La importancia del ángulo de ataque III

Continuando con esta serie de artículos dedicados a la importancia del ángulo de ataque, hoy vamos a ver lo que sucede con los ángulos de ataque normales y muy altos a bajas altitudes.

La máxima sustentación que un ala puede producir a un determinado ángulo de ataque viene en gran medida determinada por la configuración de los controles de vuelo secundarios (flaps, slats principalmente), que son las superficies que incrementarán la curvatura del ala. En la foto que abre este post se puede ver a un Airbus con ambas superficies desplegadas para un aterrizaje.

Existen otras superficies de control secundarias, como por ejemplo los spoilers o aerofrenos, pero no se consideran aquí. Otra situación que afectan a la cantidad de sustentación generada por un ala es la contaminación de esta, debido al hielo principalmente. En condiciones normales nos vamos a centrar solamente en los flaps y los slats.


Existen muchos sistemas diferentes de flaps y slats, pero todos ellos tienen la misma finalidad.



Debajo se puede ver el efecto de los flaps, que permiten conseguir la máxima sustentación posible con un mismo valor del ángulo de ataque (CL y CL' tienen el mismo valor alfa max). La pérdida se sigue produciendo con el mismo ángulo de ataque (alfa stall). Los slats por su parte no aumentan la sustentación directamente, sino que permiten que, al estar extendidos, aumente el ángulo de ataque y con él la sustentación. En otras palabras, la pérdida se produce con ángulos de ataque más altos, como se puede ver debajo en la línea verde. 

En las gráficas de arriba se muestra el efecto de los flaps y de los slats por separado. Debajo se ve el efecto combinado de ambos elementos. El C_L aumenta a la vez que se retrasa la pérdida. El efecto combinado de ambos elementos es pues mucha más sustentación y una entrada en pérdida con un mayor AoA.

Todos conocemos el accidente del vuelo 5022 de Spanair en Barajas. En ese accidente fueron los pilotos los que no situaron estos dispositivos en su posición, pero a veces es un fallo técnico el que impide moverlos. Cuando esto ocurre, el manual nos hace la mejor recomendación posible. A veces esta recomendación es contraintuitiva, pero debemos de confiar en ella. 

Muchos pilotos tienen concepciones erróneas sobre estos elementos y las recomendaciones hechas por el manual. Se da el caso de que en determinadas circunstancias, una configuración de flaps o slats menor, o incluso la ausencia de ella puede dar lugar a mejores características a la hora de aterrizar. Esto es lo que ocurre por ejemplo en aviones de la familia E-Jet, en los que entrenamos situaciones anormales, como por ejemplo el mal funcionamiento de los flaps. En el ejercicio en cuestión hacemos que los flaps fallen cuando estos se hallan en transición de la posición 1 a la posición 2. Los flaps quedan bloqueados en esa posición y no pueden ni retraerse ni extenderse. El avión debe de aterrizar con los flaps en esta posición. Como puede verse en el dibujo que sigue, la línea que une el borde de ataque y el borde de salida del ala es la cuerda. El AoA es el producido entre esta línea y el viento relativo, tal como se muestra.

Mirando las tablas del QRH para solventar el problema, se da la circunstancia de que para el aterrizaje se recomienda situar la palanca de flaps en la posición cero. Esto supone que los flaps no se moverán al encontrarse atascados. Se encuentran en una posición fija. Por contra, los slats no se verán afectados y todavía funcionarán al mover la palanca. Los slats se retraen y quedan en posición cero (encastrados en el ala como para el vuelo en configuración limpia). Muchos pilotos no dan crédito a la propuesta de los ingenieros que han calculado las actuaciones aerodinámicas. Muchos de ellos aseguran que en una situación real no harían tal cosa. Ni se les pasaría por la cabeza, vamos.

Ellos argumentan que cuanta más configuración se tenga en un aterrizaje es mejor y más seguro. Pero las cosas no son tan sencillas. Si echamos un vistazo al siguiente dibujo veremos que al posicionar la palanca de flaps en cero, los slats se retraen completamente, quedando como parte del ala. Ahora, la línea de cuerda se ha movido, puesto que el borde de ataque del ala se encuentra más arriba.

Como se puede apreciar, el ángulo de ataque también se ha incrementado, haciendo que el avión disponga de más sustentación, pero también de más resistencia al avance, esto quiere decir que el avión necesitará menos pista para parar. Esto es lo que ocurre en aviones como los de la familia E-Jet, pero no en todas las configuraciones o casos posibles, por lo que el piloto debe de ajustarse a lo que diga el QRH. Esto no es pilotaje "monkey see monkey do", es simplemente que un piloto en vuelo no tiene tiempo de pensar en estas cosas, por lo que debe de fiarse de lo que ya se ha calculado por parte del personal técnico.

A bajas altitudes, por lo general, un avión reactor de altas características, no entra en pérdida hasta que el AoA local alcanza unos 16 ó 18 grados, quizás más. Todo depende de la sustentación máxima que puedan crear sus superficies de vuelo, principalmente el ala una vez configurada. Cuando se selecciona una posición de flaps se incrementa la sustentación por cada grado de ángulo de ataque. La pérdida ocurrirá casi siempre un poco por debajo del máximo debido a la separación del flujo de aire. Los slats por contra posibilitan que el ala pueda conseguir un AoA más alto debido a que su efecto es el de retrasar la separación del flujo de aire. Con el aumento de la velocidad en cambio ocurre una cosa diferente. Tal como se puede ver en la gráfica que sigue, al aumentar el número de Mach, se reduce el AoA en el que se produce una pérdida. 

Durante el despegue y el aterrizaje, un avión vuela relativamente cerca de su velocidad de pérdida. De hecho en el despegue certificado con un motor inoperativo (OEI - One Inoperative Engine), la velocidad de seguridad V2 es típicamente entre 1,13 y 1,2 veces la velocidad de pérdida para una configuración de despegue dada. De esta forma es fácil ver que la V2 es bastante más baja que la mejor relación L/D o lift to drag, la cual suele estar en torno a 1,3 veces la velocidad de pérdida. Aunque parezca un contrasentido, esto es así, porque de hacer un despegue con esta velocidad L/D, las actuaciones en caso de OEI se verían reducidas notablemente y el avión sería incapaz de ascender con el gradiente que indica el manual de vuelo o AFM.

Para el aterrizaje ocurre algo parecido. La Vref es solamente de un 23% a un 30% más alta que la velocidad de pérdida (1,23 a 1,3 Vso). Un cálculo aproximado nos daría que el coeficiente de sustentación aumenta 0,1 por cada grado de AoA, pero también aumenta considerablemente la resistencia al avance. 

Casi todos los aviones comerciales modernos y los reactores de negocios con un sistema de control de vuelo FBW digital, disfrutan de los que se conoce como protección de la envolvente de vuelo. Esta previene que el avión llegue a alcanzar los límites aerodinámicos donde se genera la pérdida. De la misma forma la protección de control de vuelo evita que el avión desarrolle extraños comportamientos cuando se encuentra volando con altos ángulos de ataque. Incluso aunque intentemos provocar una situación peligrosa tirando de la palanca o sidestick hacia atrás manteniéndola incluso en esa posición, el sistema FBW iniciará una bajada controlada del morro para evitar que el avión entre en pérdida o en una región donde sea incontrolable.

Si el avión cuenta con un sistema de control de vuelo convencional y si las características naturales de vuelo en la proximidad de la pérdida no proveen una indicación clara de que esta se pueda llegar a producir, un sistema de aviso artificial de pérdida se disparará, como por ejemplo el famoso stickshaker, o una alarma sonora, que avisará al piloto inmediatamente. Si el avión, como resultado del diseño, no bajara el morro naturalmente cuando se produce la pérdida, el fabricante normalmente instalará un sistema de recuperación que fuerce artificialmente a los elevadores a hacerlo (stick pusher). Por poner un ejemplo, en los antiguos Learjet el stick shaker se disparaba a 1,07 veces la velocidad de pérdida y el stick pusher un 5% antes.

Claramente el ala crea mucha más sustentación por cada grado de AoA cuando se encuentra dentro de lo que se conoce como efecto suelo, pero la pérdida o el Clmax ocurrirá de 1,5 a 2 grados menos que si el ala estuviera volando fuera de este efecto. Esta diferencia de AoA en la entrada en pérdida se debe de tener en cuenta a la hora de diseñar un avión y que este pueda operar de forma segura y con ciertos márgenes en cualquier fase de vuelo.