Empuje automático (Autothrottle) y otros factores del motor

Un autothrottle (A/T o sistema regulador de potencia automático) permite que un piloto seleccione el ajuste de potencia de los motores de un avión especificando una característica deseada del vuelo (potencia de ascenso, de crucero, velocidad específica, etc.).

El sistema automático de potencia se encarga de ajustar el flujo de combustible y controla que todos los parámetros se encuentren dentro de los limites especificados por el fabricante. Estos sistemas pueden ahorrar combustible y ampliar vida del motor midiendo la cantidad de combustible exacta requerida para lograr un objetivo específico, tal cual pueda ser mantener una velocidad determinada, o una potencia asignada a una determinada fases de vuelo.

El A/T y AFDS (director de vuelo) normalmente trabajan juntos para satisfacer el plan de vuelo programado, de esta forma el sistema reduce enormemente la cantidad de trabajo de los pilotos que no se tienen que dedicar al ajuste manual de los parámetros y pueden dedicarse a gestionar otras cosas.

Modos de trabajo

Los dos parámetros que un A/T (autothrottle) intenta lograr son: velocidad y empuje.

En modo de empuje (Speed on Thrust), el A/T se encarga de proporcionar una velocidad preseleccionada bien por el piloto o bien por el FMS (Gestor de vuelo), Este modo controla la velocidad de los aviones dentro de los márgenes operativos en la envolvente del vuelo. Por ejemplo, si el piloto selecciona una velocidad que fuera más lenta o más rápida de lo permitido por el avión, el sistema del autothrottle mantendrá una velocidad más cercana a la velocidad requerida, pero nunca las sobrepasará. Por lo tanto se dice que el autothrottle trabaja dentro de la gama de velocidades seguras. De esta forma un avión nunca debería de entrar en perdida (Stall) a no ser que el piloto inadvertidamente lo saque de la envolvente de vuelo.

En modo de empuje (Speed on Elevator), el motor se mantiene en un ajuste de potencia fijo según las diversas fases del vuelo. Por ejemplo, durante despegue, el A/T mantiene una potencia de despegue constante hasta que se acabe el modo del despegue. Durante el ascenso, el A/T mantiene una potencia de ascenso (menor que la del despegue) constante, pero suficiente para ascender al nivel de vuelo deseado. Cuando el A/T está trabajando en este modo de empuje fijo, la velocidad es controlada por los elevadores (o la columna de control). Este modo también es un modo seguro. 

Uso

En aviones de la casa Boeing, el A/T se puede utilizar en todas las fases del vuelo (despegue, ascenso, crucero, descenso, aproximación, aterrizaje), salvo cuando el A/T se encuentra inoperativo. En la mayoría de los casos, la selección de modo de A/T es automática sin la necesidad de selección manual a menos que sea interrumpida por los pilotos.

Según Boeing el A/T se conecta justo ANTES del procedimiento del despegue y se desconecta automáticamente unos 2 segundos después de aterrizar. Durante vuelo, la anulación manual del A/T está siempre disponible. La re-conexión manual permite que A/T recupere control. Lo normal es hacer uso del A/T la mayor cantidad de tiempo posible. El sistema esta diseñado en muchos aviones para operar incluso con un solo motor y efectuar un aterrizaje automático sin ningún problema, es el caso del EMBRAER 190.

Orígenes

Un autothrottle primitivo primero fue desarrollado para el Messerschmitt 262, el primer caza a reacción operativo del mundo. Hoy en día el autothrottle es parte de un sistema de vuelo automático y se gestiona típicamente por medio del FMS o gestor de vuelo. El FADEC es una variante del sistema que  ayuda a controlar muchos otros parámetros además del flujo de combustible.

Arranque de los motores a reacción 

Normalmente aplicación de aire para rotar la turbina y el compresor del motor.

• Por medio de un sistema de potencia auxiliar, APU.
• Por medio de una unidad de aire exterior.
• Por medio de un arranque cruzado. 
• Por inercia durante un descenso.
• Algunos motores con pequeño motor de arranque eléctrico.

Relación de empuje y posición de la palanca

Las palancas del empuje se encuentran en la carlinga de aviones, y son utilizadas por el piloto, el copiloto, o el piloto automático para controlar la salida de empuje de los motores de avión.

En aviones del multi-motor, cada uno palanca empujada exhibe el número de motor del motor que controla. Normalmente, hay una palanca empujada para cada motor. Las palancas del empuje se encuentran normalmente en la consola central del avión, o en el tablero de instrumentos de aviones más pequeños.

Para los aviones equipados de los inversores de empuje, el control para cada inversor de empuje se encuentra generalmente adyacente a la palanca del empuje de motor correspondiente.

La posición de cada palanca se puede describir por el ángulo actual indicado. Esto se refiere como el ángulo de la palanca de válvula reguladora o el TLA. Cuanto mayor es el TLA, mayor es el empuje de motor.

Eficiencia y Altitud

En el diagrama de eficiencia que se puede ver debajo, se aprecia la diferencia de velocidad entre los distintos tipos de motores. Los turbo jet puros que se emplean principalmente en aviación militar son los más eficientes a altísimas velocidades. Las velocidades que se alcanzan en los aviones civiles aconsejan el uso de motores de alto índice de derivación.

En el gráfico inferior se puede ver la relación entre la potencia y las revoluciones del motor. Como se puede apreciar, cuando la palanca está en su posición más retrasada (Idle), el motor todavía produce una pequeña cantidad de empuje. Esta es una de las causas que contribuyen a que sea algo más difícil frenar a un reactor que a un avión de hélice. 

La fórmula que aparece encima del gráfico representa la potencia del motor a reacción en función del número de partículas de aire que es capaz de ingerir. N1 son las vueltas o revoluciones por minuto y Rho es la densidad del aire. Cuantas más revoluciones más potencia y cuanto más denso (más compacto por ejemplo en un día frío) sea el aire más potencia se podrá producir. 

Un motor a reacción está diseñado para ser más eficiente cuando el régimen de potencia esta entre el 75% y el 100%. Esto es algo que ocurre 85% y 100% de revoluciones en la mayoría de los motores actuales. Dicha potencia se alcanza solo en los regímenes altos que coinciden con posiciones muy avanzadas de las palancas. 

Se obtiene mucha más potencia en el tramo final de recorrido de la palanca que en el largo tramo inicial. Este hecho unido a que los motores a reacción son bastante lentos en acelerar hacen que se deba de volar un reactor con cierta anticipación (mucha más que en uno de hélice).

Factores que afectan a la potencia

Aire de impacto (RAM)

El efecto de la velocidad del reactor en la potencia (eficiencia) del motor queda de manifiesto en el diagrama que se puede ver más abajo. El aire de impacto que entra en la tobera de admisión o difusor se denomina RAM en inglés. Si no existiera el efecto del aire de impacto (RAM), la potencia del motor a reacción disminuiría a medida que se incrementara la velocidad. Esto es una consecuencia directa de la formula vista anteriormente (momento de entrada – momento de salida = empuje). 

Densidad del aire

Es una consecuencia de la formula Thrust = N1 x Rho

Otros factores que restan potencia son:

• El aire de sangrado de los motores
• La energía hidráulica
• La humedad (un efecto menor comparado con los anteriores)

La variable “n” puede adoptar valores de entre 0.6 to 0.9. Esto significa que no se usa la totalidad de la potencia del motor, ya que la mayor parte del tiempo el avión se encuentra en fase de crucero.