La era del transporte comercial a reacción

El otro día Pablo hablaba en su post sobre extinciones. Yo hoy voy a hablar de la  evolucion de las especies.

La investigación y el desarrollo del bombardero Boeing B-47 comenzó en 1945. El primer vuelo de un prototipo tuvo lugar en diciembre de 1947. Era un bombardero mucho más pesado que cualquier otro bombardero de la IIGM. Se diseñó para ser subsónico y volar a gran altitud con un alcance medio. El B-47 fue el primer bombardero estratégico a reacción puro cuyas características únicas incluían seis motores a reacción; dos motores montados juntos en cada uno de los pilones interiores y un motor en cada uno de los pilones exteriores. ¿Por qué fue importante este avión militar para el transporte comercial civil?

La razón es que gracias a este diseño se dio un gran paso adelante, porque los ingenieros pensaron que los aviones de transporte comercial podrían beneficiarse de estas características. Una de las cosas que quedó clara para estos diseñadores es que se debía adaptar este nuevo sistema de propulsión a chorro al avión comercial, de tal manera que se aprovecharan al máximo las características de rendimiento del motor a reacción. El túnel de viento Boeing Transonic (BTWT) fue una herramienta excelente para establecer la configuración final de un posible transporte civil a reacción.

Las características que se adaptaron del B-47 fueron:

• Ala muy aflechada (35 grados)
• Alta relación de aspecto (9.43)
• Amplio rango de velocidad
• Operación de larga duración a gran altitud
• Gran carga alar (el doble que en diseños anteriores)
• Ala delgada (relación de espesor constante del 12 por ciento)
• Un diseño aerodinámico extremadamente limpio
• Motores montados en pilones

Este diseño dio lugar a un rendimiento revolucionario, pero también presentó bastantes problemas y algunos desafíos ingenieriles importantes. Algunos de ellos relacionados con la seguridad. Todo ello requería soluciones tecnológicas de alto nivel. Algunos de estos desafíos comprendían:

• La forma de despegar y aterrizar
• Consideraciones sobre la distancia de frenado
• Capacidad del sistema de control en un amplio rango de velocidades, vibraciones (flutter) e 
• Integridad estructural para esta forma del ala y el rango de velocidades

Estos desafíos fueron solo algunos de los que encontró el programa de prueba después del primer vuelo el 17 de diciembre de 1947. Se llevó a cabo un programa de vuelo experimental, durante el cual se validaron muchas decisiones de diseño y se aprendieron lecciones muy valiosas (Ver la tabla debajo). Cada una de estas soluciones contribuyó a la alta seguridad de la que disfrutamos en el transporte a reacción de hoy en día. Se fabricaron más de 2.000 B-47 y el avión permaneció operativo hasta finales de la década de 1960, lo que nuevamente contribuyó en gran medida a incrementar la seguridad del avión comercial actual.

Dispositivos hipersustentadores

Otro gran paso adelante llegó con el prototipo del Boeing B-367-80. El Dash 80 aprovechó al máximo la experiencia  adquirida con el bombardero B-47. Una diferencia significativa con el B-47 fue la vuelta a un tren de aterrizaje tipo triciclo y ala en posición baja, lo que hizo posible adaptar la sustentación generada por el ala para un mejor despegue y aterrizaje. 

Además, con esta configuración, se aumentaba el peso del avión sobre las ruedas. Con esto también se mejoraba la capacidad de frenado del avión. Estos cambios se analizan junto con las mejoras en el sistema de control, la estructura y otras tecnologías que evolucionaron a partir del prototipo Dash 80.

El desarrollo de sistemas de incremento de sustentación siguió el mismo ritmo de evolución que el motor de pistón adaptándose a las operaciones de aviones de pasajeros. Los primeros bombarderos a reacción usaban flaps de borde de salida simples y ya se había estudiado (pero no se empleaban) flaps de borde de ataque. Estos flaps de borde de salida proporcionaban una excelente solución de baja resistencia al problema de lograr un despegue relativamente corto, pero crearon otro problema para la aproximación y el aterrizaje. Dado que la resistencia de los flaps era baja en la fase de aproximación, el empuje de los motores era también pequeño y resultaba difícil acelerar rápidamente los motores a plena potencia si, por cualquier motivo, se quería efectuar una aproximación frustrada (motor y al aire).

El control de la trayectoria para el aterrizaje también resultó ser complicado con estos flaps de baja resistencia. Con el B-47 en la configuración de aterrizaje, los motores tardaban nada menos que 13 segundos en acelerar al 60 por ciento de rpm. Parte de la solución fue incorporar flaps de borde de salida on ranuradas en varios elementos (tipo Fowler), que proporcionaban una mayor sustentación, pero también una mayor resistencia, con lo que la selección de empuje para la aproximación debía ser más alta. El resto de la solución fue trabajar en el propio motor para reducir el tiempo de aceleración. Hoy en día ese tiempo se cifra en unos 6 a 8 segundos.

La incorporación de flaps en el borde de ataque dio lugar a un aumento de la seguridad debido a un mejor rendimiento en cuanto a longitud de despegue y aterrizaje y un mayor margen de pérdida. La incorporación de estos flaps delanteroa (slats) en algunos de los primeros transportes a reacción se debió principalmente a las diferentes características de despegue de los aviones de línea frente a los aviones propulsados ​​por pistones. La razón es que el flujo de aire generado por la hélice sobre el ala proporciona un factor de seguridad adicional a bajas velocidades, lo que permite que el avión continúe generando sustentación a velocidades menores que las velocidades de pérdida. Otra característica importante en los motores de pistón es que estos aceleran mucho más rápido que un reactor.

Los flaps de borde de ataque en los jets extienden el margen de seguridad a velocidades aún más bajas y permiten márgenes de despegue y ascenso similares a los de los aviones de hélice. Algunos accidentes de los primeros reactores no equipados con dispositivos de borde de ataque se atribuyeron a una rotación demasiado anticipada del avión.

Los primeros aviones de pasajeros operaban en un número limitado de aeropuertos, y sus sistemas de hipersustentación (flaps/slats) eran adecuados, del mismo modo que el rango de altitudes y temperaturas encontradas en estos aeropuertos. A medida que los viajes en jet se volvieron más económicos, se empezó a volar a una gran cantidad diferente de aeropuertos, por ese motivo la tecnología de los sistemas de hipersustentación cambió con el fin de adaptarse a ellos.

En aras de conseguir distancias de despegue y aterrizaje más cortas, el programa del Boeing 727 desarrolló un perfil aerodinámico con un slat muy prominente y un sistema de flaps con tres elementos. Este sistema proporcionó la capacidad de operar a velocidades de aterrizaje y aproximación más bajas, lo que le dio al 727 la capacidad de aterrizar en pistas más cortas. Los aviones de pasajeros actuales incorporan slats de borde de ataque con dos posiciones para proporcionar una configuración de menor deflexión para despegues con poca resistencia, una posición con mayor deflexión para aterrizar a velocidades más bajas y una mejor visibilidad.