¿Por qué no se puede (debe) extender los FLAPS a más de 20.000 pies?

Esta es una pregunta curiosa que me han hecho alguna vez en clase. En los aviones comerciales existe una limitación de uso de los flaps, tanto en velocidad como en altura. En los E-Jet que yo instruyo los límites de velocidad máxima permisible son: FLAPS 0 = Vmo, FLAPS 1 = 230 nudos, FLAPS 2 = 215 nudos, FLAPS 3 = 200 nudos, FLAPS 4 = 180 nudos, FLAPS 5 = 180 nudos y FLAPS 6 = 165 nudos

Cuando los flaps están retraídos la velocidad máxima viene determinada por la del avión (Vmo). Los flaps se utilizan casi exclusivamente para aterrizar y para despegar. Cuando se utilizan los flaps, el piloto lee la velocidad en el anemómetro y comprueba que se encuentra por debajo de la máxima permitida antes de desplegarlos. En caso contrario debe de reducir la velocidad del avión antes de desplegarlos. Más allá de estas velocidades los flaps se pueden dañar. Para evitar esto, algunos fabricantes como AIRBUS ha considerado incluso un sistema que se denomina de Auto-retracción para evitar el fallo estructural cuando el piloto no tiene en cuenta los límites de velocidad. 

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Pero no solo se trata de una velocidad máxima de operación. En casi todos los modelos de aviones (incluidos los E-Jet, los Airbus y los Boeing), la altura máxima para poder desplegar los flaps se cifra en los 20.000 pies. Y esto es realmente muy curioso, porque en realidad los datos de velocidades a las que se pueden desplegar o retraer suelen variar según el tipo de avión, pero la altura máxima siempre o casi siempre es la misma en todos los aviones. 20.000 pies o 6.096 metros.

De hecho (y esto muchos pilotos de AIRBUS A320 no lo saben), la primera vez que aparece el símbolo ámbar de "VFE next" en el indicador de velocidad del PFD del AIRBUS es cuando se baja de esa cifra. 20.000 pies.

Varios operadores de aerolíneas también han preguntado en alguna ocasión a Boeing por qué sus manuales de vuelo tienen esta limitación de 20.000 pies. La razón de la limitación (según ellos) es simple, Boeing no demuestra ni prueba (y por lo tanto no certifica) aeroplanos para operaciones con flaps desplegados por encima de 20.000 pies. Según el fabricante norteamericano es únicamente una cuestión de certificación (que es realmente cara). Según los responsables no hay razones para operar los flaps a esas alturas, porque solo se utilizan para los despegues y aterrizajes y no hay aeropuertos tan altos en el mundo. Consecuentemente no es necesario hacer las pruebas de certificación con estas configuraciones.

Dato curioso: el aeropuerto más alto del mundo es el Daocheng Yading, en China. Opera desde 2013 y se encuentra a una altitud de 4.411 metros. El aeropuerto sirve al condado de Doacheng en la prefectura autónoma tibetana de Garzi de la provincia de Sichuan. Boeing podría tener razón, pero en realidad las cosas no son tan sencillas como pretende hacernos creer Boeing.

Una cuestión de compresibilidad

A cualquier piloto le interesa saber la razón real por la cual los flaps no deben de ser operados. Algunas razones fundamentales para no usar los Flaps a gran altitud tienen que ver con la compresibilidad del aire. El problema no es tanto la altitud en sí, sino más bien los números Mach que están relacionados con el vuelo a gran altura. Para una misma velocidad indicada, el número de Mach correspondiente aumenta con la altitud.

Si un piloto olvida las limitaciones que vienen en el manual, suele poder contar con unas placas que se encuentran instaladas en el panel de instrumentos y que llevan escritas las velocidades. El problema es que los pilotos vuelan el avión con la velocidad calibrada o indicada (CAS o IAS), mientras que las velocidades de los flaps se calculan e indican en velocidades calibradas o EAS (Equivalent Air Speed). Esta velocidad no se puede ver nunca en ningún instrumento dentro del avión. Son velocidades que suelen utilizar los ingenieros, pero no los pilotos.

EAS Es la velocidad de una aeronave a nivel del mar que produce la misma presión dinámica incompresible que la velocidad verdadera en la altura en que la aeronave se desplaza. A nivel del mar IAS, CAS y EAS suelen coincidir. IAS es la velocidad indicada no corregida y que podría estar afectada por los errores típicos de cualquier instrumento de medida, como fricción, problemas mecánicos, calibración, etc. CAS es la misma velocidad ya corregida para los errores anteriores. Hoy en día y dada la precisión de los instrumentos, ambas suelen diferenciarse muy poco. Pero ¿Qué ocurre con la EAS? Aquí interviene el problema de volar a altos número de Mach.

EAS se relaciona con el número de MACH por medio de esta fórmula:

donde:

${\displaystyle a_0}$ : es la velocidad del sonido a 15 °C

${\displaystyle M}$ : es el número mach

${\displaystyle P}$ : es la presión estática

${\displaystyle P_0}$ : es la presión estándar a nivel del mar (1013.25 hPa)

Vamos a ver lo que ocurre si usamos los flaps (cuya velocidad máxima para la posición 1 es 230 nudos en los E-Jet). Si sustituimos las letras por su valor y despejamos M obtendremos los valores que necesitamos. A nivel del mar 230 nudos son aproximadamente Mach 0.34, ya que 230 dividido por la velocidad del sonido y la raíz cuadrada de P (1013) sobre P sub cero (1013) nos da esa cantidad. Los flaps se pueden desplegar sin problemas, pero a 20.000 pies de altura la presión disminuye de 1013 (P sub cero) milibares a 466.

Con estos valores el número de Mach aumenta hasta 0.51, lo cual representa una cantidad muy alta y ya se encuentra en la región de compresibilidad. Cuando el aire se vuelve compresible la aerodinámica cambia significativamente.

Se puede entender sin esfuerzo que los flaps aumentan la curvatura del ala y por lo tanto causan que la velocidad del aire sea más altas alrededor del perfil. Si se pasa de règimen transónico a supersónico se producen problemas de controlabilidad del avión.

La compresibilidad del aire y el vuelo no controlado

A velocidades bajas el aire puede considerarse un fluido esencialmente incompresible. Sin embargo, cuando una aeronave aumenta la velocidad y/o sube a una altitud suficientemente alta, el aire circundante asume cada vez más las características de un fluido compresible. Es necesario tener en cuenta estas características (de compresibilidad) en el diseño de la aeronave o imponer limitaciones para impedir el funcionamiento de los flaps en la región de la envolvente de vuelo donde existen efectos de compresibilidad.

El número de Mach en el que la compresibilidad es significativa oscila entre aproximadamente 0,45 y 0,55M. Cuando los flaps están retraídos (flaps 0), los efectos de compresibilidad se tienen en cuenta en el diseño de la estructura de la aeronave, así como en las cualidades de vuelo, características, actuaciones, etc. Sin embargo, los sistemas de hipersustentación, como los flaps, están pensados para ser usados ​​durante un vuelo a velocidad relativamente baja y por consiguiente están diseñados con datos aerodinámicos incompressibles de baja velocidad.

Las velocidades de los flaps (en nudos EAS) se establecen en relación con la altitud en la que se podría esperar que los efectos de compresibilidad (Número Mach) influyan significativamente en las características aerodinámicas del avión.

En condiciones atmosféricas estándares, la velocidad del aire en los flaps se acerca a un rango significativo de compresibilidad a (aproximadamente) 20.000 pies de altura. por este motivo el funcionamiento de los dispositivos hipersustentadores se limita a altitudes no mayores de 20.000 pies. Colocar el avión en un régimen de vuelo para el cual no fue diseñado específicamente puede producir características aerodinámicas inesperadas.