¿Por qué se necesita más empuje en días cálidos?

El transporte de pasajeros es un servicio al público que implica muchas más cosas que simplemente llevarles desde el punto A al B. Hay que estar atento a sus necesidades y a sus requerimientos y también hay que contestar a sus preguntas. La que comentamos hoy es la pregunta del mes de noviembre publicada en nuestra revista SWISS Magazine.  En ella solemos publicar alguna de las muchas preguntas que nos hacen los pasajeros. No debemos de subestimar el conocimiento de estos, pues a veces son personas que vuelan a muy a menudo y están bastante interesadas en los pequeños detalles. La respuesta por nuestra parte siempre es muy concisa, para no complicar las cosas. Este mes en la respuesta decimos lo siguiente: "cuanto más alta es la temperatura, menos denso es el aire. La fuerza de sustentación que permite que el avión vuele depende del número de partículas que pasan por el ala, por unidad de superficie y por unidad de tiempo. Se puede crear la misma cantidad de sustentación haciendo que el aire circule con muchas partículas a una velocidad baja o con pocas partículas a una velocidad alta. Por lo tanto, si hoy es un día muy caluroso (el aire es poco denso), entonces tendremos menos partículas en el aire y habrá que hacer que estas pocas partículas se muevan más deprisa por el ala. Por este motivo necesitamos que el avión se mueva más deprisa y para hacer que el avión vaya más deprisa necesitaremos más empuje".

Todo esto está muy bien. Los pasajeros quedan contentos y la explicación es suficiente para la mayoría, pero al ser tan parcos en palabras no describimos muchas cosas más que ocurren cuando se despega con altas temperaturas. Para algunos de los pasajeros más sesudos (suelen ser ingenieros en viajes de negocios) las explicaciones requieren ser algo más formales para que sus mentes "ingenieriles" puedan visualizar el hecho con números. Te citan siempre la famosa frase de Lord Kelvin, "No podemos decir que sabemos mucho sobre algo hasta que no somos capaces de expresarlo con números" (...o algo así). Entonces les explicamos la siguiente fórmula que indica todo muy claramente:


Siendo constantes la CL y la S, cuando aumenta la temperatura la densidad (Rho) disminuye. Por lo tanto, la velocidad (V) debe de aumentar si queremos que la sustentación (Lift) quede constante. Todo esto está muy bien, los pasajeros más exigentes ya quedan contentos y la explicación es suficiente para la mayoría, pero aún así no describimos muchas cosas que ocurren cuando se despega con altas temperaturas. Por ejemplo, una de las cosas que se ven más afectadas negativamente es precisamente el empuje del motor. Si contamos esto, entonces surge rápidamente otra duda. ¿Si el motor tiene menos empuje, entonce como podemos ganar más velocidad para hacer que las partículas pasen más deprisa por el ala?

La respuesta la encontramos cuando vemos el principio de funcionamiento de un motor a reacción. Simplemente se trata de succionar aire al interior. Una vez comprimido se inyecta combustible y se inflama la mezcla. Cuanto más aire más empuje podemos obtener. En el diagrama que sigue se pueden ver las partes básicas de un motor y la diferencia en el número de moléculas entre un día de mucha densidad (aire frío) y un día de verano (aire poco denso).


Sabemos que el empuje es directamente proporcional al aire ingerido, pero también es proporcional al número de revoluciones o N1. Cuantas más revoluciones del eje, más aire podremos meter (succionar) en el motor. Se puede decir entonces que "thrust" (empuje) es proporcional a RPM (N1) x Rho. Si la densidad disminuye, entonces la N1 debe de aumentar para mantener un empuje constante y viceversa.

N1, es pues un valor que varía y además es un dato muy importante para determinar el empuje real de los motores. Por ese motivo siempre se indica directamente al piloto en un panel dedicado o en las famosas pantallas EICAS o ECAM. En algunos aviones el empuje también puede ser indicado en términos de presión diferencial entre la entrada y la salida. Esto es lo que se conoce como EPR o Engine Pressure Ratio. Se mide dividiendo las presiones P2 y P7, pero hoy vamos a hablar solo de la N1. Debajo se puede ver una de estas indicaciones en un "panel clásico". Donde se destacan las revoluciones del eje interior (el Fan o N1) y el eje exterior o N2. A la derecha del motor se ve también una indicación EPR.


De esta forma cuando se vuela en un día cálido, lo que hay que hacer es aumentar las revoluciones N1, para compensar el menor número de partículas que hay en la atmósfera. Pero esto no se puede hacer de cualquier manera. Para ello existen programas informáticos que calculan la cantidad apropiada de revoluciones que se necesita aplicar. Un programa de esta clase está cargado en el FADEC u ordenador del motor. El FADEC recibe los inputs de parámetros exteriores, como la temperatura del aire, la configuración del avión, velocidad, etc.

En el E-Jet estos parámetros se obtienen via MAU (Modular Avionic Unit).  Una vez que el FADEC calcula la cantidad de revoluciones, estas se aplican al motor. Los datos deben de variar de acuerdo a la selección del piloto. No siempre se requiere la misma selección para el despegue. Hay veces que se pide al motor desarrollar toda la potencia de la que es capaz, otras veces se puede efectuar un despegue con potencia reducida. El piloto debe de decirle al FADEC que tipo de despegue necesita en cada momento. Para ello, normalmente hace uso de la unidad MCDU. Dicha unidad también manda datos al FADEC, tal como se puede ver en el diagrama. 

La gestión del empuje, es por tanto bastante automática en los modernos aviones comerciales. Esto es esencial para garantizar la seguridad en los despegues. El sistema de gestión de empuje automático (Auto-Thrust) no es parte del piloto automático, pero esta diseñado para formar un tándem con el. En el siguiente diagrama se aprecia de una forma muy sencilla los distintos sistemas que intervienen en el funcionamiento de la potencia automática. Como se puede ver, la unidad MCDU con la programación de la temperatura y las condiciones del vuelo mandará esta información a las unidades MAU (el cerebro del avión). La conexión de la potencia automática se activa en los E-Jet a través del GP (Guidance Panel) en vuelo o avanzando las palancas de gases mas de 50 grados si se ha pulsado previamente el botón TOGA (situado en las palancas de gases) en tierra.



Los cálculos deben de ser cotejados siempre por los pilotos. No se hace ningún despegue confiando solo en que los cálculos deben de estar bien hechos porque el ordenador "no falla". Para ello los pilotos emplean algún medio aprobado por la compañía para cotejar que los parámetros son correctos. La legislación (EASA ) autoriza a que estos medios sean informáticos, como por ejemplo programas instalados en las EFB (Electronic Flight Bag) o tablas de datos impresas por operaciones.


Debajo se puede ver un cálculo de N1 efectuado con mi IPad y el programa de Embraer para este tipo de operaciones. Se trata de una pista ficticia y las condiciones son las mismas, excepto la temperatura exterior OAT. 



Como se puede ver, la N1 debe de compensar el menor número de partículas en aire caliente y para ello varía de 88.2% (con temperatura cero grados) a un 91.6% (con temperatura 40°). Si los cálculos los hiciéramos con tablas impresas, tendríamos algo parecido a lo que se muestra a continuación. En este ejemplo la potencia de despegue es reducida, pero el procedimiento es el mismo. Si elegimos la columna con viento cero y una temperatura de 40 ° veremos que la N1 es en este caso 88.6%. además de esta información y al igual que en su versión electrónica, la tabla nos da también el peso máximo autorizado en estas condiciones, la V1, VR, V2 y el factor que nos limita si sobrepasamos este peso máximo (el código RO en este caso significa que no tenemos pista suficiente para despegar).


A la hora del despegue, los pilotos hacen la lista de comprobación llamada "before take-off", identifican la pista y entran en ella una vez autorizados para alinearse. Cuando ATC autoriza el despegue, el piloto al mando avanza las palancas un poco para ver que ambos motores desarrollan un % de N1 similar (están sincronizados). Acto seguido el piloto mete gases y lleva la palanca hasta el "target", que es el tanto por ciento previamente calculado. Si el A/T (empuje automático) está conectado, será este quién lleve la palanca hasta el target. El avión comienza a acelerar. Normalmente, antes de alcanzar los 80 nudos, el PF (Piloto que vuela el avión) dice: “CHECK THRUST”. En ese momento el PM o piloto que asiste/monitoriza verifica que la N1 ha alcanzado el target. Esto se hace observando que la aguja verde ha alcanzado el valor que se muestra encima del indicador en color cian. En el ejemplo de la ilustración que sigue este valor es de 98.5 %

Una vez comprobado el dato, el PM contesta al PF con un “THRUST CHECKED”. Con esto se asegura que el empuje es el correcto y se continúa el despegue. Como se puede ver, esto es bastante complejo y no puede ser fácilmente explicado a un pasajero. Por eso hacemos las explicaciones mucho más simples aún a riesgo de que la gente se quede con más ganas de saber.

Comentarios

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  2. Excelente artículo. Muchas gracias por la información. Una pregunta: ¿Por qué en un despegue con potencia reducida por temperatura asumida se engaña al CDU diciéndole que la temperatura exterior es mayor que la real, si en realidad con mayores temperaturas el empuje debe ser mayor? Es decir, con mayor temperatura el ordenador reduce N1 cuando en la realidad debería aumentarlo. Gracias de antemano.

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    1. Hola Daniel,

      Muchas gracias por la pregunta. Es un tema interesante y llevaría tiempo explicarlo con detalle, pero intentaré resumirlo. El despegue con empuje reducido (denominado a veces Flexible Take-off o FLEX TO o Assumed Temperature Method) se puede realizar solamente en unas situaciones muy concretas. Se utiliza para alargar la vida del motor. No siempre es conveniente aplicarlo y para ello existe otro tipo de despegue con empuje reducido denominado “de-rated thrust” en el que se reduce deliberadamente un % de N1 fijo (ya hablaré de ello más adelante en otra entrada). La legislación dice que para un FLEX TO no se puede reducir más de un 25% del empuje del motor. También dice que no se puede aplicar el Flexible Take-off en pistas que están contaminadas. Lo que ocurre en realidad es lo siguiente:

      1.- (…y muy importante) el Flexible Take-off solo se puede hacer si el peso de la aeronave en ese despegue en concreto es menor que el peso máximo del que es capaz la aeronave. Es decir, imagina que hoy tu avión va medio lleno. En ese caso es posible hacel un FLEX TO. Si tu avión fuera cargado hasta los topes entonces olvídate e intenta calcular un “de-rated”.
      2.- Si el paso 1 es verdad, entonces hacemos los cálculos para asegurar que no vamos a tener una reducción de más del 25%. También se debe de calcular que a pesar de la reducción de empuje (…y esto es muy importante también), se tiene pista SUFICIENTE. De lo contrario olvídate e intenta un despegue normal.
      3.- Se le dice al FADEC a través de la unidad MCDU o CDU cuál es la temperatura calculada previamente que nos permitirá aprovechar una mayor longitud de pista para un despegue seguro. Esta temperatura ficticia calculada siempre es mayor que la temperatura real exterior. De lo contrario olvídate :)

      Resumiendo: efectivamente reduces el empuje, pero lo haces cuando la temperatura exterior se encuentra entre unos determinados parámetros. La temperatura que se introduce en la unidad CDU o MCDU es siempre más alta que la temperatura real exterior (OAT). EL “truco”, si se quiere expresar así, es que al hacer esto utilizas más pista. En realidad, el motor ingiere más partículas de las que le correspondería en una situación con temperatura más alta simulada, pues la OAT real es mayor.

      Ejemplo:

      1.- Imagina que hoy tu peso máximo al despegue es 2 toneladas menor del MTOW (se puede hacer un FLEX TO)
      2.- Imagina que la temperatura real (OAT) hoy es de 18°
      3.- Imagina que los cálculos para longitud de pista y demás parámetros sugieren una temperatura “simulada” de 38°.

      Lo que ocurre en esta situación es:

      1.- Que el motor genera menos empuje.
      2.- Que el avión utiliza más pista.
      3.- Que las características aerodinámicas (performance) del avión son bastante mejores de las esperadas, pues aunque tienes menos empuje en los motores, sin embargo tienes más partículas sobre las alas, ya que en el exterior hay 18° y no 38°.

      Espero no haberte confundido más con mis explicaciones, en cualquier caso te recomiendo que leas el post relacionado: introducción al flexible-takeoff.
      https://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/introduccion-al-flexible-takeoff.html
      y también los relacionados con las performances de la aeronave.

      Un cordial saludo
      Manolo

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    2. Muchas gracias por tú rápida mega respuesta Manolo. Espectacular.
      Entonces cuando asumimos una temperatura por ejemplo de 35º, en realidad le estamos diciendo al motor: quiero que ejerzas el mismo empuje máximo que podrías conseguir con 35º. Y lo que hace el avión es tener en cuenta la temperatura real (siempre inferior) para reducir la potencia hasta ese empuje máximo imaginario.
      Por ejemplo: si un motor ejerce un empuje máximo de 10 a 15º y de 6 a 35º, le estamos diciendo: aunque estamos a 15º y tu potencial es de 10 quiero que reduzcas N1 hasta 6, como si estuviésemos a 35º. Aplica el mismo empuje que 100% de N1 a 35º.
      ¿Algo así? :)

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    3. Si, en esencia es algo así. A ver si puedo poner algún post explicando todo esto de forma más clara y con más explicaciones :)

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