Los instrumentos clásicos de datos de aire

La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) define las normas y recomendaciones necesarias para garantizar el funcionamiento de las aeronaves de forma segura. El Anexo 10 trata específicamente de los "Equipos y Sistemas" que se encuentran instalados en la aeronave. En este anexo podemos encontrar gran cantidad de normas y requisitos para el diseño, fabricación y registro de instrumentos de datos del aire.

Estados Unidos fue uno de los primeros fabricantes de equipos para aeronaves, y como parece lógico, también fue el primer país en establecer regulaciones nacionales. La Administración Federal de Aviación (FAA) establece los estándares nacionales para equipos de aeronaves sus conocidas FAR o Regulaciones Federales de Aviación. La Parte 21 de las regulaciones FAR establece habla de las TSO o Technical Standard Orders, que contienen información y requisitos más detallados a un nivel muy técnico. Los países miembros de la EASA, el equivalente europeo de la FAA, han acordado regulaciones similares.

Debajo se pueden ver los elementos básicos de todo instrumento "clásico" de datos de aire.

Sensor ⇒ cápsula ⇒ mecanismo ⇒ indicación

Expansión de la cápsula = mayor indicación

Montar los instrumentos en un avión no es tarea fácil. Los paneles de instrumentos deben diseñarse de manera que no afecten significativamente a la precisión del instrumento. Los instrumentos deben protegerse contra los daños causados por la vibración. Deben de estar convenientemente aislados y sellados y protegidos de acuerdo con las normas nacionales. La instalación debe ser lo más simple posible para que los miembros de la tripulación lean los instrumentos, que se deben organizar de forma lógica según la función.

Los instrumentos de datos de aire requeridos son:

Altímetro, ajustable para cambios en la presión barométrica
Indicador de velocidad del aire
Indicador de velocidad vertical
Indicador de temperatura del aire exterior

Las pantallas modernas en los conceptos EFIS intentan reflejar la misma disposición en sus PFD´s. Debajo se puede ver el PFD de un E-Jet en el que se aprecia la misma configuración en T.

Todos los instrumentos deben pasar extensas pruebas en cuanto a temperatura y altitud, variación brusca de temperatura, humedad, golpes y vibración. Durante las pruebas de temperatura y altitud, el equipo puede estar sujeto a una presión muy baja equivalente a una altitud de 70.000 pies y a temperaturas de -55 ° C a + 85 ° C, dependiendo del tipo de aeronave y la ubicación del equipo.

Durante las pruebas de vibración, se examinan una serie de escenarios para varias combinaciones de avión y propulsión. Tres pruebas examinan la resistencia de estos equipos a los líquidos y al salitre. Existe también una prueba dedicada exclusivamente a determinar si el equipo es impermeable a alta presión. Otra prueba determina la susceptibilidad del equipo a los fluidos comunes de los aviones, incluidos el combustible, los fluidos hidráulicos, los aceites lubricantes, los disolventes y los líquidos de limpieza y deshielo, los fluidos anti-incendios, los insecticidas y el sulfuro. Además de lo anterior, el instrumento también se prueba para ver la reacción con la arena, el polvo y el hielo, y también su resistencia a los hongos. Además de todo lo anterior existe otra prueba que determina la influencia del equipo instalado en la brújula y otros equipos de navegación susceptibles de ser influidos.

Principio de operación general del sistema pitot estática

Recolectar la presión total (Ptot) (dinámica o de impacto + la presión estática de la atmósfera en reposo) es tarea del tubo pitot. Recoger la presión estática es tarea del puerto de estática. Los instrumentos de aire que trabajan con estas presiones están conectados al exterior de la aeronave con estos puertos. La energía de velocidad pasa a través de la abertura frontal del tubo y se transforma en energía de presión. Los tubos correctamente montados y sin daños funcionan prácticamente sin errores, siempre que el flujo de aire que llegue al tubo se mantenga dentro de los parámetros correctos con respecto al eje (que incluye una tolerancia de +/- 20 °). La presión total se mide dentro del indicador de velocidad del aire.

La presión estática que sirve al altímetro, el variómetro y al velocímetro se miden con unas ranuras u orificios situados en el lateral del fuselaje de la aeronave. En el esquema que sigue se puede ver como están conectados los instrumentos de datos de aire a los sensores (pitot y estática). Los tres utilizan la presión estática y el velocímetro además utiliza la presión del tubo pitot.

Los instrumentos de datos del aire clásicos producen indicaciones gracias a la expansión o contracción de una cápsula que llevan instalada en su interior. La expansión o contracción de dicha cápsula mueve a su vez una serie de engranajes que hacen que la aguja señale un valor. Debajo se puede ver el ejemplo simplificado del altímetro (un barómetro calibrado en pies o metros).

El caso del MASI o medidor del número Mach o Mach-metro es algo especial. Este instrumento cuenta con dos cápsulas en su interior, una avierta conectada al pitot y otra sellada (aneroide) como la del altímetro. La cápsula de velocidad se expande al ir más deprisa. Expansión = mayor lectura. La otra cápsula modula la lectura para su corrección. Ver post dedicado al MASI.

El altímetro y su funcionamiento

El altímetro funciona gracias a una cápsula aneroide, es decir, parcialmente evacuada pero que no se colapsa gracias a pequeños refuerzos y la forma (corrugada) en la que está construida. En el interior del instrumento se encuentra la presión estática. Al ascender existe menos presión y por ello la cápsula se expande.

El mecanismo que transfiere la expansión de la cápsula debe de estar calibrado. Existen muchos métodos para producir la indicación con las agujas, pero casi todos utilizan mecanismos parecidos a los de relojería, un conjunto de piñones, ruedas dentadas, sectores y brazos como en la imagen que sigue. En ella se ha optado por utilizar más de una cápsula aneroide (existen muchas variantes) con el fin de tener una mejor sensibilidad. El principio sigue siendo el mismo.

La calibración del altímetro no es nada sencilla. Se trata de transformar una escala no lineal (presión de la atmósfera estándar) en indicaciones de una escala lineal como es la escala del altímetro. Debajo se puede ver esta transformación.

La cápsula aneroide no se expade o contrae de forma instantánea, en su lugar sufre lo que se conoce como retraso o ciclo de histéresis de la cápsula aneroide. Las cápsulas en los demás instrumentos (velocímetro y variómetro) no son aneroides. Es decir, no tienen hecho el vacío y en su lugar pueden aceptar presión total o estática en su interior. Debajo se pueden ver las cápsulas de superficie corrugada (ondulada) de un velocímetro y un medidor de número Mach.

Existen muchos tipos de tubo pitot diferentes, la mayoría tienen un agujero para el drenaje de posible humedad y la mayoría están calefactados para impedir que se forme hielo y se produzcan obstrucciones. Algunas sondas de tubo combinan ambas presiones, total y estática. Estas presiones se mandan a los instrumentos a través de conductos o tuberías flexibles.

En el siguiente diagrama se muestra a donde va cada presión en cada uno de los instrumentos básicos. En otras palabras, dentro o fuera de la cápsula. Es muy importante entender este gráfico, porque a la hora de sufrir una obstrucción en vuelo del tubo pitot, de la toma estática o ambos, este dibujo nos puede indicarnos cual va a ser la reacción del instrumento al aumentar o disminuir la altura, al acelerar o al decelerar.

Los conductos y las tomas han de mantenerse limpios. Si se producen obstrucciones volaremos a ciegas, como en el horrible accidente de Aeroperú.

Las tomas de presión estática no se pueden poner en cualquier sitio. Los aviones tienen que ser estudiados para ver en que puntos del fuselaje existe menos error por el impacto del aire. Debajo se puede ver la posición más habitual en los aviones comerciales. La primera posición no es válida, porque aunque es la más precisa se encuentra fuera del fuselaje.

Problemas del sistema Pitot/estática (sistema de emergencia)

Al medir la presión estática o pitot, pueden producirse errores. Si uno de los puertos de medición está bloqueado (obstruido) o una línea de distribución de presión se rompe, la indicación de altitud, velocidad del aire o velocidad vertical puede ser completamente incorrecta. Para evitar situaciones críticas, el piloto debe poder identificar los errores en la medición. (La tabla que sigue da una idea de como se ven afectados los distintos instrumentos).

Si no es posible medir la presión estática debido a una obstrucción de los puertos estáticos, hay que hacer uso de la presión estática de emergencia dentro de la cabina (solo en aviones sin presurizar) o, si es posible, un puerto alternativo exterior.

En el caso de encontrarnos con un pitot bloqueado, ya no podremos verificar la presión total (si la aeronave está equipada con una sola sonda). El problema que mas se da en los sistemas pitot y estáticos de los pequeños aviones es la obstrucción debida a la formación de hielo, agua o insectos. Hay que tener en cuenta que en la aviación general y deportiva todavía se dan muchos incidentes y accidentes debido a la ignorancia y la inexperiencia.

¡Es de gran importancia familiarizarse con el sistema! Normalmente, en caso de obstrucción se suele encontrar una fuente de presión estática de emergencia dentro de la cabina. Cuando se suple a los instrumentos con esta fuente de presión estática alternativa desde el interior de la cabina, es probable que la presión estática medida sea más baja que la presión ambiental debido a la succión aerodinámica de la aeronave en vuelo.

Los sensores de presión de emergencia en el fuselaje exterior son menos precisos que los puertos estáticos primarios ubicados en las posiciones óptimas. Cuando se usa un sistema de presión alternativo, se debe de hacer uso del Manual de operación de la aeronave, donde podremos ver los valores de corrección correspondientes para los instrumentos respectivos. La detección de una obstrucción en la línea de presión total es sencilla: cuando no hay indicación de velocidad del aire. La línea estática de emergencia al estar dentro de la aeronave nos dará las indicaciones de altitud con cierto retraso porque el volumen de aire (dentro de la aeronave) responde con un cierto retraso a los cambios de presión externos. Hay que recordar que la presión dentro de la cabina de un avión en vuelo es típicamente más baja que en el exterior (efecto Venturi). En consecuencia, la indicación del altímetro está generalmente a unos 200 pies por encima del valor real, y la indicación de velocidad del aire es de 2 a 3 kt por encima de la velocidad real. Esta regla no se aplica a aeronaves con cabinas presurizadas.

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