El accidente del CL604 - N90AG

Una mente brillante y un extraño avión

La mayoría de los aficionados a la aviación sabrán que esta fotografía pertenece a Richard T. Whitcomb probando uno de sus modelos en el túnel de viento. Conocido entre otras muchas cosas por el desarrollo de la llamada regla del área. En la foto se puede apreciar que el modelo con el que trabaja tiene el famoso talle de avispa o forma de botella de Cocacola que ilustra este principio.

Whitcomb trabajó en la NACA, (predesora de la NASA) en diferentes proyectos. Uno de los más famosos fue el del ala supercrítica. Whitcomb no era un ingeniero aeronáutico al uso. En lugar de trabajar con las reglas de cálculo logaritmicas sentado en un despacho prefería pasar las horas en el tunel de viento. Se decía que almorzaba y hasta se echaba siestas allí dentro del túnel mientras descansaba entre experimentos. Se podría decir que Whitcomb era un ingeniero eminentemente empírico con una visión muy diferente de la de los ingenieros de los años 50. El fruto de sus ensayos fue el ala Supercrítica.

La idea detrás de esta ala era muy sencilla. Después de considerar el aumento repentino de la resistencia que experimenta una combinación de ala y fuselaje a una velocidad de aproximadamente 800 km/h, Whitcomb concluyó que "las perturbaciones y las ondas de choque son simplemente una función de la variación longitudinal del área de la sección transversal". El ala supercrítica no era más que una extensión de este principio aplicada a la forma de la sección transversal o perfil del ala. Una vez calculada y probada en el túnel del viento se instaló en un avión poco convencional (ver foto arriba). Se trataba del F-8 de la NASA modificado y llamadoTF-8A.

La ballena (The Whale)

El ala supercrítica tiene una forma peculiar. A veces se la conocía con el apodo de la ballena precisamente porque la parte superior era más aplanada y la inferior más curva. El ala supercrítica está diseñada para retrasar la onda de choque que se forma a velocidades transónicas. Debajo se muestra una comparación entre el ala convencional y el ala supercrítica.

El ala supercrítica tiene una parte superior más plana y un borde de ataque redondeado. La parte trasera denominada borde de fuga es más inclinada hacia abajo. También se aprecia que esta ala es más gruesa que la convencional. El resultado es un perfil aerodinámico que aún conserva un rendimiento decente a baja velocidad y, al mismo tiempo, tiene la capacidad de volar a velocidades más cercanas a la velocidad del sonido sin generar grandes ondas de choque. 

Según la NASA, las alas supercríticas aumentan la eficiencia del combustible a velocidades transónicas en aproximadamente un 15 %. La tecnología de alas supercríticas también aumenta la velocidad a la que una aeronave puede volar de manera eficiente de aproximadamente 0,70 veces la velocidad del sonido con un ala convencional a más de 0,84 veces la velocidad del sonido con un ala supercrítica. Lo que significa que un avión con esta ala podría llegar a su destino mucho más rápido y, teóricamente, un viajero podrúia pagar menos por un billete. Teóricamente…Esta forma hace que las ondas de choque típicas del vuelo transónico aparezcan más tarde que en las alas convencionales. Una vez que aparecen, en el ala supercrítica estas ondas de choque sen más débiles tal como se muestra en la ilusrtración que sigue.

Debajo se puede ver una de estas alas en acción. Se trata de un B-757 en vuelo. Si miramos con detenimiento la parte delantera superior del ala podremos ver estas ondas de choque. En ocasiones, cuando las condiciones de temperatura y densidad del aire son faviorables, estas ondas se pueden llegar a apreciar simple vista.

El ala supercrítica del Challenger

El CL-600 Challenger fue uno de los primeros aviones reactores de negocios que contó con este tipo de ala. El honor de ser el primer avión de línea con aérea con ala SC recae en el VC10 y el primer reactor de negocios en usarla fue el Falcon 50. No todas las alas supercríticas son iguales. La teoría general se puede ver en el gráfico que sigue.

En comparación con los tipos anteriores de perfil aerodinámico, los perfiles aerodinámicos supercríticos tienen una curvatura de cuerda reducida, un radio de borde de ataque mayor, una curvatura reducida en la superficie superior (donde ocurre la succión) y una concavidad en la parte trasera de la superficie inferior (donde ocurre la presión). En condiciones de crucero, el perfil mantiene un flujo supersónico sobre una gran parte de la superficie superior de succión del perfil aerodinámico, que luego se desacelera hacia atrás mediante una onda de choque débil. Además de mejorar la eficiencia aerodinámica, el diseño permite una sección de ala más gruesa para un número de Mach crítico de la aeronave determinado, lo que proporciona una estructura de ala más eficiente y una capacidad adicional de combustible en el tanque del ala en comparación con los tipos anteriores de perfiles aerodinámicos de alta velocidad. Nótese también que, en el ala supercrítica, la onda de choque normal es menor y ocurre en la parte trasera del perfil. El flujo de aire supersónico ocurre en una gran región del ala, pero al tener una onda de choque menor, el aire pasa a flujo subsónico sin alterar tanto la capa límite (BL representada en color azul detrás del borde de fuga). Esto da como resultado una perturbación menor.   

A lo largo del ala del Challenger encontramos secciones de perfil aerodinámico supercríticas, es decir, secciones diseñadas para operar de manera eficiente con regiones sustanciales de flujo supersónico mientras se encuentra en el número de Mach de crucero de diseño (M). Para aeronaves subsónicas de alta velocidad en el régimen de vuelo transónico (M 0,7 a M 1,0), la aceleración del flujo de aire sobre el ala hace que la velocidad del flujo de aire sobre partes del ala supere la velocidad del sonido. Se forma una onda de choque estacionaria hacia la parte trasera del perfil aerodinámico donde el flujo de aire desacelera a velocidades subsónicas. Un choque normal fuerte, con un gradiente de alta presión asociado que puede inducir la separación de la capa límite, puede dar lugar a un gran aumento de la resistencia.

Detalle del intradós de un CRJ donde se aprecia la curvatura trasera del ala supercrítica.

Las alas supercríticas tienen muchas ventajas:

• Son más rápidas
• Permiten operar de forma económica
• Transporta mucho más combustible dentro
• Son estructuralmente más fuertes
• Son más fáciles de construir
• Se necesita menos aflechamiento del ala, lo que da lugar a velocidades de despegue y aproximación menores (menos pista requerida).

...pero no hay nada gratis. Las alas supercríticas también tienen alguna desventaja:

• Las características de pérdida son peores que en alas convencionales
• Falta de "buffeting"
• Formación de burbujas en la capa límite.

El buffeting es esa vibración que tiene un ala cuando se aproxima a la pérdida y que avisa al piloto de que esta se producirá en breve. La falta de buffeting es propia también de las alas en flecha. Para mitigar estos problemas, la legislación aeronáutica vigente requiere que en estos aviones se instale un dispositivo que alerte al piloto de forma inequívoca sobre la inminente entrada en pérdida del aparato un 5% antes de que se produzca la verdadera pérdida. Este dispositivo es lo que se conoce como Stick Shaker. Una vibración o sacudida de la columna de control.

La formación de una burbuja de aire en la capa límite es bastante común, pero en los CL-600 es muy acusada. Puede ocurrir que esta burbuja, por lo general pegada al ala, explote de repente dando lugar a una pérdida casi instantánea de sustentación. Si esto ocurre en un ala mientras que la otra se encuentra todavía intacta, dará lugar a un levantamiento brusco del ala que todavía retiene la sustentación. En muchos aviones se intenta paliar estas situaciones instalando también un "Stick Pusher" que manda el morro abajo para ganar velocidad.

Imagen que muestra la burbuja de aire de la capa límite en un ala supercrítica

No todas las alas son iguales cuando se diseñan. Las alas del CL-600 son particularmente sensibles en este respecto. Para ilustrarlo, vamos ya con el caso que nos ocupa. El accidente del CL604 - N90AG.

El accidente del CL604 - N90AG

Este vuelo provenía de Florida, en los Estado Unidos. Hizo una escala en el Reino Unido (Birmingham) antes de continuar a su siguiente destino. El avión quedó esa noche aparcado a la intemperie en Birmingham. A la mañana siguiente, aunque estaba despejado, el avión tenía una fina capa de escarcha sobre las alas. El accidente ocurrió en enero de 2002, por aquella época, los pilotos norteamericanos solían no pedir un camión para el deshielo de la aeronave si la capa era muy delgada y existía la misma cantidad de escarcha en ambas alas. Después de todo, un poco de escarcha daría lugar a un poco menos de sustentación que podría compensarse con una mayor velocidad.

El problema clave (entre algunos otros factores contribuyentes) es que la tripulación utilizó una hora el APU antes de prepararse para el despegue. La salida de gases del APU en el Challenger está situada justo debajo del pilón del motor derecho. Ese día en la posición donde estaba aparcado el avión existía viento de cola. Una hora de aire caliente del APU estuvo deshelando el ala derecha. 

Cuando el avión despegó, el piloto se dio cuenta de que el avión empezaba a alabear de forma casi incontrolable.  Pocos segundos después del despegue el avión alabeó dando casi un tonel, cayendo al suelo y matando a todos sus ocupantes. Así de sensible es el ala del CL-600. 

Se hizo la investigación pertinente y desde entonces se hicieron muchas recomendaciones para tratar de evitar esto. Entre las recomendaciones una se convirtió en fundamental. Ante la duda... aplicar el deshielo. Desgraciadamente, unos años más tarde volvió a ocurrir.