezas. si la temperatura de los gases de combustión excedieran mucho los limites impuestos por el fabricante, los NGV's podrían fundirse literalmente y el motor quedaría irremisiblemente dañado (se necesitaría un motor nuevo). Esto seria el equivalente, para todos aquellos que conducen, de lo que sucedería en un coche al quemar la junta de  culata. Los danos serian tan grandes que necesitaríamos prácticamente un motor nuevo.

Piense se que en el caso del E-Jet, un motor puede costar del orden de 5 millones de dolares, necesitándose unos 2 millones mas cada 20.000 vuelos para mantenerlo en condiciones optimas. Por ello los costes de mantenimiento de los motores son una parte muy elevada del costo total de la aeronave. 

En la ilustración se puede ver esto de forma gráfica.


Como se observa, el desgaste del motor, crece de forma exponencial con el aumento de temperatura.
Los costes de mantenimiento asociados, son pues muy altos y los ingenieros buscan la forma de reducir estos costes intentando que las temperaturas sean lo mas bajas posibles sin comprometer las prestaciones del motor. En el gráfico que sigue se puede ver el porcentaje de coste en mantenimiento en relación con la temperatura de los gases de salida en la tobera de escape (EGT - Exhaust Gas Temperature). 

Tal como se aprecia, una reducción de solo el 7% en la temperatura normal de despegue, daría una reducción de los costos de mantenimiento en un 25%, esto calculado por motor, por numero de aviones en la flota, por numero de vuelos, por ano, nos da una cantidad de dinero enorme.

En el siguiente gráfico se compara los costes de mantenimiento con la posibilidad de hacer un despegue con potencia normal (full rated en magenta) y otro con potencia reducida prefijada (de-rated en azul). Existe ya una gran diferencia en cuanto a costes se refiere, entre los dos puntos donde se lee "No thrust reduction".


Si a esta potencia le pudiéramos ir aplicar una mayor reducción acabaríamos en el final de la curva donde se  lee 25% thrust reduction, que es el máximo permitido por la Ley. Esto representa una cantidad de dinero muy elevada, tal como se ve en el gráfico inferior.


En el gráfico se compara el ahorro de una aeronave aplicando un 10% con el de la misma aeronave si se le aplica un 20% de reducción de potencia. También se puede observar en la ilustración el hecho (lógico) por el que cuanto mas potencia le quitemos a nuestro motor, mas distancia de pista necesitaremos para alcanzar las velocidades mínimas de seguridad y las distancias mínimas para salvar obstáculos. Obsérvese que la distancia mínima con los obstáculos en ruta después del despegue puede ser un factor que limite la reducción de potencia, aunque la ley permita un máximo del 25%

Procedimiento para un FLEX TO.

Tal como se comentaba mas arriba, de acuerdo con la legislación vigente el FLEX TAKE-OFF esta permitido siempre y cuando no se supere una reducción del 25% del máximo nivel de potencia que genera el motor. No esta permitido utilizar este método de reducción de potencia si la pista esta contaminada con agua, hielo, etc.

En el gráfico que sigue podemos ver como es la potencia de un motor de aviación comercial (los motores militares no están limitados de la misma forma). En el eje de ordenadas vemos la potencia del motor incrementándose hacia arriba y en el eje de abscisas vemos la temperatura aumentando hacia la derecha.

Los motores comerciales se encuentran limitados a una potencia máxima (Flat Rated) para no dañar el motor con las fuerzas centrífugas y centrípetas que exigiría un sobre esfuerzo a los materiales. Esta es la parte plana de la recta de color rojo. En los aviones de caza, donde la potencia es necesaria, estaríamos en la linea punteada azul. A partir de una determinada temperatura, normalmente en los 30° (15° por encima de la temperatura estándar), el fabricante de motores le va quitando potencia a la planta motriz para no sobrepasar los limites en los que dañaríamos los componentes del motor (linea roja descendente). El limite máximo lo establece siempre el fabricante. Todos estos ajustes ya vienen programados de fabrica y son aplicados automáticamente por el FADEC.

En el gráfico que sigue vamos a combinar esta linea de potencia con la del peso máximo al despegue (MTOW - Maximum Takeoff Weight) en un sistema de tres ejes. A la izquierda en el de ordenadas el peso del avión (Weight), en el eje de abscisas la temperatura (al igual que en el gráfico superior) y en el eje vertical de la derecha la potencia del motor. 


Tal como se precia, el peso máximo al despegue se ve reducido cada vez que la temperatura es mas alta. ello es debido a que la aerodinámica de las alas no puede generar la cantidad de fuerza sustentadora suficiente. Recuérdese que la fuerza de sustentación depende de la densidad del aire y que la densidad decrece con la temperatura. En el punto en el que la temperatura alcanza los 15° por encima de la temperatura estándar, el peso máximo del avión decrece incluso mucho mas abruptamente. esto es debido a que ademas del aumento de la temperatura, en este punto comienza una reducción de la potencia para preservar las piezas del motor.


Imaginemos que hoy la temperatura para nuestro despegue es de 35° (gráfico de abajo), si trazamos las lineas que unen las dos curvas, encontramos en la izquierda el peso máximo de despegue y en la derecha la cantidad de potencia necesaria.



Asta aquí todo correcto. Pero, que ocurriría si hoy con estos 35°, el avión no estuviera tan lleno? Es decir, nuestro peso real es menor que el que se puede ver en el gráfico. En esa situación es cuando podemos plantearnos el uso del FLEX TO. 


Si nuestro peso real (Actual weight) fuera menor que el máximo, podríamos tratar de engañar al ordenador de abordo (por medio de la unidad MCDU) diciéndole que la temperatura exterior es incluso mayor de 35° (pongamos 39°) y de esta manera el FADEC proporcionaría una reducción de potencia en la creencia de que la temperatura de 39° podría dañar el motor. De esta forma la potencia es la suficiente para poder despegar y la reducción de tempera nos ahorra mucho dinero en mantenimiento.

Aunque no lo pueda parecer al principio, este es un método conservador, ya que las actuaciones del avión son normalmente superiores a las de un despegue en condiciones de temperatura de 39° teóricos. Piénsese que sobre las alas la densidad del aire es de 35°reales produciendo mas sustentación que la que tendríamos con 39°. 

En próximos posts seguiré desarrollando la idea del despegue flexible.

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