Diferencias en pilotaje del turbohélice y el reactor
Un avión reactor, avión a reacción, o de propulsión a chorro (del inglés “jet” que significa; chorro), es una aeronave propulsada por motores de turbina que genera un chorro de gases hacia atrás, empujando el avión hacia delante, según las Leyes de Newton. La aviación a reacción supuso una revolución en la aeronáutica tan grande como la invención del propio avión al permitir vuelos de mayor altitud y, por tanto, mayor autonomía, más rápidos, etc. Este sistema de propulsión abre la puerta a la aviación supersónica e hipersónica. Hoy en día permite acortar tiempos de viaje, desarrollar rutas intercontinentales sin escalas o una nueva generación de cazas, entre otras muchas cosas.
Llega un momento en la vida de todo piloto profesional en el que debe de dar el salto de la hélice al reactor. Un paso que muchos dan cuando tienen horas suficientes y existen puestos disponibles. Gran parte de las compañías aéreas operan hoy en día con aviones regionales a reacción. Estamos hablando de los E-Jet, los A220 (CSeries) y similares. Existen diferencias fundamentales entre un avión de motor a reacción y uno de embolo, no solo en cuanto a la tecnología, sino también a la forma de pilotaje y los procedimientos operacionales.
También encontramos aviones de hélice que utilizan una turbina para mover dicha hélice. Nada que ver con aviones movidos por motor a pistón. Estos aviones, en líneas generales, son conocidos como aviones turbohélice. Existen diferencias importantes entre reactore y turbohélices. Debajo se muestran las más características entre modelos bimotores genéricos como el ATR y el ERJ.
La reacción y sus diferencias con la hélice
- ¿Por qué es diferente el vuelo en reactores?
- Multimotor de hélice versus multimotor a reacción
- El momento de inercia, complejidad de los sistemas
- Diferentes sensaciones
- 8 curiosidades del Mach
Aerodinámica del avión a reacción
- Características con baja velocidad
- El ala en flecha
- Pobre respuesta a los cambios en ángulo de ataque
- Mayor efecto diedro
- Distribución desfavorable de la sustentación
- Mayor resistencia parásita en el encastre dl fuselaje
- Estabilizador de incidencia variable
- Diferentes cualidades de vuelo a baja velocidad
- Spoilers
Características de alta velocidad
- Ondas de choque
- Mach Tuck
- Separación de flujo y vibraciones (buffeting)
- Protección de entrada en pérdida
¿Por qué es diferente el vuelo en reactores?
Una de las características del vuelo en aviones de altas prestaciones es la denominada “Flying by numbers” en inglés. Los pilotos de este tipo de avión se acostumbran a volar siguiendo procedimientos que muchas veces se basan en la aplicación de valores predeterminados para distintas fases del vuelo. Parámetros como velocidad, potencia, grados de inclinación, limitaciones, etc. etc. En los aviones reactores la sensación de rapidez con las que suceden las cosas es una de las características que más se aprecian cuando se hace la transición a este tipo de aparatos.
Aquí también es necesario prestar atención a los números, el problema es que un avión a reacción tiene muchos más parámetros que recordar y muchos más números que uno de hélice. Los números que se aprenden en los aviones a reacción nos sirven para reconocer patrones. Los números nos marcan los límites o envolvente de vuelo y nos ayudan a distinguir cuando las cosas no van como deberían. El ejemplo clásico es el de la aproximación estabilizada. Si por alguna razón este patrón de vuelo no se consigue a una altura determinada, entonces se requiere efectuar una maniobra de aproximación frustrada (motor y al aire). Los patrones de los aviones reactores se establecen en los manuales de operaciones de vuelo y procedimientos (AOM, AFM y SOP).
Multimotor de hélice versus multimotor a reacción
En la imagen se muestra la principal diferencia entre un avión a reacción y uno propulsado con hélice. El avión a reacción mueve una masa de aire relativamente pequeña a gran velocidad, mientas que una hélice desplaza un gran volumen de aire a velocidades relativamente pequeñas. El efecto de la hélice es muy importante porque genera vórtices sobre el ala del avión (slipstream) y ello tiene dos efectos: aumento de la sustentación y momento o par asociado al giro de la hélice.
El momento (inercia) y la complejidad de los sistemas
Una de las cosas que más llama la atención a los pilotos que empiezan en este tipo de avión reactores es la ausencia del efecto hélice. Para muchos pilotos noveles los problemas iniciales consisten muchas veces en cómo frenar el reactor. La aerodinámica de un reactor es limpia y se aprecia rápidamente la menor resistencia al aire. Cuando se cortan gases en un avión de hélice, inmediatamente las palas de esta crean un efecto de resistencia al avance. Esto, que en principio limitaría las prestaciones de la aeronave en vuelo de crucero, es una gran ventaja a la hora de corregir pequeños errores en otras fases de vuelo, como aproximación y aterrizaje. El exceso de velocidad o la falta de altitud rápidamente se pueden corregir al aplicar gases en un avión con hélice. En los reactores el efecto de aplicar potencia no es inmediato.
De la misma forma el efecto de reducir la potencia no lleva aparejado un inmediato descenso en la velocidad. Debido a la limpia aerodinámica de los reactores, el hecho de que el motor sigue produciendo empuje y la falta de resistencia producida por la hélice, los reactores son difíciles de frenar. Existen modelos de aviones reactores, como el AIRBUS 330, que son muy rápidos y presentan gran dificultad a la hora de reducir la velocidad. En estos modelos es necesario empezar a decelerar muchas millas náuticas antes del aterrizaje. De lo contrario nos veremos en una situación muy incómoda, cual es verse en el área terminar de un aeropuerto, cerca de la pista, con altura correcta, pero excesivamente rápido. En el caso del AIRBUS 330 esto también es debido a la gran cantidad de momento (inercia o masa x velocidad) que presenta. Las principales razones por las que se debe de anticipar sobradamente la deceleración de la aeronave a reacción son las siguientes:
- Aerodinámica limpia
- Ausencia de efecto de resistencia al avance producido por la hélice.
- El motor a reacción produce empuje incluso en régimen de ralentí (Idle).
Decelerar un avión reactor lleva tiempo y más cuanto más momento de inercia. Los reactores tienen además unas características de planeo que doblan aquellas de los aviones de embolo. Muchos pilotos no pueden cumplir con las peticiones de tráfico aéreo por este motivo.
Uno de los elementos que más nos ayudaran a reducir la velocidad del avión reactor son los llamados spoilers o aerofrenos. Estos dispositivos aerodinámicos (generalmente paneles rectangulares) se encargan de destruir el flujo laminar y por tanto la capacidad de generar sustentación. Van montados en el extradós del ala generalmente, aunque algunos modelos de aerofrenos se montan también en el fuselaje, como en el Fokker 100 o el BAe 146. La capacidad de destruir sustentación y producir resistencia al avance depende de la deflexión o apertura del panel.
Desplegar los aerofrenos produce un incremento sustancial de la resistencia, pero también lleva aparejado un aumento enorme de la velocidad de descenso. Existen muchos tipos de aerofrenos y su despliegue puede llevar consigo un cambio de características, como por ejemplo la tendencia a encabritar, que el piloto debe de anticipar. En muchos modelos de última generación esta tendencia se compensa automáticamente por el sistema de vuelo automático.
Diferentes sensaciones
El piloto que da el salto al reactor se encuentra con diferentes sensaciones a la hora de volar.
Además de la sensación de que todo sucede mucho más rápidamente en un reactor, tal como se menciona anteriormente, existen otras tres sensaciones que podríamos reconocer como:
- Diferente respuesta inercial
- Mayor sensibilidad de pilotaje
- Aumento de ritmo (necesidad de pensar con antelación)
El hecho de que el reactor sea, por lo general, más aerodinámico que un avión de embolo, junto con la respuesta de empuje más lenta a la hora de aplicar gases, hace que la sensación de vuelo sea completamente diferente. En efecto, la aplicación de potencia en un reactor, desde el ralentí hasta el máximo, tiene mucho menor efecto en el cambio de velocidad que en un avión de hélice.
Este efecto es conocido como “lead & lag” y es el resultado de combinar una célula muy aerodinámica y eficiente con la pobre respuesta a la aplicación de gases. A estos efectos hay que unir la falta de una hélice que crea efecto de sustentación sobre el ala y la ausencia del efecto “torque” que produce normalmente una hélice. Los motores en los aviones reactores pueden ir montados en muchas posiciones. Generalmente se encuentran debajo de las alas en pilones o montados en la sección de cola. Cuando los motores se encuentran montados en la sección trasera del fuselaje, se puede producir un efecto de morro abajo cuando se aplica potencia, mientras que si los motores se montan bajo las alas se produce un efecto de morro arriba.
De forma contraria a lo que sucede a en los aviones de hélice, no se produce un efecto de morro abajo tan pronunciado cuando se reduce la potencia. Los pilotos que pasan al avión reactor no suelen encontrar muchos problemas en estos casos y suelen solucionarlo pronto con la aplicación correcta de compensación o trim. Debajo se puede ver la localización del Centro de Gravedad (CG) y como el empuje debido a la posición de los motores afecta a la actitud en una maniobra de aceleración.
Los parámetros de empuje en los aviones reactores, a diferencia de la potencia en los pequeños de embolo, son casi imposibles de memorizar debido principalmente a la gran variabilidad en peso que se produce por el consumo de combustible. La respuesta a la pregunta de cuanto empuje se debe de aplicar es más sencilla de lo que pueda parecer: la suficiente para mantener las prestaciones requeridas. En los aviones reactores lo fundamental es no exceder los límites de empuje establecidos por el fabricante. Otro de los aspectos que varía con respecto a los aviones pequeños de embolo es la gran cantidad de distancia que se utiliza a la hora de mover las palancas de gases.
Comparados los dos aviones, en un reactor se requiere un movimiento mucho mayor para poder conseguir un cambio apreciable de empuje, ello es debido principalmente a la pobre respuesta a bajas revoluciones del motor a reacción comparado con el de embolo. El empuje realmente importante en un avión reactor se encuentra en el 30% final de las revoluciones del motor. De la misma forma la anticipación que se requiere para frenar un reactor es mucho mayor que la de un avión de embolo, precisamente por la falta de resistencia que produce la hélice.
En los aviones de altas prestaciones es normal ver dispositivos que crean resistencia, como aerofrenos. La alta sensibilidad de los aviones a reacción es debida principalmente a las mayores velocidades que se adquieren. Un piloto poco experimentado tiende a sobre controlar el reactor casi siempre en el eje denominado “pitch”. Al volar más rápido los cambios en las superficies de control son más efectivos que en uno de hélice. Esto es algo que se nota especialmente con la compensación o trim. Pequeños cambios en el trim pueden dar lugar agrandes variaciones de altitud. Es importante mantener unas características de vuelo que no impongan cambios abruptos de actitud.
Otra de las características que más se notan al volar en los aviones reactores de ala en flecha es la de volar siempre con una actitud de morro arriba que sorprende a los pilotos noveles. Los vuelos con relativamente altos ángulos de ataque no son inusuales en los aviones de ala en flecha. Es normal por ejemplo hacer aproximaciones y aterrizajes con 5° de morro arriba. Es esencial que los pilotos se acostumbren a la nueva altura de la cabina sobre el suelo que es muy diferente a la de los aviones pequeños. Una correcta selección de la posición del asiento es esencial para que podamos tener una buena visualización exterior, sobre todo a la hora de aterrizar. De la misma forma se debe de tener gran precisión en el vuelo instrumental debido principalmente a la combinación de la planta alar (aflechamiento), la actitud de morro arriba y las altas velocidades a las que se vuela. Existen pocas referencias exteriores que se puedan usar tal como se hacía en los aviones de embolo.
8 curiosidades del Mach
En los reactores modernos se vuela en las cercanías del Mach 1, por lo que es interesante saber algo sobre este tema. Romper la barrera del sonido no solo consiste en un fuerte boom. Existen muchas otras cosas que afectan a una aeronave en transición al vuelo supersónico...
1) Mcrit (velocidad del Mach crítico)
Es la velocidad del aire que pasa sobre el avión y alcanza por primera vez la velocidad del sonido. Cuando se alcanza el Mcrit, el aire que fluye sobre las alas puede estar viajando en régimen supersónico, mientras que el avión en sí mismo sigue viajando subsónico.
2) temperatura
En un día ISA al nivel del mar, la velocidad del sonido es de aproximadamente 661 nudos. A medida que la temperatura disminuye, la velocidad del sonido también disminuye. Esto se debe a que en el aire frío el sonido no puede viajar tan rápido. La agitación de las moléculas es menor con el aire frio.
3) Ángulo de alabeo y peso de la aeronave
A medida que aumenta el peso y el ángulo de alabeo, el Mcrit disminuye. Si se estamos acercándonos a este valor, algo tan simple como alabear nuestro avión podría hacer que llegáramos al Mcrit.
4) ondas de choque normales
Una onda de choque normal se crea a partir de una acumulación de ondas de presión en la superficie de sustentación. A medida que el aire fluye a través de una onda de choque normal, el régimen de velocidad disminuye de supersónico a subsónico, y la temperatura y la presión estática aumentan.
5) ondas de proa
Este tipo de onda de choque se forma por la acumulación de ondas de presión en la región subsónica frente al perfil aerodinámico y otras partes del avión. A medida que el aire fluye a través de esta onda de choque, se desvía hacia arriba en la dirección de la corriente de aire.
6) Motores de reacción y vuelo supersónico
Los motores reactores no están diseñados para ingerir flujo de aire supersónico. Los motores que viajan en regímenes de vuelo supersónicos están diseñados para ralentizar el flujo de aire frente al motor. Estos diseños incluyen entradas de motor divergentes o puntas cónicas, como las que se encuentran en el SR-71. El motor ingiere flujo de aire subsónico y luego lo acelera de nuevo a velocidades supersónicas después de que la mezcla aire/combustible se queme y escape por la parte trasera del motor.
7) Coffin corner
A medida que aumenta la altitud, aumenta la velocidad en la que el avión entra en pérdida y el límite máximo de Mach operativo disminuye. En algunos aviones, como el U-2, puede estar a solo unos pocos nudos de la pérdida y la región de sobre velocidad de Mach al mismo tiempo.
8) alas en flecha
Las alas en flecha pueden aumentar el número de Mach Crítico. Esto permite que los aviones vuelen más rápido sin tener que lidiar con los efectos de alta resistencia del vuelo transónico.
Aerodinámica del avión a reacción
El objetivo de este apartado es mostrar las diferencias aerodinámicas básicas que existen entre los aviones de reacción regionales y los turbo propulsados.
Características con baja velocidad
Los aviones a reacción regionales son un paso más allá de los turbo propulsados a hélice. Generalmente, la mayoría de los fabricantes, piensan que los jets son los aviones a los que llegan la mayoría de pilotos después de haber volado algún turbopropulsor. Por ese motivo se diseñan teniendo en mente la seguridad, ya que, seguramente son los primeros aviones a reacción que un piloto va a volar en su vida. El resultado es un avión sencillo de volar, con unas características de vuelo sobresalientes y extremadamente seguro. En algunos aspectos es incluso más fácil de manejar que algunos de los aviones turbo propulsados a hélice. Sin embargo, existen algunas diferencias básicas que deben de ser consideradas cuando los comparamos con los aviones de hélice.
El ala en flecha
- Pobre respuesta a los cambios en ángulo de ataque
- Mayor efecto diedro
- Distribución desfavorable de la sustentación a lo largo del ala
- Mayor resistencia parásita en el encastre con el fuselaje
Vamos a discutir todas estas cosas a continuación.
Pobre respuesta a los cambios en ángulo de ataque
El ala en flecha reduce la respuesta del ala al ángulo de ataque. El diagrama muestra cual es la diferencia entre una la recta y un ala en flecha. Para producir la misma cantidad de sustentación, el avión con ala en flecha debe de incrementar el ángulo de ataque.
Esta respuesta perezosa a un cambio en el ángulo de ataque provoca que una recogida rápida en la toma pueda no llegar a ser completada con éxito. Ese es el motivo por el que se deben de efectuar las aproximaciones estabilizadas con rotaciones de recogida normales.
Mayor efecto diedro
Todos los pilotos saben que cuando uno de los pedales se pisa en vuelo deben de aplicar el alerón al lado opuesto para evitar que el avión empiece a alabear. Este efecto está causado por el conocido efecto diedro.
El ángulo positivo formado entre el eje lateral de una aeronave y una línea que pasa por el centro del ala, como se muestra en la figura de arriba, es lo que se conoce en aviación como ángulo diedro. En la ilustración se puede ver a un Embraer RJ 145 y a un ATR. El avión brasileño utiliza un ala en flecha y con diedro. El ATR, además de no tener aflechamiento, utiliza un ala recta sin diedro. La planta propulsora es también diferente. El RJ monta una turbina y el ATR utiliza un turbo-hélice. La combinación de todos estos elementos hace que las velocidades y prestaciones (...también el consumo) sean diferentes.
Cuando se diseñan las alas de forma que estas están levantadas cuando miramos el avión a través de su eje longitudinal, se dice que tienen diedro geométrico. Esta geometría produce los siguientes efectos aerodinámicos: Si en vuelo, por cualquier motivo, una de las alas cayera, el movimiento del avión resbalando hacia el interior de la caída provocaría que este recobrara la actitud de vuelo nivelado. En otras palabras, el diedro previene el alabeo debido al resbalamiento (sideslip) retornando el avión a un vuelo nivelado.
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La figura muestra un avión que tiene diedro. Si una perturbación hace que un ala caiga en relación con la otra, hay un componente del peso que actúa hacia dentro y que hace que el avión se mueva lateralmente en esa dirección (resbalamiento). Cuando las alas tienen diedro, el ala que cae hacia la corriente libre adquiere un flujo de aire mayor, por lo tanto el ala inferior, experimentará un mayor ángulo de ataque que el ala de arriba y, por lo tanto, una mayor sustentación. Se obtienen de este modo una fuerza y un momento netos que tienden a reducir el ángulo de alabeo. |
El ala en flecha reacciona al sideslip de forma parecida al diedro geométrico. Si ocurriera un resbalamiento, la flecha del ala inducirá un alabeo de forma que el vuelo se nivele. Ello se debe a que el ala que avanza relativa al flujo de aire genera más sustentación (y también más resistencia), causando un alabeo y una guiñada en sentido opuesto al sideslip. La figura que se muestra aquí ilustra estas características.
El efecto diedro en un avión con ala en flecha regresiva es normalmente más fuerte que en un avión con ala recta. Por ese motivo, los pilotos deben estar alerta cuando apliquen gran cantidad de pedal al timón de dirección, o cuando exista gran cantidad de asimetría debida a cambios de potencia entre ambos motores.
Estas variaciones en simetría pueden causar dificultades de control. En otras palabras: la deflexión del timón de dirección o la potencia asimétrica deben de hacerse suavemente y con cuidado. La ausencia del efecto diedro es indeseable. Sin embargo, un exceso de efecto diedro puede causar también problemas.
El exceso de este efecto puede hacer que el vuelo no coordinado sea difícil. Existen situaciones en las que sea necesario el vuelo no coordinado, como por ejemplo cuando se efectúa una recogida (flare) con viento cruzado o con turbulencias. El exceso de efecto diedro también aumenta el balanceo del holandés (dutch roll). Siempre se puede utilizar un amortiguador de guiñada para reducir el dutch roll, pero es preferible que el propio avión ya cuente con unas características naturales que lo mitiguen. Como vemos, existe un compromiso con respecto al efecto diedro. Los aviones regionales de última generación, como el E-Jet o el CSeries cuentan con el punto óptimo de equilibrio.
Distribución desfavorable de la sustentación a lo largo del ala
Uno de los aspectos más críticos de un ala es la distribución de su sustentación a lo largo de ella. Una distribución poco adecuada de la sustentación causará esfuerzos estructurales innecesarios, tendrá mayor resistencia al avance por la sustentación inducida y, lo más importante, puede llevar una pérdida a una situación peligrosa, donde el control no sea posible al exceder las actitudes de vuelo para las que el avión ha sido diseñado.
La sustentación en alas con flecha se concentra generalmente en las puntas de plano cuando se las compara con las alas rectas. Esta característica es indeseable. La figura que se muestra a continuación ilustra la distribución de sustentación típica en diferentes plantas alares. La mejor distribución de la sustentación a lo largo de la envergadura es aquella que minimiza la resistencia inducida, pero que permite tener control de alabeo incluso en las condiciones cercanas a la pérdida. Para tener ese control en alabeo, es deseable que la propagación de la pérdida sea desde la raíz a la punta del ala. En otras palabras, que exista más sustentación en la raíz que en las puntas.
Esa tendencia mantiene a los alerones fuera del área de flujo en pérdida hasta que toda el ala entra en pérdida. Vamos a ver cómo podemos conseguir esto en un ala en flecha donde típicamente la sustentación es más lata en las puntas. Existen varias maneras de conseguir esto: por medio de la torsión del ala, cambiando el espesor y la forma del perfil a lo largo del ala, utilizando los vortilones, por medio de dispositivos aerodinámicos locales, etc. La mayoría de los jets regionales utilizan torsión en el ala, algunos aviones como el EMB 145 también hace uso de los vortilones. La torsión del ala debe de emplearse con cuidado, ya que un exceso puede llevar a un incremento de resistencia (drag) y, consecuentemente, la perdida de características. En los EMB 145 se utiliza una torsión muy moderada: solo 4°.
Los vortilones son dispositivos situados en la parte inferior del borde de ataque del ala por delante de los alerones. En ángulos de ataque típicos de régimen de crucero, la resistencia es despreciable, pero a grandes ángulos de ataque estos dispositivos crean vórtices que transitan por el extradós añadiendo energía a la capa límite, retrasando su separación y consecuentemente, incrementando el control efectivo de los alerones, incluso cuando la raíz del ala entra en pérdida.
Las pruebas en el túnel de viento han revelado un incremento de 2 grados en el EMB 145 cuando el ángulo de ataque se aproxima a la pérdida. Ello ha permitido mejorar la capacidad de sustentación máxima y como resultado, un incremento de la carga útil de este avión. Gracias a estos dispositivos aerodinámicos, el EMB 145 tienen un control total de alabeo en toda la envolvente de vuelo.
Mayor resistencia parásita en el encastre con el fuselaje
Una de las características del ala en flecha es que el flujo de aire sobre el ala cambia de dirección a lo largo de la cuerda. Ver dibujo. Esta curvatura del flujo es debida a la deceleración y posterior aceleración que sufre el aire en el plano perpendicular a la línea de ¼ de la cuerda del ala. Este componente del flujo a lo largo de la envergadura no tiene lugar cerca del fuselaje, ya que el lateral del fuselaje es recto. Esta interferencia entre el flujo natural del aire sobre el ala y el fuselaje crea una resistencia y puede también crear puntos donde exista flujo de aire a muy alta velocidad.
Estos puntos probablemente originen ondas de choque prematuras. Por ese motivo, los ingenieros normalmente cambian el diseño del ala cerca de la raíz en el encastre con el fuselaje con el fin de minimizar estos efectos de interferencia. Una de las posibilidades suele ser el uso de una sección transversal variable del fuselaje a lo largo de la cuerda del ala. Esta sección transversal del fuselaje no tiene nada que ver con la llamada regla de la “botella de Coca Cola”, estudiada por Whitcomb. La regla del área o regla de la “botella de Coca Cola” minimiza la resistencia transónica/supersónica mientras que aquí de lo que se habla es de regímenes subsónicos en toda la envolvente.
Se ha constatado que el uso de una sección transversal variable no crea grandes problemas en la producción y el diseño de los interiores de un avión. Otra técnica muy conocida es la reducción o incluso la inversión de la curvatura del ala cerca de la raíz, pero manteniendo la sección transversal del fuselaje. Casi todos los aviones reactores comerciales han adoptado esta técnica.
En la foto superior el VC-10 y en la inferior el Boeing 707. Se puede ver claramente que la raíz del ala es diferente. Nótese las flechas.
Los perfiles alares supercríticos están optimizados para disminuir al mínimo la amplitud de las ondas de choque generadas por el ala a velocidades transónicas. Este régimen de vuelo va desde velocidades próximas, pero por debajo del Mach 1 hasta poco después del Mach 1. Un ala supercrítica es más plana en la parte superior o extradós y más combada en el intradós. Tiene un borde de ataque más redondeado y un borde de salida que puede acabar cortado, tal como se muestra en el dibujo. Con este diseño, se reduce la resistencia aerodinámica y como resultado se obtiene también un menor consumo de combustible. El menor consumo a su vez implica una mayor autonomía. La eficiencia del ala supercrítica se cifra en un 12% o más con respecto a las convencionales. Este es el quid de la cuestión en los vuelos civiles comerciales y explica el porqué de su adopción a mediados de los 70 por parte de todos los constructores de aviones comerciales y de negocios. Hablaremos otra vez de este tipo de perfil más adelante.
Estabilizador de incidencia variable
La utilización de un estabilizador de incidencia variable es práctica común en los reactores regionales. Ello es debido a las altas prestaciones en velocidad que se consiguen con el ala en flecha. Si se utilizara un estabilizador con incidencia fija, probablemente no podría ejercer el adecuado nivel de control longitudinal perdiendo autoridad según el avión gana velocidad o empieza a desplegar los flaps.
Sin embargo, un estabilizador de incidencia variable permite ciertas características que difieren de los tradicionales sistemas de compensación (trim). En algunos aviones, si se utiliza una selección de compensación errónea, el piloto puede verse obligado a utilizar más fuerza de la necesaria para volar el avión. No solo es cuestión de confort, en algunas ocasiones no se podrá disponer de autoridad suficiente para el control de la aeronave. Incluso con el timón de profundidad al máximo el avión no responderá. Por lo general, los aviones regionales modernos se diseñan de tal forma que cuando el selector de compensación se encuentra en la banda verde, será posible el despegue si no existe ningún aviso sonoro.
En la imagen superior se pueden ver los controles de compensación de cabeceo del E-Jet. En el EICAS se aprecia el indicador en el sector verde.
Diferentes cualidades de vuelo a baja velocidad
Los aviones reactores, por lo general, tienen una parte más extendida de la curva de empuje/resistencia. Nos estamos refiriendo a la conocida curva que se puede ver a continuación. A veces se le conoce como el segundo régimen. Es la parte posterior de la curva que muestra la relación entre velocidad y resistencia. También se la conoce como la curva de relación potencia/empuje, donde una velocidad baja lo que crea es un aumento de resistencia y por lo tanto un incremento del empuje para mantener el vuelo nivelado.
En inglés esta parte de la curva se denomina “the back side of the power/thrust curve”. Volar en esta región puede conllevar dificultades, ya que se tendrá que hacer un uso poco convencional de los elevadores para el descenso o el ascenso en estas condiciones. La senda de planeo en estas situaciones se suele corregir normalmente por medio del control de empuje. Incrementando o reduciendo el empuje junto con el manejo del elevador se podrá controlar la senda.
No existe razón alguna para volar en estas regiones, excepto que se trate de una aproximación y aterrizaje en una pista muy corta. Algunos aviones de ala rectan también tienen una parte de la curva extendida en su parte posterior, estos aviones en su mayoría son los STOL. La parte trasera de la curva es mucho más común en los aviones de ala en flecha.
La parte trasera de esta curva de potencia debe de ser generalmente evitada por los pilotos. Más aún cuando se encuentran en situaciones OEI por razones obvias de controlabilidad. Pero aun cuando el factor de control no sea un problema, volar a bajas velocidades en uno de los extremos de la envolvente de vuelo debe de ser evitado cuando las performances del avión están mermadas. En caso contrario nos veremos en la nada cómoda situación de ver como nuestro avión es incapaz de acelerar o ascender. Incluso en el caso de verse en esta situación, el piloto debe de saber que reducir la velocidad no incrementará el ángulo de subida (quizás de forma momentánea debido a la inercia. La figura que sigue ilustra la diferencia entre un reactor con ala en flecha y un avión turbo propulsado con ala recta.
Spoilers
Los spoilers son superficies de control de vuelo secundarias que se encuentran instaladas en los reactores. Su existencia se debe fundamentalmente a las siguientes razones:
- Los spoilers mejoran las características de descenso pronunciado (steep) aumentando la resistencia aerodinámica.
- Mejoran las actuaciones de aterrizaje incrementando la resistencia y disminuyendo la sustentación cuando el avión se encentra en el suelo, lo cual mejora la efectividad de los frenos.
- Mejoran el control lateral en muchos aviones regionales (en el EMB 145 no es el caso) en combinación con los alerones.
Sin embargo, el uso de los spoilers requiere atención. Aunque ya muchos aviones modernos tienen una lógica de auto retracción, en muchos otros aviones de generaciones anteriores no existe la auto retracción. El piloto no debe olvidar retraer los spoilers cando estos no sean necesarios. En un avión que no esté dotado de auto retracción, este error puede significar una gran penalización de las actuaciones en alguna fase crítica del vuelo. Para ayudar a recordar se suele emplear alguna técnica de pilotaje, tal como mantener la mano en la palanca de los spoilers hasta que estos se retraen.
Características de alta velocidad
Ondas de choque
¿Qué sucede cuando el avión acelera en régimen transónico? De los muchos cambios físicos, lo que más nos importa aquí es la aparición de ondas de choque. Como ya sabemos, la velocidad del flujo de aire sobre el ala varía a lo largo de su cuerda. Si, digamos a unas pocas decenas de metros delante del avión, el flujo de aire tiene una velocidad de M.75 relativo al avión, en algunos puntos sobre el ala puede que llegue al M.95 fácilmente. Cuando en algún punto sobre el ala se alcanza el M 1.0, se crea una onda de choque. La velocidad Mach de la corriente de aire libre en el que, en algún punto cualquiera del avión se alcanza el M 1.0, se conoce como número de Mach crítico. Las ondas de choque por si mismas no son un problema. Sin embargo, existen muchos otros cambios físicos que acompañan a estas ondas, cambios en:
- Distribución de presiones sobre el ala
- Incremento de la resistencia
- Buffeting (oscilaciones irregulares)
La figura de debajo muestra la localización de las ondas de choque más significativas que pueden ocurrir en un avión regional como el EMB 145. La aparición de estas ondas de choque tan características puede ser detectada por la aparición del buffeting.
La razón por la que se forman las ondas de choque en la parte interior de la cola se debe al hecho de que la curvatura del estabilizador horizontal es negativa. Esto es así porque debe de ejercer una fuerza contraria (downforce) a la de la sustentación con el fin de compensar el que el CG del avión se encuentre normalmente por delante del CL (Center of Lift). Debajo se puede ver un diagrama de un E-Jet que explica esto.
Mach Tuck
En la mayoría de los aviones, el punto donde el flujo de aire alcanza su mayor velocidad es sobre el ala. Por eso es ahí donde primero aparecen las ondas de choque. La figura indica las diferencias en la distribución de presiones a lo largo de la cuerda entre flujos subsónico y supersónico. Tal como se puede apreciar en la ilustración, en el flujo transónico las fuerzas de sustentación actúan en un punto muy retrasado del ala. Este cambio es el causante de que el avión tienda a bajar el morro. Otra característica del flujo de aire transónico es que cuanto mayor es el ángulo de ataque, mayor es la intensidad de las ondas de choque. Como consecuencia de ello, la tendencia a picar se incrementa.
Esta situación es potencialmente peligrosa y puede causar que el avión acelere rápidamente en un picado para entrar en la región de sobre velocidad. Este fenómeno se conoce como el “Mach Tuck”. El piloto debe de reducir el empuje y/o incrementar la resistencia para poder conseguir salir de esta situación lo antes posible.
Algunos aviones cuentan con el sistema Mach Trim o sistema de compensación de Mach. Este sistema automáticamente manda señales al estabilizador horizontal (o al timón de profundidad –elevador-) para que compense esta tendencia a picar cuando el avión acelera. Algunos aviones están diseñados de forma que cuando vuelan en régimen transónico y el piloto tira de la palanca para contrarrestar la tendencia a picar, el incremento del ángulo de ataque asociado hace que las fuerzas de sustentación se vayan incluso más atrás haciendo el picado más pronunciado y la recuperación casi imposible.
Los aviones comerciales modernos, como el CSeries de Bombardier (A220) o el E-Jet de Embraer han sido volados por los pilotos de pruebas en los regímenes transónicos altos (del orden de M.86) para comprobar que la tendencia al picado en el “Mach Tuck” no es desmesurada. Aviones como el EMB 145 tienen buenas características de vuelo (no se ha detectado Mach Tuck a M.85) y por ello no se ha considerado necesario instalar un sistema de compensación de Mach. A velocidades cercanas o algo más altas que el M.85, los aviones se vuelan para comprobar que la tendencia al picado puede ser recuperada de una forma convencional, esto es, tirando de la palanca hasta que el avión se recobra.
Sin embargo, la recuperación del avión, se debe de llevar a cabo en primer lugar por medio de la reducción de empuje y el incremento de la resistencia. Una vez realizado esto se utiliza el elevador. La maniobra de recuperación debe de ser realizad a de forma suave, pero no demasiado lentamente como para que el avión pueda llegar a acelerar a velocidades muy altas. Se suele utilizar el aerofreno para incrementar la resistencia. En el EMB 145, se probó el aerofreno a M.85 teniendo el avión compensado para M.78, la maniobra mostró que el avión no tenía un comportamiento de cabeceo anómalo. Por este motivo, cuando el avión hace una excursión por encima del M.78 muchos fabricantes de aviones recomiendan utilizar los aerofrenos y empezar a tirar de los controles de forma suave a discreción del piloto.
Separación d eflujo y vibraciones (buffeting)
Siempre que se crea una onda de choque existe la separación del flujo de aire detrás de ella. Separación de flujo significa que parte de la energía se transfiere a la masa de aire circundante. Si la separación de flujo es muy grande causará el buffeting.
Además, transferencia de energía a la masa de aire circundante significa un aumento de la resistencia aerodinámica. La figura muestra lo que se dice aquí. Según se acelera hacia las velocidades transónicas, el avión alcanza un número de Mach donde en algún punto sobre el ala se forma la primera onda de choque. En este primer momento las ondas son pequeñas y la separación del flujo es poca.
Sin embargo, según el avión continúa acelerando, se van formando ondas de choque más grandes. La separación del flujo se vuelve mayor y la resistencia aerodinámica aumenta considerablemente. Existe, por lo tanto, un número de Mach donde la resistencia aerodinámica crece considerablemente. Este número de Mach es el denominado número Mach de divergencia o Divergent Drag Mach Number en inglés. Esta separación de flujo puede dar lugar a un fenómeno conocido como vibración de los alerones (debido a la separación de flujo enfrente de ellos) y el balanceo del avión (wing rocking) (debido a la separación del flujo moviéndose de detrás a delante y viceversa a lo largo de la envergadura). Algunos de los aviones transónicos de primera generación tenían una tendencia al balanceo de las alas, otros han tenido que utilizar generadores de vórtices para eliminar la tendencia que induce a la vibración de los alerones. En los aviones modernos estas tendencias no se notan incluso a velocidades del orden de M.85.
Protección de entrada en pérdida a altas velocidades
Como ya mencionamos anteriormente, en un flujo transónico cuanta mayor es el ángulo de ataque, mayor es la intensidad de las ondas de choque. La formación de odas de choque ocurre antes con altos ángulos de ataque. Un hecho asociado es que cuanto más cerca del M 1.0, más bajo es el ángulo de ataque en el que el avión entra en pérdida. Por este motivo, los aviones regionales modernos, cuentan normalmente con un sistema que activa unas sacudidas en la palanca de vuelo que advierten al piloto de la inminente entrada en pérdida. Es el conocido como stick shaker. Cuando los aviones vuelan muy alto y muy rápido, el número de Mach puede ser alto incluso a velocidades indicadas bajas. En esos casos este sistema se activa antes. Algunos aviones cuentan también con un empujador de la palanca (stick pusher) que ayuda a evitar la situación bajando el morro. Aviones como el E-Jet cuentan con un stick shaker, pero no con un stick pusher. La legislación (EASA) establece que los pilotos deben de tener una indicación clara y distinguible cuando el avión se encuentre un 5% antes de la pérdida real. El stick shaker cumple con esa legislación, pero se puede delegar la tarea de empuja el morro al piloto. Debajo se puede ver la lógica de compensación de Mach en el EMB 145.
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