La importancia del ángulo de ataque I

Las autoridades civiles de aviación, están promoviendo activamente desde hace tiempo la instalación de sistemas de indicación de ángulo de ataque (AoA) en los aviones civiles. Según lo legisladores, este sería un buen medio para reducir los accidentes causados por pérdida de control en avionetas, reactores de negocios y aviación general. Estos indicadores pueden llegar a salvar vidas si se saben interpretar correctamente. Las mismas agencias gubernamentales de regulación y de investigación de accidentes también creen que los sistemas de indicación del AoA tienen la capacidad de mejorar la seguridad en los grandes reactores de transporte de pasajeros. Existe un claro historial de accidentes en la aviación comercial que puede llevar a pensar a las autoridades la necesidad de tales dispositivos en todos los aviones civiles. Las autoridades de aviación civil, manejan la hipótesis de que el accidente del vuelo 447 de Air France en junio de 2009, pudo haber sido evitado si este aparato hubiera estado instalado a bordo. En dicho accidente, como se sabe, murieron las 216 personas a bordo. Si los pilotos hubieran tenido entrenamiento específico en los que se denomina "upset recovery", podría haberse evitado la catástrofe.

Esta es una de las cosas que ya se entrenan en los cursos de calificación de tipo. Debajo se puede ver una sesión en la que, después de haber sido desconectadas todas las protecciones, el CSeries con casi 50 toneladas de peso, realiza un tonel como si se tratara de un avión acrobático.



Lo que se puede ver en el vídeo es un tonel en el simulador del CSeries de Bombardier en Zurich. Después de desconectar los 3 PFCC (Primary Flight Control Computers) del sistema FBW, el avión se convierte en eso... un avión convencional. Y un avión es un avión, aunque sea de pasajeros. Puede hacer eso y mucho más en manos expertas.

La oficina francesa BEA (Bureau d’Enquêtes et d’Analyses pour la sécurité de l’aviation civile), que ha investigado el accidente del vuelo AF447, recomienda en sus conclusiones que tanto la FAA como la EASA comiencen a evaluar la relevancia de imponer a través de la nueva legislación la instalación en la cabina de vuelo de un sistema para obtener una indicación directa del ángulo de ataque. 

Los pilotos del A330 de Air France perdieron el control del aparato cuando se encontraban en un nivel de vuelo 350 durante condiciones instrumentales (IMC) sobre el Atlántico al norte de las costas de Brasil. Los tubos pitot se obstruyeron con cristales de hielo, haciendo que tanto las pantallas primarias del vuelo de la aeronave (PFD´s), como el sistema de control de vuelo digital (FBW) y el piloto automático se degradaran o quedarán inoperativos. La formación de hielo dentro de los tubo Pitot también causó que el sistema FBW del A330 perdiera su funcionalidad y la capacidad de operar en lo que se conoce como ley de control normal para pasar a un modo degradado o alternativo. Este modo, aunque perfectamente controlable, no incluía la protección de la envolvente de vuelo. El sistema bajo la ley alternativa emite avisos de entrada en pérdida, pero no proporciona ninguna protección automática para evitarla. Los pilotos, sorprendidos por la situación y confundidos, efectuaron maniobras erróneas haciendo que la aeronave subiera rápidamente por encima de su techo, según la BEA. El sistema de advertencia de pérdida se activó brevemente dos veces durante el ascenso. Cuando la aeronave alcanzó una actitud de morro arriba de cerca de 6º el aviso de la pérdida se activó de forma permanente. Pero al parecer la tripulación no se daba cuenta de lo crítico de su situación. Al efectuar una maniobra tirando de la palanca (sidestick) hacia atrás provocó también que el elevador quedará configurado para proseguir morro arriba (trimmed nose up). Posteriormente, la aeronave entró en una condición de pérdida total, con una actitud de morro arriba de 15 grados y un AoA relativo de 35 a 40 grados. En estas condiciones el avión se desplomó hacia el océano a más de 10.000 pies por minuto (más de 50 metros por segundo).

Cayendo a esa velocidad la aeronave desaceleró tan precipitadamente al pasar por el nivel de vuelo 350, que el sistema de aviso de pérdida pasó erróneamente del modo vuelo al modo tierra, causando que el sistema de pérdida cesara de emitir avisos (el avión "pensaba" que ya estaba en tierra). El piloto al mando finalmente empujó el mando hacia adelante, haciendo que la velocidad aerodinámica aumentara, lo que nuevamente activó el aviso de pérdida (el avión volvía al modo aire). Pero ya fue demasiado tarde. Poco más de 4 minutos después de que las pantallas se apagaran, el avión se estrelló contra el agua a una velocidad de descenso de casi 11.000 pies por minuto y con una velocidad hacia adelante de sólo 107 kt.

La BEA ha declarado en su estudio que la tripulación nunca identificó realmente la situación de pérdida al no disponer los pilotos de una indicación directa del AoA. Si se quiere recuperar una situación de pérdida inminente, es esencial reducir el AoA. Únicamente una lectura directa de este parámetro podría haber posibilitado que la tripulación se diera cuenta de la situación (aerodinámicamente hablando) del aparato y podría haber sido esencial para que estos tomaran las acciones oportunas de recuperación.


Algunos aviones comerciales modernos tienen indicaciones para mostrarle al piloto lo cerca que está de la pérdida. Estas indicaciones vienen dadas por lo que se llama "Low speed awareness tape" o indicación de baja velocidad que aparece por la parte inferior del indicador de velocidad y el famoso "PLI" o indicador de límite de cabeceo (Pitch Limit Indicator), como el que se muestra en el diagrama de arriba. Estas indicaciones son derivadas de los cálculos del ordenador basados en los datos del aire del ADC y de los IRS, pero no son indicaciones directas del AoA del avión. 

Desafortunadamente solo unos pocos reactores civiles cuentan con lecturas directas del AoA. Como decimos, en la mayoría de aviones se utiliza el AoA solamente para generar indicaciones de que se entra en la zona de riesgo para una pérdida o para iniciar las indicaciones de escape en una situación de cizalladura del viento (wind-shear). Boeing sin embargo, asegura que el AoA es un factor clave en ingeniería aeronáutica y es fundamental para entender dinámica, características, estabilidad y control de una aeronave. Desde esta empresa estadounidense se aboga por la introducción de este instrumento en la cabina de vuelo. En próximas entradas seguiré con la continuación de este tema tan importante y las implicaciones que tiene desde el punto de vista aerodinámico.

Comentarios

  1. Tengo una duda. ¿Por qué el horizonte artificial no es un indicativo del ángulo de ataque del avión?

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    1. Hola Johnny, muchas gracias por tu pregunta. Es una cuestión muy interesante y merece la pena ser explicada en un artículo más extenso que pondré más adelante con alguna ilustración, pero te contesto ahora aquí lo básico.

      El horizonte artificial (HA) es un instrumento que se diseñó para algo distinto al del ángulo de ataque (AoA). El HA mide la posición del avión en cabeceo y alabeo respecto de un punto de referencia que se encuentra teóricamente en el centro de la Tierra.

      En los aviones clasicos se trataba de un giróscopo o gisroscopio (una masa en rotación) que se mantenía estable apuntando a la vertical terrestre. En los aviones moderno eso lo hace ahora un sistema llamado INS o IRS, pero el resultado práctico es el mismo. Se trata de detectar la "actitud" del avión, esto es, la orientación de sus ejes en el espacio con respecto a una referencia. Con esto el piloto se orienta y sabe donde está el suelo con respecto a la aeronave. Lo explico con detenimiento en varios posts dedicados al horizonte artificial que podrás encontarr segurmente utilizando la la lupa en la cabecera del blog.

      El principio de funcionamiento de un sensor del AoA por su parte es diferente. Un sensor de AoA tiene que medir el ángulo con el que el viento se dirige hacia una línea imaginaria que une el borde de ataque con el borde de salida del ala (no del fuselaje del avión). El AoA es un parámetro de gran importancia porque ayuda a determinar la cantidad de sustentación en un momento dado.

      La cuestión es, que un avión puede tener diferentes actitudes medidas por un HA (incluso en vuelo invertido) y el mismo AoA en todas ellas. Lo contrario también puede ser cierto, se puede volar con la misma actitud y tener diferentes AoAs.

      Hay algunos aviones militares, como el F-18 (en el HUD) que tienen instalada esta indicación. En los aviones comerciales modernos la industria ha considerado que no es extricatamente necesario tener este sensor en el cockpit, pues los aviones se operan dentro de unos límites de la envolvente de vuelo que no deberían dar problemas, además la instalación de un nuevo sensor y sus indicaciones llevaría pareja la instrucción (a veces compleja) para que los pilotos pudieran interpretarla correctamente.

      Cada día se ve que la implementación de dicha indicación es más necesaria y puede que dentro de poco los aviones acaben incorporándola. Espero poder haberte aclarado un poco las cosa. Te lo cuento de forma más detallada en el post dedicado que pondré más adelante.

      Un cordial saludo y muchas gracias por seguir el Blog
      Manolo

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  2. Gracias por el tiempo que dedica a este blog, es muy instructivo y comprensible para los que no hemos estudiado aviación formalmente y siempre tenemos preguntas. Tengo una más. En este artículo, en el párrafo debajo del vídeo del simulador se da a entender que un avión de pasajeros, técnicamente podría volar invertido, ¿es correcto, un avión de pasajeros podría volar invertido? En el episodio de Mayday Catástrofes Aéreas: Cabeceo mortal, se dice que debido a que el morro del avión, un DC-8, se levantó por encima de lo normal, el aire no fluía debidamente a los motores, por lo que no se realizaba correctamente la combustión y se produjeron llamas en los motores. Yo he visto videos del Boeing 787 que despega casi verticalmente y no pasa nada.

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    1. Hola Johnny, es un placer contar con lectores como tu. Pues verás, los aviones comerciales están diseñados para un tipo de operación muy definido. Esto quiere decir que no están preparados para el vuelo invertido como sifueran aviones acrobáticos.

      Pero técnicamente se podría decir que un avión comercial podría hacer un vuelo invertido siempre y cuando se eliminen las protecciones de la envolvente de vuelo y se efectúe con g's positivas sin exceder los límites. La maniobra debería ser de corta duración y muy controlada. De hecho, eso se ha hecho varias veces. Te cuento:

      Bob Hoover hace verdaderas diabluras con una Aero Commander, un avión de hélice bimotor, que no está preparado para eso. Puedes buscar los vídeos en Internet y te sorprenderá ver como hace un tonel virtiendo agua desde una jarra a un vaso todo el tiempo patra demostrar que no se derrama ni una sola gota siempre y cuando se haga correctamente.

      Otro ejemplo del vuelo fuera de los parámtros normales fue el looping que hizo Tex Johnston (piloto de pruebas) con un Boeing 707, tengo un post dedicado que se llama Un tonel, dos toneles.

      También tengo otro post que puedes buscar en la lupa y se llama Un tonel con el Concorde. Sí, efectivamente se puede hacer un tonel con este avión, que por cierto, no fue el primer avión comercial en romper la barrera del sonido. Eso lo hizo un humilde DC-8 que teóricamente no estaba preparado para ello. Tengo otro post dedicado que seguramente encontrarás.

      En la vida real, un 747 de China Airlines se vio envuelto en un vuelo invertido del que casi no pudo recuperarse. Lo puedes ver en la Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Vuelo_006_de_China_Airlines.

      Pero como te comento más arriba, una cosa es hacer un vuelo invertido en una maniobra como estas y otra bien distina es poder mantener el vuelo invertido sostenido un tiempo considerable. Eso es otra cosa. El vuelo invertido en un avión comercial seguramente acabaría apagando los motores por falta de combustible. También podría producir una gran cantidad de problemas estructurales ...y muchas otras cosas. Así que la respuesta es depende de la maniobra.

      Fíjate que ni siquiera un avión de combate como el F-18 puede mantener el vuelo invertido (con menos de una g positiva) más de 30 segundos seguidos. Eso es porque se quedaría sin lubricación el motor. Así que todo depende de las famosas g's de las que tanto hemos hablado :)

      Un cordial saludo
      Manolo

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    2. Corrección, la maniobra de Tex Johnston no fue un looping, fue un tonel. Ahí me estaba colando yo :)

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