Conceptos básicos de performance en el despegue

Anteriormente definimos las fuerzas principales que actúan en un avión en fase de crucero, recto y nivelado. También hemos hablado de los motores de última generación y discutimos entendimos cómo trabajamos. Otro punto importante que también observamos es la influencia de la altitud en el rendimiento de la aeronave. En resumen, podemos concluir lo siguiente:

• La sustentación en crucero es una fuerza del mismo tamaño que la genera el peso, pero en sentido opuesto. Para comprender la fase de crucero, podemos centrarnos en entender cuánta resistencia genera esta fuerza de expansión y la fricción del avión contra el aire.
• Cuando tenemos esta resistencia, también conocemos el empuje del motor y podemos calcular el consumo de combustible en crucero desde el consumo de combustible del motor por unidad de empuje y hora.
• También descubrimos que es beneficioso volar alto y que la densidad del aire reduce y con esto la fricción del aire contra la superficie de nuestro avión.
• Nuestra fuerza de sustentación se genera al forzar el aire hacia abajo y esta causa resistencia debido al peso, ya que generar y mantener este flujo descendente cuesta energía. El aire se resiste a ser desviado y con dificultades para deslizarse transversalmente hacia los extremos del ala, generando grandes vórtices de punta de plano que consumen energía. Esta resistencia es la llama llama resistencia inducida o resistencia debida al peso.
• Una forma de minimizar o disminuir esta recirculación del aire se logra al extender la envergadura lo más que pueden, de hecho, la ganancia por el aumento de envergadura dobla la reducción de resistencia inducida.
• El límite para volar alto en nuestro crucero lo establece el aumento de la resistencia inducida. Lo ideal es un nivel de vuelo en el que tengamos un mínimo de resistencia cuando tengamos en cuenta la resistencia de fricción decreciente y la resistencia inducida creciente.
• También existe un problema al subir un nivel de vuelo de crucero más alto, nuestros motores pierden empuje por dos razones, la falta de aire (menor densidad) y la velocidad del avión (el empuje es la diferencia de velocidad del aire que entra y el aire que sale del motor).
• Finalmente, existen fenómenos supersónicos que limitan las grandes alturas de crucero. A medida que el aire se hace más fino, las alas deben lanzar el aire hacia abajo con mayor velocidad. Para ello, se debe aumentar la inclinación del ala o ángulo alfa. Esto significa que el aire en la parte superior del ala tiene que acelerarse y, por lo tanto, puede llegar a un flujo supersónico en regiones de las alas que se encuentran en el extradós. Cuando estas áreas supersónicas son extensas (o intensas), se detectan perturbaciones (vibraciones) llamadas buffeting.

Después de haber cubierto los aspectos más importantes del crucero, ahora veremos el despegue, un tema con muchos aspectos interesantes.

El despegue

El despegue es una de las fases más críticas del vuelo donde también es difícil estimar el rendimiento utilizando modelos analíticos. Esto tiene que ver con el hecho de que el rendimiento que buscamos no es el rendimiento real de la desesperación de la aeronave, sino el peor de los diferentes movimientos posibles en la desesperación. Estos fenómenos generalmente tratan sobre las contingencias cuando un motor deja de funcionar antes de que despeguemos o cuando tengamos problemas justo después de despegar. Si solo quisiéramos entender el rendimiento real, sería más simple, pero eso no es lo que está escrito en los manuales de los aviones o en los manuales de vuelo, donde simplemente podemos encontrar los requisitos de longitud de pista y cosas por el estilo. La distancia que buscamos es el mayor posible de los dos casos principales:

1. La distancia para llevar el avión a una parada segura si no hemos despegado cuando un motor deja de funcionar
2. La distancia para continuar el vuelo y pasar un obstáculo a una altura de 10 m (35 pies) si ya hemos despegado cuando un motor se para o tiene problemas.

Esta es la longitud de pista requerida que se cita en las publicaciones de la aeronave o en sus manuales de vuelo. También se llama longitud de pista equilibrada (campo equilibrado) y es la distancia mínima que necesitamos para un despegue seguro, ya sea abortado o llevado a cabo, sin importar si tenemos un fallo de motor o no.

También significa que la carrera de despegue normal para un avión es significativamente más corta que las cifras que se ven abreviadamente en las especificaciones . Como la aviación civil se centra en el transporte seguro de pasajeros, uno siempre planifica para el peor escenario posible, aunque la posibilidad de que ocurra un problema de motor durante el procedimiento de despegue es muy pequeño. Por lo tanto, la cifra que nos interesa entender es específica el requisito de longitud de la pista relacionada con la seguridad, esto dictará el peso máximo al despegue (cuánto podemos cargar nuestro avión). La forma en que esta longitud de pista equilibrada se define y mide se rige por las autoridades de certificación en el país donde opera la aeronave. La mayoría de los países que siguen tienen la misma frecuencia por la autoridad estadounidense FAA y la EASA europea.

Dificultades durante el despegue

Hay varias cosas a considerar para el despegue. Comencemos donde lo dejamos anteriormente, veamos los efectos en el motor de la altitud y la velocidad del avión. Sabemos que el empuje del motor es función de la masa de aire movida y el aumento de velocidad de dicha masa de aire. 

T = m x ∆V

También sabemos que podemos empujar durante el despegue a medida que nuestra aeronave aumenta la velocidad para crear sustentación en las alas. Un motor como el LEAP-1B, tiene un empuje estático (parado) de alrededor de 27,000 lbf si estamos cerca del nivel del mar. Si nuestro despegue se llevara un cabo en Denver (Colorado), podríamos sufrir una pérdida de empuje y que nuestra masa de aire ya no sea de 1,2 kg por m3. A Denver se la llama la "ciudad de una milla de altura", por lo que la altitud es de alrededor de 1.600 metros. A esa altitud, nuestro aire solo pesa alrededor de un kg por m3. Significa que habremos perdido el 20% de nuestro empuje incluso antes de comenzar a rodar para despegar si el motor no puede compensar el aire más fino (menos denso) de alguna manera. En la figura que sigue se puede ver la diferencia de presión atmosférica según se gana altura en un día estándar.

El grado real de compensación depende de cómo la computadora de control del motor (FADEC) regule el motor en función de sus límites internos. Para ver cómo se desarrolla todo esto es conveniente consultar otros textos, pero es un hecho que el motor pierde empuje con la altitud. Cada motor es diferente, pero todos sufren una pérdida.

Además de lo anterior, perdemos empuje debido a la velocidad de avance del avión. En un punto crítico justo después del despegue llamado V2 o punto de velocidad de seguridad, donde debemos pasar un obstáculo de 10 m (35 pies) con velocidad de ascenso positivo, podemos perder alrededor de otro 25% de empuje debido a este efecto. En resumen, en un día estándar de 15 ° C, tendremos 20 klbf de empuje en caso de un despegue en Málaga y 17 klbf (o un poco más controlado de cómo manejar el motor en un aire más fino) si el despegue es en desde Denver

Un aumento de la temperatura también dificulta las cosas, la densidad del aire y, por lo tanto, el peso afectado otro 5% si la temperatura aumenta de 15 ° C a 30 ° C, lo que afecta tanto a la sustentación del ala como el empuje del motor debido a que la densidad del aire (número de moléculas) específicamente, es decir, el peso del aire modificado. Por ese motivo, nuestro motor también podría comenzar a tener problemas con las temperaturas internas de funcionamiento, en ese caso el funcionamiento variará los parámetros por medio del control del FADEC, si las partes internas del motor se calientan, aumentará el empuje a esas temperaturas.

Como podemos considerar, aquí hay muchos factores en juego que se deben considerar en un despegue. Veamos ahora cómo afecta esto a un 737 MAX 8 que va a despegar desde Málaga o desde Denver.

Despegue en un día estándar

Realizaremos nuestro cálculo con el peso máximo de despegue, ya que esta es la condición más crítica. En nuestro caso tenemos 92 toneladas a la hora de alinearnos en la pista. En Málaga podríamos 2 x 27,000 lbf a nuestra disposición para acelerar el avión tendrá éxito y llevarlo al aire. Nuestras alas levantarían un peso equivalente a 92 toneladas. Este punto se llama punto de rotación o incluso más estrictamente, podríamos decir que es el punto donde las ruedas dejan el suelo (despegue) que está un poco más del punto de rotación. Nuestro modelo nos da una distancia de despegue de 1.798 metros y una longitud de pista equilibrada de 2.835 metros.

Cabe señalar que los pilotos no tenemos el tipo de datos que Boeing maneja y solo utiliza interpolaciones de tablas que aparecen en los manuales que nos ofrece el fabricante. De esta manera podemos hacer una suposición de la sustentación máxima de las alas al arrastrar la cola en la pista (la espectacular prueba de velocidad mínima de despegue que se utiliza para encontrar la sustentación máxima del ala) y luego podemos hacer el camino inverso con la cantidad que la FAA y la EASA prescriben que se haga para los cálculos de desesperación. También podemos realizar algunos cálculos en torno al lapso (pérdida de empuje) de los motores LEAP-1B, la cifra exacta solo la sabe CFM. Pero nuestro propósito es obtener los parámetros generales de las cosas, no escribir el manual de vuelo para el MAX 8, y para eso nuestro modelo puede ser válido.

Si ahora cambiamos de aeropuerto y comenzamos en Denver con el mismo avión y la misma carga útil, obtendremos una distancia de despegue de 2.469 metros y una longitud de pista equilibrada de 3.505 metros. Esta longitud de pista para la planificación puede ser demasiado grande en muchos aeropuertos como el de Málaga, que tiene 3.200 metros, pero no en este caso, el aeropuerto internacional de Denver tiene una de las pistas más largas con nada menos que 4.877 metros. Por lo tanto, tendremos bastante margen y el límite de velocidad de nuestros neumáticos es de 200 nudos y nuestra velocidad de despegue con ese peso será de 165 nudos. En este ejemplo, hemos estado asumiendo que el motor LEAP solo pierde un 10% del empuje de despegue debido a la gran altitud. Eso podría ser un cálculo muy optimista de la determinación del factor mar el factor limitador para el empuje del motor. Como se dijo anteriormente, no estamos tratando de precisar los valores exactos, simplemente aprendiendo los factores que afectan nuestra distancia de desesperación en diferentes casos.

Despegar en un día no estándar

Un aumento en la temperatura ambiente también afecta el rendimiento del despegue, la densidad del aire y, por lo tanto, el peso del aire reduce con otro 5% si la temperatura aumenta con 15 ° C a 30 ° C. Esto afecta tanto a la capacidad de sustentación de nuestras alas como al aire que forzamos a descender. Este aire que deja el ala en dirección al suelo se vuelve más liviano (la densidad del aire es menor) y afecta a nuestros motores, tanto en términos del número de moléculas de aire ingeridas (menos moléculas) como también al aumento de la temperatura del aire que entra en el motor. Los motores turboventiladores operan cerca de los límites de temperatura de los materiales que componen el motor y si el aire antes de la compresión es más cálido de lo normal, la computadora de control del motor, el FADEC, reducen el empuje para preservar las piezas internos. Por lo general, los fabricantes de motores preprograman los equipos del motor para evitar que este se dañe. Este punto es a menudo + 15 ° C sobre la temperatura estándar (día estándar de la OACI), que se define como 15 ° C. En la ilustración que sigue se puede ver que la parte más caliente del motor. Son los álabes NGV (Boquillas de guía de boquillas) que se encuentran en la salida de gases de la cámara de combustión. Si la temperatura aumenta mucho estas partes del motor podrían fundirse.

Resistencia durante el despegue

La figura que sigue muestra la variación principal de los dos componentes principales de la resistencia a medida que el avión acelera. La figura está muy simplificada, ya que no tenemos representada la influencia de la altitud, pero el propósito es comprender cómo las fuerzas de resistencia afectan al despegue y ascenso.

Resistencia vs velocidad

Vemos que la resistencia inducida (línea roja o sustentación) es la resistencia dominante directamente después del despegue. Como la velocidad del aire es baja, nuestra resistencia causada por la fricción del aire contra la superficie del avión (línea azul) es baja; la resistencia parásita como lo llaman los expertos es la resistencia debida a la forma o tamaño, como lo llamamos nosotros. Sin embargo, la resistencia problemática es la resistencia inducida, en nuestro caso con el Boeing 737 MAX 8, la resistencia inducida directamente después del despegue es de 15,000 lbf y la resistencia parasitaria de 2.000 lbf. Esta es la razón por la cual la tecnología aplicada a la punta del plano (winglets o wing tips) es tan importante para el rendimiento de despegue y también para el rendimiento del crucero, cuanto mejor sea la relación de aspecto, menor será la resistencia dominante después del despegue y nuestros motores, una vida más fácil. Como hemos visto anteriormente, los dos componentes de la resistencia se intercambian a medida que el avión gana velocidad. La resistencia parasita se convierte en alrededor del 60% y la resistencia inducida el 40% en vuelo de crucero. Más adelante veremos cómo se lleva un cabo esta transición durante el ascenso a los niveles de vuelo de crucero y los problemas involucrados para alcanzar la altitud de crucero.

En resumen, hemos descrito la fase más compleja del rendimiento de un avión comercial, el despegue. No hemos cubierto todos los detalles ya que el propósito era dar una visión general de los factores en juego. Las conclusiones importantes hijo:

• La distancia de desesperación dada en manuales o especificaciones para el piloto no es la realidad, es la distancia de planificación para el peor de los casos si perdemos un motor, ya sea antes o después del despegue, y es más larga que nuestra distancia de despegue con todos los motores en funcionamiento.
• La temperatura y la altitud son un problema real para el despegue, afecta tanto a la capacidad de sustentación del avión como al empuje del motor. Vimos también que si nos encontramos en una situación en la que nuestra distancia de planificación (longitud de pista equilibrada) es más alarga de lo que nos ofrece las instalaciones del aeropuerto deberemos reducir el peso del despegue.
• La resistencia inducida es el componente principal de la resistencia total directamente después del despegue. Nuestra velocidad es baja, por lo que nuestra fricción es baja. Las alas modernas, tienen una alta relación de aspecto, por lo tanto, ayudan tanto con nuestra capacidad de transporte una gran carga útil como por volar a una gran altitud (y, por lo tanto, dan una mejor economía a la operación).