jueves, 17 de noviembre de 2016

Requerimientos geométricos: TSA o Tail Strike Avoidance

Normalmente, un avión rota alrededor del tren principal con el fin de incrementar la sustentación y adoptar la posición óptima para el despegue. Esto también es cierto para la operación de aterrizaje en la que la aeronave gira sobre su Centro de Gravedad para adoptar un alto ángulo de ataque apropiado. Cuando se diseña  una aeronave que no tenga rueda o patín de cola, se debe de ajustar la altura del tren de aterrizaje de modo que la parte trasera de la cola o del fuselaje no golpee el suelo durante la rotación para el despegue o en la maniobra de aterrizaje con un ángulo de ataque elevado. Esto es una tarea básica de los ingenieros a la hora de diseñar un avión. Además de esto, en la práctica, las aeronaves de transporte civil de pasajeros están provistas de protecciones desmontables que protegen un posible golpe del fuselaje contra el suelo.


Esto es así porque a veces algunos pilotos con poca experiencia hacen girar el avión tan rápido que el fuselaje trasero golpea el suelo. Estos escudos protectores del fuselaje trasero son reemplazados de vez en cuando en alguna revisión rutinaria. Lo mismo es válido para la operación de aterrizaje donde el ángulo de ataque del avión y la altura de la rueda deben ser tales que no haya peligro de un golpe en la cola y que además dejen a la tripulación una buena vista de la pista. A pesar de que los ingenieros aeronáuticos diseñan los aviones de forma que exista un margen de entre 0,2 y 0,5 metros, todos los años se dan bastantes incidentes en los que los pilotos golpean la cola del avión.

las razones principales por las que los pilotos golpean con la cola son:

  • Despegar con el estabilizador horizontal descompensado (Mistrimmed)
  • Rotar a una velocidad incorrecta
  • Gradiente de rotación excesiva
  • Uso incorrecto del Director de Vuelo


Cuando se aterriza los problemas suelen ser:

  • Una aproximación desestabilizada
  • Mantener excesivamente el avión en la recogida
  • Maniobrar incorrectamente con viento cruzado
  • Rotar excesivamente en la maniobra de motor y al aire 

Para hablar de este tema voy a basarme en un avión que conozco bien, el E-Jet 190 de la casa Embraer, del que llevo instruyendo a pilotos unos 9 años. De todos los modelos de la familia me voy quedar con el considerad avión estándar. Este es el que se puede ver debajo, con una tabla asociada para los distintos pesos. Como se puede apreciar, el ángulo N en la parte trasera depende del peso. Evidentemente los amortiguadores y las ruedas se encuentran más comprimidos cuanto más pesado sea el avión. Tomaremos un peso medio o si se quiere un ángulo medio. Digamos que 12,5°.  


Los ingenieros aeronáuticos calculan la altura del tren de aterrizaje para evitar el golpe de la cola en el suelo. Otra solución común a este problema es acortar el fuselaje trasero incrementando el ángulo de la línea de levantamiento en la parte baja del fuselaje. La posibilidad de un golpe se estudia mirando el ángulo entre el suelo y la línea (morada y punteada en el gráfico) que pasa desde el punto de contacto del tren principal en el suelo hasta el comienzo del punto de levantamiento del fuselaje trasero (es decir, 𝞪 Margen). El requisito de distancia al suelo para la rotación de despegue y evitar un impacto en el fuselaje es el siguiente: 𝞪 Margen (𝞪c) > 𝞪 TO. Ver diagrama debajo.

Por lo tanto, el ángulo requerido para el margen es:


Siendo Hf la altura del fuselaje.

Geometría del avión en el momento de la rotación para tener un margen aceptable con el suelo.



En otras palabras, si el ángulo 𝞪 Margen (llamado también 𝞪c) es menor que el ángulo de rotación de la aeronave (𝞪 TO) durante el despegue, el fuselaje golpeará el suelo. Si ocurre lo contrario, habrá un espacio entre el fuselaje y el suelo que evitará un daño durante la rotación de despegue. El valor de esta distancia se puede determinar examinando el triángulo (ver diagrama debajo) que está compuesto de tres lados:

1. la distancia desde el tren principal al comienzo del ángulo de levantamiento (es decir, la línea entre los puntos A y B);
2. altura del fuselaje (Hf);
3. ángulo de rotación al despegue (𝞪TO).

La figura que sigue muestra el triángulo ABC que se forma entre la superficie inferior del fuselaje y el tren principal. El avión se rota alrededor del tren principal con la cantidad de ángulo de despegue prevista en los manuales del avión. El espacio mínimo entre el fuselaje y el suelo (HC o Margen) durante la rotación para el despegue puede llegar a ser de unos 30 cm. 



Las ayudas del software


En los modelos E-Jet 190 y 195, el sistema de vuelo fly-by-wire está programado para evitar estos problemas. Esto, junto con otras muchas cosas es algo que se conoce como funciones de alto nivel del sistema FBW de la casa Honeywell. El TSA o Tail Strike Avoidance funciona automaticamente durante los despegues y los aterrizajes.

la función TSA controla el ángulo de cabeceo del avión reduciendo la autoridad de la columna de dirección en la dirección de morro arriba. El máximo ángulo de cabeceo que puede adquirir el aeroplano es función de la altura sobre el terreno medida desde las ruedas del tren principal. El cálculo de esta altura depende de:

  • Para el aterrizaje - altura calculada por los dos radio altímetros
  • Para el despegue - altura estimada por medio de la velocidad vertical.

  
El nivel de autoridad de la función TSA depende de la configuración del avión (despegue o aterrizaje). La maniobra de motor y al aire (Go-around) se considera una maniobra de despegue.

En caso de que entre en funcionamiento el TSA durante el despegue, el máximo valor de cabeceo hacia abajo del elevador para poder corregir la actitud de la aeronave (y así reducir el grado de cabeceo) se limita a 8°. En caso de haber un cabeceo con valor negativo este máximo valor de morro arriba se queda en 0°. En caso de aterrizaje, si entra en funcionamiento la TSA la autoridad del elevador también se limita a una deflexión de 8° como máximo.

La operación de la función TSA se limita a una altura de 20 pies para los despegues y desde los 70 pies hasta el suelo para los aterrizajes. No existe función TSA para aterrizajes en configuraciones diferentes a las de posición 5 y 6 de flaps.

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