El vuelo en formación

Una bonita mañana de primavera, con mi recien conseguida licencia de piloto comercial, despegaba todo ufano de Meachan field con mi avionetilla, una flamante Piper Arrow con un peso al despegue de unos 900kg (el peso de un utilitario). 

Según me había informado la torre estaba justo detrás de un "heavy", por lo que me retuvieron unos instantes para evitar que entrara en la turbulencia.

La palabra "heavy" (pesado) significa un tipo de aeronave grande, con un peso máximo de despegue de 160 toneladas o más. Estos aviones crean estela turbulenta con sus alas y requieren una separación adicional entre los aviones siguientes. El uso de "heavy" en las comunicaciones recuerda a otros pilotos este hecho.

A pesar de la separación (no fue suficiente), de repente, mi PA-28 empezó a flotar sobre la pista en mitad de la carrera de despegue. Entré en pánico, pues sentí una sensación de descontrol parecida a la que se tiene cuendo un coche patina en el hielo. Solo que esta vez era en tres dimensiones. La Piper flotaba ladeada siguiendo la trayectoria de despegue por la inercia, pero el morro miraba a izquierdas y luego a derechas dando bandazos sobre el asfaldo... unos momentos terribles que parecían dilatarse en el tiempo hasta que pude recuperar el control y salirme de la estela del MD-11. Estaba de lleno en las "wake turbulences" que pudieron haberme volcado la avioneta estrellándola contra el suelo.  

Hoy, mi buen amigo Juan Carlos de Aviación RACV me mandaba una nota de prensa donde se hacían eco del vuelo: Airbus realiza su primer vuelo de larga distancia en formación para reducir emisiones de CO2

En esta nota se habla del empleo de dos A350 volando uno a rebufo del otro (con una separación de 3 km) desde Francia a Canadá para demostrar un ahorro de combustible significativo. En el artículo se habla de las corrientes ascendentes y descendentes de aire que ayudan al avión que va detrás. El problema es que no se entiende bien lo de las corrientes ascendentes, pues como ya hemos hablado en este Blog, el avión, para poder mantenerse en vuelo,  desplaza el aire a su paso hacia abajo (el famoso downwash). Ver posts dedicados a ello.

Comprender el vuelo de forma sencilla

El Downwash y el ángulo de ataque

Vamos a intentar explicar aquí lo que ocurre en estos vuelos. 

Se trata de volar a rebufo... la idea no es nada nueva. Lleva estudiándose muy seriamente desde hace más de veinte años. Las aves migratorias de gran tamaño efectúan desde milenios este tipo de vuelo en V. Basados en esto, los científicos especularon con la posibilidad de que este tipo de vuelo fuese ventajoso. Ver este famoso trabajo del año 2002 (en inglés):

Lo que rechina a muchos es lo de que el avión que nos precede pueda generar upwash o corrientes ascendentes, pero todo tiene su explicación. 

El ala crea sustentación, que es la fuerza hacia arriba sobre el ala. Según el principio de acción y reacción, debe haber una fuerza descendente que actúe sobre el aire. Esta fuerza crea una corriente descendente detrás del ala. A medida que el aire acelerado interactúa con el aire en reposo más alejado, gira hacia afuera a los lados y retrocede, creando una ligera corriente ascendente fuera de las puntas de las alas. Es esta parte de la turbulencia de punta de plano la que se aprovecha en al avión que está detrás. 

Volar en este efecto agrega un poco de sustentación en el avión que va detrás, lo que a su vez significa que puede volar en un ángulo de ataque ligeramente más bajo y tener menos resistencia inducida. Esto recupera algo de energía del vórtice de estela que de otro modo se disiparía en forma de calor.

El problema de esto (todavía existen muchos otros problemas para que se autorice el vuelo en formación con pasajeros) es que el avión que sigue al primero, debe poder detectar estas zonas para poder aprovecharlas y eso, hasta ahora, no era posible de una forma efectiva.

Los militares hicieron pruebas con los C-17 para solventar esto. Según un artículo de Aviation Week de octubre de 2012, el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. Llevó a cabo un programa llamado Surfing Aircraft Vortices for Energy ($AVE) para probar / demostrar que la configuración del piloto automático de estos aviones podría ajustarse para permitir que los C-17 vuelen en formación utilizando el vórtices de punta de ala del avión líder para reducir el consumo de combustible de los aviones que están detrás. Parece que han encontrado una reducción de más del 10% en el combustible para los siguientes aviones.

La elección del C-17 para este programa no es casual. El C-17 tiene un sistema de piloto automático especial que incluye un componente llamado sistema de vuelo en formación MILACAS-FR de Honeywell (un TCAS militar). Gracias a este sistema, un avión podría hacer lo que hacen las aves. Estas detectan (según sospechan los científicos) el upwash de las puntas de ala del ave lider gracias a sensores específicos que se activan con las plumas. 

En resumen:

  • Esto solo es para aviones grandes. Los aviones pequeños pueden perder el control y estrellarse, como casi me pasa a mí.
  • Los militares vuelan en formación V, pero no es para ahorrar combustible, se trata de una táctica de defensa.
  • Se trata de emplear la parte ascendente del vortex (ver ilustración). Se trata de ir detrás y encima.
  • Se debe contar con un sistema muy sofisticado que detecte la parte ascendente de los vórtices de punta de plano.

Espero que haya quedado un poco más claro ahora lo de la corriente ascendente. Si los A350 de esta demostración montan un sistema parecido, entonces se podría pensar en seguir investigando, pero otro día hablaremos de los "otros" problemas, algunos de los cuales ya se pueden vislumbrar en la ilustración...



Si te gustan estos temas puedes leer más en los libros del Blog: 

https://www.bubok.es/autores/leopoldosanjulian

-------------- para los comentarios de este post ----------------

Link para los comentarios:

https://greatbustardsflight.blogspot.com/2016/08/nuevos-sensores-de-datos-del-aire-para.html

Con respecto a las otras preguntas: Si te sales de la zona óptima vuelves a volar en un vuelo sin uplift y se convierte en un vuelo normal. Si vuelas justo detrás del avión que va en cabeza entonces te comes todo el downwash. Lo importante es volar detrás, arriba y hacia uno de los laterales, como lo hacen las aves cuando vuelan  juntas en formación V en la foto que abre el post :)

En el Link de debajo tienes un estudio (en inglés) muy ilustrativo del sistema LIDAR:


Onboard wake vortex localization with a coherent 1.5 µm Doppler LIDAR for aircraft in formation flight configuration

...y aquí otro estudio polaco:

Optimisation of aircraft position in the formation flight for the drag reduction

...y aquí otro que habla del procedimiento:

Formation Flight Mechanics and its Integrated Logistics

Comentarios

  1. Hola
    Un artículo muy interesante, le he dado (desde mi ignorancia) un par de vueltas y se me acumulan las preguntas:
    ¿Cómo se aborda la detección de la forma del vórtice? La generación de estelas con humo o partículas me parece que penalizaría en masa al avión en cabeza.
    ¿Estos movimientos de aire son visibles con el radar meteorológico? Entiendo que no necesariamente (dependería de la humedad en el ambiente)
    ¿Quizás mediante alguna emisión EM activa del avión líder?
    ¿O el avión en cabeza mide el entorno y ya le dice al siguiente dónde debe estar?

    ¿Qué pasa en el avión perseguidor si te sales del punto de la estela correcto ? ¿Notarías un frenazo? ¿Vibraría como una turbulencia? ¿Volver a situarse en el punto óptimo penaliza el consumo, algo "similar" a volver a romper la barrera del sonido?

    Este tipo de vuelo en formación en supersónico, ¿tendría sentido?

    Mil gracias por tu atención a lectores y tu esfuerzo didáctico!

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    Respuestas
    1. Hola querido lector,
      Muchas gracias por tu comentario y tus interesantes preguntas. Desde hace ya algún tiempo existen detectores tecnológicamante muy avanzados que pueden medir estas cosas a base de luz laser y efecto Doppler. Mira, tengo una entrada del año 2016 titulada Nuevos sensores de datos del aire para aviones del siglo XXI, (ya es antigua), pero ya por aquel entonces se hablaba de estas cosas. Te dejo el Link al final de la entrada, porque en esta sección no se puede.

      En ese artículo se decía que estos sensores ópticos, a diferencia de los tradicionales pito/estática, van simplemente carenados detrás de una cubierta transparente que permite al sensor óptico calcular la velocidad verdadera del avión, la densidad del aire, el ángulo de resbalamiento, el ángulo de ataque, la temperatura, etc. y todo ello en tiempo real.

      La empresa Embraer ha incluido el sistema Ophir en su E170 EcoDemosntrator. Aunque las empresas implicadas han desarrollado técnicas diferentes, la línea base es la misma. Se trata de lanzar varios haces de luz hacia el aire que nos rodea. La luz que es reflejada se recoge en el sensor para poder determinar un modelo 3-D del aire en calma delante del avión.

      Esto se puede hacer en parte gracias al efecto Doppler que sufre la luz. Los comienzos de esta tecnología no son tan modernos como pudiera parecer. Lockheed ya empezó a usar estas tecnologías en los años 80 cuando trabajaba en un proyecto de avión furtivo. Las pruebas las llevaron a cabo en un L-1011, (el aparato era enorme y no se pudo embarcar en otro avión) donde pudieron medir la velocidad con el famoso efecto Doppler. La generalización y miniaturización de esta técnica se hizo factible a partir de la introducción de la fibra óptica y de la producción de nuevos procesadores más pequeños.

      Eliminar
    2. El WindSceptor de OADS lanza tres haces de rayos en un patrón cónico desde un sensor cilíndrico que está conectado con tres cables de fibra óptica a una caja electrónica. Los haces de láser tienen un alcance de unos 90 metros pero se ajustan para que puedan detectar el aire en calma a una distancia de 2 a 3 cuerdas por delante del ala (la cuerda del ala el la línea recta que va desde el borde de salida al borde de ataque). El sistema puede detectar la luz reflejada de aerosoles, partículas microscópicas de polvo y cenizas volcánicas suspendidas en la atmósfera. El problema para la detección de partículas en el aire reside en el hecho de que estas no existen casi en las altas capas de la atmósfera. A gran altitud el aire se vuelve muy poco denso y la detección de algunas pocas partículas podría no ser suficiente. Algunos fabricantes aseguran haber probado sus equipos a unos 50.000 pies de altura. Pero sus dispositivos aún no han sido certificados por las autoridades de aviación civil.

      La NASA también trabaja en este tipo de dispositivos para sus misiones en marte. El Molecular optical air data systems (MOADS) es un instrumento óptico compacto que puede medir directamente la velocidad y dirección del viento, la densidad y la temperatura de una masa de aire. La ventaja del MOADS con respecto a otros modelos es que pueden operar a altos ángulos de ataque. En la configuración adecuada, MOADS pueden seguir midiendo los datos del aire en ángulos de ataque de 90 grados. El MOADS va empotrado en el avión y es un elemento de baja observabilidad, ya que no hay salientes en el avión que generen una señal de retorno para un radar enemigo. El MOADS es una estructura independiente del fuselaje del avión y por ello es mucho menos costoso de calibrar y reparara. El sistema utiliza un interferómetro de Fabry-Pérot para detectar el desplazamiento Doppler (incoherente) de la luz láser retrodispersada por las moléculas de aire y aerosoles (de dispersión Rayleigh y Mie). El láser utilizado para proporcionar la señal utiliza longitudes de onda corta que operan en el ultravioleta a 266 nm, invisible para el ojo humano y rápidamente absorbida por la atmósfera.

      Desconozco los sistemas concretos que se montaron en los Airbus de esta prueba, pero sin duda deben llevar alguna cosa parecida. El avión que debe detectar esto es el que marcha en cola, pues el que va delante es el que abre camino en un vuelo convencional.

      En principio el vuelo en formación supersónico podría beneficiarse de las mismas corrientes de aire ascendente, desconozco si existiría alguna interacción negativa.

      Dentro de unos días sale nuestro Podcast de Aviación RACV (número 51) donde hablo también de estas cosas.

      Un cordial saludo
      Manolo

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