Juan de la Cuerva

VOLAR BAJO PRESIÓN

2009-11-26T23:30:00.015+01:00

Otro de los muchos hechos que prueban, de forma incontestable, que los humanos no están diseñados para volar, es la cantidad de problemas que tienen cuando se encuentran a altitudes por encima de los 2500 metros. Desde mareos, pérdida de visión, fatiga, náuseas, pérdida de la consciencia, hasta edemas pulmonares o incluso la muerte.

Sin embargo, los aviones comerciales actuales, que transportan a millones de personas todos los años, vuelan en su mayoría por encima de los 10000 metros, haciendo necesaria una serie de medidas que suponen un desafío desde el punto de vista del diseño de la estructura y los sistemas de un avión.

¿Y por qué complicarse tanto la vida? ¿No sería mucho más sencillo volar a una altitud más moderada, digamos, una a la que pudieran sobrevivir?

Pues sí, seguramente, pero hacerlo tendría, a ojos de los humanos, una gran desventaja. ¿Adivináis cuál es? Por supuesto: el DINERO. Volar a gran altitud supone disminuir mucho el consumo de combustible, ya que hace que los motores a reacción sean más eficientes y disminuye la resistencia aerodinámica, permitiendo también alcanzar mayores velocidades. Así que un mismo avión puede hacer más viajes con menos costes en un tiempo determinado.

De modo que por eso las cabinas de los aviones van presurizadas. Y esto implica que es necesario diseñar el fuselaje de la aeronave para que soporte las cargas derivadas de la presurización, mayores cuanto más grande sea la diferencia entre la presión interior y la exterior. Como el mantenimiento de la presión es esencial para la supervivencia, todos los sistemas implicados en él deben estar además duplicados para minimizar el riesgo de despresurización de la cabina. Y, en caso de que a pesar de todo ocurriera dicha despresurización, debe haber un sistema auxiliar de mascarillas de oxígeno que permita que el pasaje sobreviva.

Los miembros de la tripulación del avión deben ser capaces de identificar los síntomas de la hipoxia en sí mismos y en los pasajeros (aquí hay un artículo muy interesante sobre cómo la tripulación debe enfrentarse a una despresurización). Algo que no es tan sencillo como podría parecer, como quedó demostrado por el accidente del vuelo 522 de Helios Airways.

La consecuencia más directa de la presurización es la forma de la cabina, que es, grosso modo, un depósito (un cilindro entre dos mamparos de presión), ligeramente modificado para que sea aerodinámicamente eficiente. Normalmente la sección es circular, ovalada y/o lobular, porque así las cargas debidas a la presión se distribuyen uniformemente y no hay puntos de concentración de esfuerzos, algo muy peligroso si las cargas son cíclicas, como en el caso de un avión que despega y aterriza unas cuantas veces todos los días. De esto se dieron cuenta los humanos en el año 1954, cuando dos aviones de Havilland Comet sufrieron descompresiones explosivas, perdiendo a todo su pasaje y haciendo que toda la flota de aviones similares aterrizara por si las moscas.

Tras una exhaustiva investigación, los ingenieros del Comet llegaron a la conclusión de que la causa del fallo había sido precisamente la concentración de esfuerzos en las esquinas de las ventanas, que eran cuadradas, provocando la aparición de grietas de fatiga que debilitaron el fuselaje, hasta que estalló debido a las cargas de vuelo (por eso ningún avión presurizado ha vuelto a tener las ventanas cuadradas). Después de estos accidentes el Comet fue rediseñado para solucionar el problema.

Tanto la cabina de pasajeros como la bodega de carga van presurizadas, y están comunicadas entre sí a lo largo de todo el fuselaje para que, en caso de una pérdida de presión en cualquiera de los compartimentos, ésta se iguale en ambos y la estructura no sufra por la diferencia de presión entre uno y otro. El fuselaje se diseña para que soporte una diferencia máxima de presión con el exterior de unos 61 kPa (8,85 psi), lo que haría que, a una altitud de, por ejemplo, 11000 metros (36000 pies), la presión en el interior de la cabina fuera la equivalente a la que habría a 1600 metros de altitud (es lo que se conoce como «altitud de cabina»).

La altitud de cabina normalmente está por encima del valor correspondiente al máximo diferencial de presión, aunque se suele limitar como mucho a 2500 metros, y varía suavemente según lo hace la altitud de vuelo, reajustándose durante el descenso a la altitud del aeropuerto de destino. Las normas limitan la altitud máxima que un avión puede alcanzar a los 40000 pies (12000 metros), en previsión de que se produzca algún fallo en los sistemas de presurización.

El aire a presión se obtiene mediante un sangrado de los motores desde el compresor del turbofán, y la presión interior se controla a través de una válvula que expulsa el exceso de aire a la atmósfera. Todo el sistema es redundante y funciona de forma automática, aunque también puede controlarse manualmente en caso de ser necesario.

Como medida adicional de seguridad, las puertas de la mayoría de los aviones están diseñadas para que sea imposible abrirlas con la cabina presurizada. Suelen abrirse hacia adentro, con lo que la propia presión interior se opone a ello, y algunas tienen una de sus dimensiones mayor que el marco, para que además sea necesario girarlas para poder abrirlas.

A pesar de todas estas medidas y precauciones, son muchos los humanos que temen la posibilidad de que el avión se despresurice en vuelo. Y, como ocurre con casi todo (si los humanos tienen algo que ver en ello), la aeronáutica va aprendiendo de sus errores, y casos como el del Comet, debidos a fallos de diseño, son poco probables. Por supuesto, eso no quiere decir que la industria cinematográfica (como todos sabéis, un fiel reflejo de la psique humana) no saque buen provecho del concepto de despresurización, a veces bajo premisas bastante peregrinas.

En definitiva, queda claro que los humanos son expertos en complicarse la vida.

ESTA SANTA ESCUELA

2009-11-17T12:52:00.005+01:00

¡Hola de nuevo, chorlitos del mundo! Tras esta larga ausencia, por fin regreso, y con un nuevo y flamante título de ingeniera en la mano (ayer fue la defensa de mi Proyecto de Fin de Carrera). Esta vez voy a ser yo quien hable, y no Juan, que amablemente me ha cedido un espacio en su blog para contaros un poco cómo ha sido mi experiencia en la Escuela de Aeronáuticos durante estos años.

Quiero hablar sobre ello porque la mayor parte de las dudas y consultas que llegan al correo de contacto de Juan de la Cuerva son de estudiantes que se plantean entrar en esta carrera, y que, como cuando yo me lo planteé, no encuentran nadie a quien preguntar ni referencias ni información suficientes como para tomar una decisión tan importante sabiendo dónde se meten.

Todo el mundo dice que la Ingeniería Aeronáutica es muy dura, y no les falta razón. No sé cómo es en comparación con las otras ingenierías, porque yo sólo he estudiado esto, así que no puedo hacer recomendaciones en cuanto a si elegir una u otra. Puedo decir que, salvando algunas distancias importantes, el temario de Aeronáutica y el de Industriales se parecen bastante, y que mucha de la gente que trabaja en esto de los aviones ha estudiado Ingeniería Industrial, sobre todo en lo que yo conozco, que son las estructuras.

La mayor pega que tiene esta carrera, bajo mi punto de vista, es la forma en que está planteada. No sé cómo cambiará las cosas el Plan de Bolonia en este sentido, ni cómo los nuevos tiempos están afectando a la forma de impartir las asignaturas. Hace ya un par de años que desconecté de la Escuela. Me comentaba ayer un compañero que empezó la carrera conmigo que una de las asignaturas hueso de primero, el Cálculo General, ha pasado a ser de las fáciles, y que ahora ya no es tan raro que un alumno pase su primer año con primero limpio. Espero que eso quiera decir que las cosas realmente han cambiado a mejor, y que ahora lo que hacen es preocuparse por enseñar de verdad, en lugar de por ver quién suspende a más gente.

En mis tiempos (vaya, ¡me siento vieja! xD), la forma de dar clase de los profesores en general, salvo unas pocas excepciones, presuponía unos conocimientos en los alumnos de los que la mayoría carecíamos, con lo que uno podía aprovechar más bien poco de lo que se decía en clase. Además, en muchas asignaturas, cualquier parecido entre lo que se hacía en clase y lo que pedían en el examen era pura coincidencia. Y al final lo que hacíamos casi todos era apuntarnos a una academia, donde al menos te explicaban las cosas empezando por el suelo y no por el tejado, y donde te preparaban para poder hacer los exámenes con alguna perspectiva de éxito, porque es muy difícil enfrentarse a algo que no has visto nunca y pretender hacerlo bien a la primera y para colmo en poco tiempo y exactamente como al profesor le gusta. La mayoría de los suspensos no eran por falta de estudio, ni por falta de capacidad: la materia prima siempre ha sido bastante buena en la Escuela.

En este sentido, algo que siempre me ha gustado mucho de la Escuela, y que me hace estar orgullosa de ella (de sus estudiantes, para ser precisos), es el apoyo que normalmente encuentras en el resto de compañeros. La biblioteca de apuntes, incluso con apuntes de academia, donde generalmente se puede encontrar casi todo lo que falta en las clases, es un buen ejemplo. O lo que llaman programa Mentaer, en el que alumnos de último curso echan una mano a los novatos.

Luego están las cosas buenas de la carrera, que no todo es malo. Si realmente te gusta la ingeniería y no te importa el enfoque teórico, la Aeronáutica es bonita y muy completa. Aprendes cosas de motores, aerodinámica, estructuras, electrónica, electricidad, materiales, fabricación… aparte de un poco de culturilla general sobre la mayoría de los bichos que vuelan (hechos por el hombre, claro). Hasta te dejan oler un poco algún avión (no todas las Escuelas de ingeniería tienen un F5 en el hangar… de hecho, ¡no todas tienen hangar! :D).

En cuanto a las perspectivas de trabajo una vez terminas, no están mal, la verdad. Eso sí, que nadie espere hacerse rico siendo ingeniero, al menos en este país. Fue una de las primeras cosas que me dijeron a mí cuando empecé. También nos dijeron, el primer día, que si realmente éramos inteligentes nos iríamos a hacer Económicas o cualquier cosa por el estilo.

Haciendo balance, sin embargo, considero que no me he equivocado con la carrera. Me gusta mi trabajo y me gusta ser lo que soy. Es verdad que lo he pasado mal y que he recibido una buena somanta de palos, que seguía estudiando cuando la mayoría de mis amigos ya tenían trabajo, que he pasado ocho años sin tener un verano de verdad, y que en mi casa han terminado hasta las narices de mantenerme durante tanto tiempo (y yo de ser una mantenida), hasta que por fin he podido independizarme. Y que he tenido que hacer uso de toda mi cabezonería, que no es poca precisamente, para poder acabar la carrera.

Pero, a fin de cuentas, éste sólo es el primer paso, y al final orientas tu vida por donde te lleven las circunstancias y las decisiones que vas tomando. Y cuando empiezas la carrera normalmente no sabes en qué vas a acabar, así que lo mejor es escoger algo que te guste, porque al fin y al cabo la Universidad es para aprender y disfrutar aprendiendo, y lo de forjarse la vida ya vendrá luego.

Así que aquí lo dejo. ¡Un brindis por todos los que deciden empezar, y otro por los que la terminan!

LA ENERGÍA DEL VIENTO

2009-03-04T20:34:00.015+01:00

Todos sabemos que la fiebre consumista de los humanos es insostenible. Y últimamente este hecho se ha vuelto tan flagrante que hasta los propios humanos se han visto forzados a reconocerlo, a pesar de que durante casi todo su desarrollo industrial han hecho como si no pasara nada. Por fin se han dado cuenta de que los recursos del planeta son limitados, y de que, de seguir como hasta ahora, llegará un momento en el que sólo queden unos pocos despojos, o ni siquiera eso. Y, claro, les está empezando a entrar miedito.

Más terrorífico aún resulta que la parte del mundo más desarrollada, lo que ellos llaman el «primer mundo» (culpable, entre otras cosas, de que el planeta parezca un estercolero), no supone ni la mitad de la población, y que las regiones en vías de desarrollo, que es donde se concentra la mayor parte de la gente, van (¡proporcionalmente!) por el mismo camino. Es por eso por lo que buscan como locos formas de energía que no consuman los recursos que aún quedan, que no contaminen, que sean eficientes, y que además sean baratas (sólo les queda pedir que traigan la paz al mundo y que se puedan aplicar como cura para el cáncer). Lo cual explica la curiosa proliferación de molinos de viento (o aerogeneradores).

En realidad los humanos llevan muchos siglos aprovechando la fuerza del viento para mil cosas, desde bombear agua a moler grano. Sin embargo, el concepto de molino como generador de energía a nivel masivo es un invento más bien reciente. Los aerogeneradores han sido los grandes beneficiados del desarrollo del helicóptero: el hecho de comprender –más o menos, que lo suyo les costó– cómo funciona el ala rotatoria posibilitó un diseño mucho más eficiente de los molinos de viento, ya que en esencia vienen a ser iguales que los helicópteros, aunque con algunas diferencias importantes.

En un helicóptero el objetivo es crear una fuerza de sustentación en la dirección perpendicular al plano del rotor que sea capaz de contrarrestar el peso, para lo que es necesario un motor que le suministre potencia, manteniendo la velocidad de giro del rotor y, por tanto, también el movimiento de la corriente de aire a través de él. En cambio un aerogenerador produce potencia debido a que funciona extrayendo energía de una corriente de aire que ya está en movimiento y que a su vez produce una fuerza que lo hace girar. Simplificando: un helicóptero mueve el aire con el rotor y un aerogenerador mueve el rotor con el aire, y el orden de los factores, en este caso, sí que altera el producto.

Hay otra gran diferencia entre un helicóptero y un aerogenerador. Mientras que, por lo general, el rotor de un helicóptero siempre gira a la misma velocidad (lo que simplifica mucho el sistema de transmisión y permite un diseño óptimo del motor), un aerogenerador está sujeto a los caprichos del viento (que es realmente muy, muy caprichoso, como las aves sabemos muy bien). Habrá una velocidad mínima del viento a partir de la cual el generador comience a funcionar, cuando ésta sea suficiente para mover las palas, llamada velocidad de conexión, y una velocidad máxima que garantice la integridad del mismo, que es la velocidad de corte (el rango de funcionamiento suele estar entre 3 y 24 m/s), y a partir de la cual el aerogenerador no puede funcionar. La curva de potencia del generador eléctrico relaciona la velocidad del viento con la potencia que el molino es capaz de producir, que es una magnitud variable, ya que la velocidad del viento también lo es.

Hay que tener en cuenta que, como en el helicóptero, el viento produce fuerzas de sustentación y rozamiento sobre la pala que se invierten en parte en hacer que el aerogenerador gire, y que en parte empujan el molino hacia atrás. Cuanto mayor sea la velocidad del viento, mayor será la velocidad de giro y mayores serán estas fuerzas, haciendo que todo el molino esté sometido a grandes esfuerzos que pueden llegar a romperlo. El aerogenerador debe detenerse para evitar daños a la maquinaria y a la estructura. La mayoría de los aparatos que funcionan hoy en día consiguen esto cambiando el ángulo de paso de la pala, de forma que la fuerza del aire sobre ella sea mínima. Y si este dispositivo no funciona... el siguiente video es un ejemplo bastante gráfico de lo que puede suceder:

Aunque, como decíamos, los aerogeneradores se han puesto muy de moda últimamente, y cada vez se ven más por los campos españoles (de hecho, hay muchos agricultores que han decidido plantar molinos en lugar de cosas más tradicionales), no se puede poner un complejo eólico en cualquier sitio. No sólo hay que tener en cuenta lo abundante de los vientos en la zona: la orografía circundante, la rugosidad del terreno y la presencia de obstáculos son cruciales en el rendimiento de un aerogenerador. La tierra funciona como cualquier otra superficie en presencia de una corriente de aire: los obstáculos y los terrenos rugosos disminuyen la velocidad del viento y crean una zona turbulenta que puede llegar a cubrir por completo un molino de viento convencional (y estamos hablando de alturas de entre 30 y 90 metros). Y para que un molino trabaje a pleno rendimiento lo ideal es una corriente estable y laminar, así que cuanto más pequeña sea la zona turbulenta mucho mejor.

Según este razonamiento el lugar ideal para colocar un molino de viento es una zona completamente llana, que es por lo que a veces se colocan en el mar directamente. Las zonas de costa también son un buen lugar, ya que el viento suele soplar de forma estable y siempre en la misma dirección, durante el día del mar a la tierra y durante la noche de la tierra hacia el mar. Otro buen emplazamiento son los valles, debido al llamado «efecto túnel», que hace que el viento se acelere al comprimirse entre sus paredes. Y en la cima de una elevación, donde se produce el «efecto colina», que hace que la velocidad sea también mayor que en los alrededores al comprimirse el aire contra la ladera. Entre los efectos negativos se cuentan en general todos los producidos por obstáculos, y en particular por la estela de otros molinos de viento, donde el aire es turbulento y tiene ya muy poca energía. Es decir, que lo ideal sería alejar mucho un molino de otro... algo que sin embargo muchas veces es imposible, debido a la infraestructura necesaria para conectar los molinos a la red eléctrica, así que en los parques eólicos se llega a lo que los ingenieros humanos son aficionados a llamar una «solución de compromiso» entre los dos extremos.

Hoy en día la producción de energía eólica en España (que es el tercer país del mundo en potencia instalada tras Estados Unidos y Alemania) supone un 15,3% de la producción nacional total, según la REE.

Hay muchos defensores de este tipo de energía entre los humanos, y también, como no podía ser de otra forma (que hablamos de humanos), muchos detractores. Los principales argumentos que esgrimen en contra de los molinos de viento son lo antiestéticos que resultan, ya que destacan mucho sobre el paisaje, el ruido que hacen, que es bastante, y lo peligrosos que resultan para nosotros los pájaros. De donde se sigue que los detractores de los molinos piensan que los pájaros, en general, somos cortos de vista y estamos medio sordos (o eso, o que somos bastante lerdos).

En fin, creo que a estas alturas ya he superado lo de sentirme ofendido por lo que puedan decir los humanos...

VOLANDO SEGUROS

2008-12-10T12:24:00.015+01:00

Hoy, chorlitos, trataremos un tema un poco delicado que hace tiempo que quiero abordar: la seguridad en la aeronáutica. Los humanos son bastante subjetivos a la hora de evaluar lo seguro que es un medio de transporte, y normalmente confían más en sus instintos que en los datos puros y duros. Y en el caso de los aviones, sus instintos les dicen que no saben volar (lo que, esencialmente, es cierto, claro). Un humano siempre se sentirá más seguro en tierra que dentro de un avión, independientemente de la probabilidad real de peligro que haya.

E, irónicamente, la falta de confianza que tienen en los aviones es la principal razón de que el transporte aéreo sea el más fiable de todos (sí, es una de esas típicas contradicciones humanas). Como vimos no hace mucho, pocas cosas pasan unos controles de calidad tan estrictos y exhaustivos.

Pero, a pesar de todo, el hecho es innegable: los aviones se estrellan. No es una ocurrencia demasiado común, pero sigue siendo una de las muchas, muchas, muchas cosas que los humanos pueden mejorar. Y, sorprendentemente, es una de las pocas cosas que realmente se esfuerzan por mejorar.

Para que un avión se estrelle normalmente deben alinearse unos cuantos astros. Casi todo en el transporte aéreo está diseñado para que un solo fallo no sea causa suficiente para ello, así que deben producirse varios a la vez. Para que os hagáis una idea, todos los equipos esenciales para el funcionamiento del avión y la supervivencia de su pasaje van al menos por duplicado, y los protocolos de seguridad y las medidas preventivas que se aplican en todas las operaciones, si se aplican bien, evitan la mayor parte de los accidentes.

Pero, claro, no puede pasarse por alto lo que los propios humanos, en un momento de inspirada iluminación y sorprendente autoconocimiento, han llamado "el factor humano". Es decir, que son unos metepatas. Los aviones están diseñados para evitar los fallos, y ningún aparato va al aire sin que antes se haya demostrado que el diseño es seguro, y sin haber sido certificado por la Agencia de Aviación Civil correspondiente. Puede haber algún fallo, por supuesto (después de todo, son humanos quienes lo han diseñado), pero lo más común es que no lo haya. El problema llega después, con las cosas que dependen directamente de la competencia humana: desde el pilotaje hasta el mantenimiento, los controles de seguridad, los de navegación... los frentes a atacar son unos cuantos.

Echemos un vistazo a esas famosas buenas estadísticas (fuente: resumen estadístico de accidentes de aviones comerciales a reacción, Boeing). Los tramos más peligrosos durante la operación de un avión son el despegue y el aterrizaje. En el despegue y el ascenso inicial se concentra el 19% de los accidentes, mientras que en la aproximación final y el aterrizaje llega a producirse el 33%. El tramo más seguro, con diferencia, es el de crucero, considerando la fracción del tiempo de vuelo que el crucero representa con respecto a las demás etapas.

En realidad, la frecuencia con la que ocurren accidentes es tan baja que normalmente se mide en número de accidentes por millón de vuelos. También resulta interesante hacer el análisis por modelo de avión, aunque no hay que pasar por alto que hay modelos que se utilizan mucho más que otros, y otros que todavía no han llegado al millón de vuelos y que, por tanto, no pueden arrojar unas estadísticas demasiado concluyentes. Son por ejemplo notables los 30 accidentes sufridos por el 737-300/-400/-500, un avión relativamente moderno, que parece estar bastante por encima de sus aviones contemporáneos en cuanto a siniestralidad. Pero, considerando que es el avión más vendido de la historia con bastante diferencia, esta cifra es en realidad bastante buena (0,5 accidentes por millón de vuelos).

Es importante diferenciar entre aviación general y aviación comercial, porque, aunque la forma de transporte es en esencia la misma, las estadísticas no tienen absolutamente nada que ver. La aviación general abarca desde ultraligeros hasta aviones acrobáticos, pasando por veleros, avionetas, paramotores, y mil cosas más. Los controles en estos casos son mucho menos estrictos (y los pilotos más temerarios, también), y eso se nota. Según la NTSB, entre 1997 y 2006 ocurrieron 2305 accidentes de aviación general, frente a sólo 0,089 de aviación comercial (por cada 100.000 horas de vuelo).

Para situarnos un poco mejor en contexto: sólo en España y durante el año 2007 hubo 3082 muertes en las carreteras, mientras que, en todo el mundo y entre los años 1998 y 2007, los muertos por accidentes de aviación comercial fueron 5147. La verdad es que, a la vista de estas cifras, casi podríamos llegar a la conclusión de que el coche es uno de los principales depredadores que actúan sobre los humanos (los propios humanos son el otro gran depredador, claro). Otra obviedad es que los aviones son mucho, mucho más seguros que los coches, sin ningún tipo de duda.

Las causas que desencadenan un accidente son, sin embargo, lo más interesante a analizar de cara a evitar que se produzca otro igual en el futuro. Como ya hemos dicho, normalmente no se puede aislar una sola causa, pero suelen buscarse las principales, aquellas circunstancias sin cuya ocurrencia el accidente se habría evitado. Casi todos los países tienen una agencia que se dedica a investigar los accidentes (en el caso de España es la CIAIAC, que depende del Ministerio de Fomento), y que responde directamente ante las agencias internacionales como EASA o la FAA.

El Anexo 13 del convenio de Chicago de la OACI detalla las recomendaciones para el procedimiento a seguir a la hora de investigar un accidente, a quién notificar, y, sobre todo, qué hacer con las conclusiones alcanzadas tras la investigación. Muchos humanos piensan que el objetivo de una investigación de este tipo es encontrar a los responsables últimos para tener unos cuantos turcos a los que descabezar, pero nada más lejos de la realidad, y de lo verdaderamente importante. Las culpas y las condenas no son lo que salvarán vidas en el futuro, sino aprender de los propios errores e intentar que no vuelvan a repetirse.

Por desgracia, estas -por una vez- nobles intenciones quedan a menudo enmascaradas por el morbo de los medios de comunicación y el interés político.

A veces hasta siento lástima por ellos. Para una cosa que hacen bien...

CONFERENCIA SOBRE AEROPIONERAS

2008-10-17T17:39:00.004+02:00

Aunque ahora parece que las cosas están cambiando, casi desde el principio de los tiempos ha habido muchas culturas humanas que han relegado la presencia de la mujer a un segundo plano, sobre todo en determinadas áreas (es otro de esos comportamientos incomprensibles típicos de los humanos). La ciencia y la tecnología, y en particular la aeronáutica, son uno de esos campos que tradicionalmente han sido feudo casi exclusivo del macho de esta especie. Es por ello que unos cuantos amigos, entre ellos mi autora y los autores de Sandglass Patrol, se han puesto de acuerdo para dar a conocer un poquito de la parte de la historia de la aeronáutica en la que han intervenido las mujeres, y para dejar constancia de que, en realidad, los aviones y el espacio nunca han sido sólo cosa de hombres.

La conferencia será ESTE MIÉRCOLES 22 DE OCTUBRE a las 18:00 en el AULA MAGNA de la ETSI AERONÁUTICOS de Madrid. ¡Y estais invitados todos los chorlitos!

EL HOMBRE Y LA LUNA

2008-10-14T12:39:00.012+02:00

Buenos días, chorlitos. Hoy vamos a hablar de la Luna. Y es que resulta especialmente intrigante el hecho de que, en los más de treinta años que han pasado desde que el programa Apollo terminó, ningún ser humano haya vuelto a poner un pie sobre otro cuerpo celeste. Sobre todo teniendo en cuenta que dicho programa fue originalmente concebido en 1960, y que el primer ser humano que orbitó la Tierra, el ruso Yuri Gagarin, lo hizo en 1961. Y sólo ocho años después, en 1969, el primer hombre pisó la Luna, un tal Neil Armstrong. Todo en menos de diez años, impulsado por la competencia entre EEUU y la URSS.

Y después, ¿qué? ¿Es que, una vez conseguido el objetivo, ya no hay nada que demostrar? ¿Se han dormido en los laureles? ¿O es que les hace falta tener un conflicto contra otro país como fuente de inspiración? ¿Por qué, después de tanta difusión mediática, ya nadie se acuerda de la Luna? «Nos engañaron», piensan muchos. «Nadie llegó nunca a la Luna. Todo fue un montaje de la gente de Hollywood». Ya sabéis que los humanos adoran las teorías sobre conspiraciones, no se fían ni de su propia sombra, y son capaces de aportar grandes cantidades de pruebas que evidencian con igual contundencia la veracidad o falsedad de una noticia. Con lo que al final, claro, crean tal confusión que terminan por no saber ni de lo que están hablando.

Y es que, en realidad, todo se reduce a un problema de información. Es una peculiar percepción la que tiene esta especie: si no existe en los medios, no existe. Hoy en día la Luna ya no es un tema tan atractivo como en los años 60, aparentemente. Los humanos tienen otras preocupaciones: la crisis, consumir, el cambio climático, consumir, lo caro que está todo, el terrorismo, consumir… así que los viajes espaciales sólo son interesantes cuando dan beneficios, que es por lo que el tema de los satélites de telecomunicaciones o del turismo espacial sí que llega hasta sus oídos. Además, la Luna ya es terreno conquistado, agua pasada. Mejor ir a Marte, que está más de moda.

Pero lo cierto es que sí que hay proyectos para la Luna, y bastante importantes, a decir verdad. La NASA está en fase de puesta en marcha del programa Constellation desde que Bush dio el visto bueno en el 2004. «Pues ya estamos en el 2008», me diréis, «ya va siendo hora de que empiecen a verse resultados, ¿no?». Pues no. Y el motivo es, precisamente, que ya no estamos en plena Guerra Fría, y que los viajes tripulados a la Luna ya no se utilizan como propaganda, como se hacía antes. Así que quienes sueltan la pasta lo hacen con más moderación, y las cosas van más despacio y se monta menos bulla al respecto.

Y es que el proyecto Constellation es realmente ambicioso, mucho más de lo que lo fue en su día el programa Apollo (en consonancia con la línea habitual de actuación de los humanos, claro, que nunca se conforman con nada). No sólo quieren llegar a la Luna. Quieren establecer una base permanente y poner los cimientos para las futuras misiones a Marte, a donde quieren llegar durante la primera mitad del siglo XXI (después de todo, es lo que está de moda). Así que planificar algo así lleva su tiempo, incluso tomando como base la experiencia de misiones anteriores.

En realidad, y según ellos, lo que pretenden con este proyecto en la NASA es renovarse. Quieren jubilar al viejo Shuttle definitivamente en el año 2010, y pasar de enviar a unos cuantos astronautas a orbitar la Tierra a mandarlos a otros lugares del Sistema Solar. De momento el programa consta de tres líneas principales de desarrollo: los lanzadores Ares I y Ares V, el módulo de tripulación Orion y el módulo de alunizaje Altair. Y, aunque han pasado tantos años, lo cierto es que las tres cosas se parecen muchísimo a sus equivalentes del programa Apollo… aunque en la NASA aseguran que sólo es por fuera, y que están llenos de avances en los sistemas electrónicos, propulsivos y de soporte de vida, lecciones aprendidas con el Apollo, el Shuttle y la Estación Espacial Internacional (ISS). Y es que las soluciones de diseño adoptadas hace cuarenta años siguen siendo igual de válidas ahora (aunque utilizarlas no es precisamente lo que yo calificaría como «renovarse»).

Lo primero que quieren hacer los americanos es mandar un satélite de reconocimiento (el Lunar Reconnaissance Orbiter o LRO) a orbitar la Luna a finales del 2008, porque, aunque parezca mentira, las fotos conseguidas por los astronautas que fueron allí aún siguen siendo lo mejor que tienen, y hace falta más información para poder montar un buen campamento. Y para el 2014 tienen previsto el primer vuelo de la Orion, en el lanzador de dos etapas Ares I. La idea es que la nave (capaz de llevar entre cuatro y seis tripulantes) se acople a la ISS para proporcionar a los astronautas un medio de volver a la Tierra cuando quieran ~~(es sorprendente, incluso tratándose de humanos, que nadie pensara antes en esto)~~ (se ve que ya lo habían pensado, aunque no demasiado bien -ver comentarios más abajo-).

Para las futuras misiones a la Luna, la primera de las cuales está programada en el 2019, la NASA utilizará dos vehículos lanzadores distintos. Primero el Ares V (como el Ares I, pero bastante más grande) llevará el módulo de alunizaje Altair y el cohete que deberá propulsarles a la Luna, y los dejará en una Órbita Terrestre Baja (LEO). El Ares I será lanzado después, llevando a la tripulación dentro de la Orion, y en la misma órbita LEO se acoplarán las tres cosas (el cohete, el Altair y la Orion), para emprender el viaje a la Luna. La Orion orbitará nuestro satélite en solitario durante hasta seis meses, mientras los humanos alunizan en el Altair y se montan un chalecito en la superficie lunar (una casa hinchable cuyo prototipo ha sido probado en la Antártida).

Como veis, en la NASA ya lo tienen todo muy pensado. Pero no son los únicos. Aunque la época de la Guerra Fría y la carrera espacial ya pasó, los humanos siguen siendo humanos, y a ningún humano le gusta que otro le tome la delantera. Es por ello que la Agencia Espacial Europea (ESA) también hace sus propios planes al respecto, lo que ellos llaman el programa Aurora. Sin embargo, la ESA es una agencia relativamente joven y no puede beneficiarse de la experiencia acumulada de la misma forma que la NASA. Aunque, en realidad, el mayor problema que tienen en la ESA es que quien pone el dinero es la Unión Europea. Y la Unión Europea es un cuerpo con muchas cabezas que, sobre todo en cuestiones de dinero, casi siempre están en desacuerdo.

Lo único que parece por el momento más o menos asegurado del programa Aurora es la exploración robótica de Marte. Las ideas propuestas inicialmente hablaban de mandar vuelos tripulados a la Luna en el 2024 y a Marte en el 2030, pero de momento parece que sólo es una idea, y en la ESA tienen buen cuidado de utilizar el condicional siempre que hablan de ello. Eso sí, por imaginar, que no quede.

En cualquier caso, tanto la ESA como la NASA coinciden en que el paso más importante para poder llevar a cabo la colonización de otros cuerpos celestes es aprender a aprovechar in situ los recursos disponibles, que son abundantes, sin tener que transportarlos desde la Tierra, y ambas agencias trabajan en ello. Hay que tener en cuenta que ahora mismo hay que pagar unos 20 000 euros, que se dice pronto, por cada kilo que se manda allá arriba.

Sea como fuere, parece que el que se establezca una base en la Luna y vayan después a Marte y más allá es sólo una cuestión de tiempo. Quizá más tiempo del previsto, eso sí, porque con la crisis ahora el mundo no está como para lanzar cohetes... y todavía queda por ver qué es lo que va a pasar con las elecciones en Estados Unidos.

Esperemos que nadie tenga la feliz idea de montar un reality show al estilo «Supervivientes» en la Luna o en Marte, porque en ese caso perderé la poca confianza que me queda en los seres humanos.

GRAVEDAD A LA CARTA

2008-09-19T02:31:00.009+02:00

Los viajes al espacio son un tema peliagudo, chorlitos. Aunque los humanos intentan por todos los medios que las condiciones de vida en una nave espacial sean lo más parecidas posible a las de la Tierra, no pueden imitarlas todas. Y la que les da más problemas es la falta de gravedad, que hace que las cosas floten si no están bien sujetas y que los cuerpos se atrofien (el vacío espacial también da muchos problemas, pero ése es un tema para tratar en otra ocasión). En la ciencia-ficción han corrido ríos de tinta elucubrando sobre formas de conseguir gravedad artificial, desde «generadores» de fuerza gravitatoria basados en dudosos «principios físicos», hasta enormes estaciones espaciales giratorias que aprovechan la fuerza centrífuga de su giro, pasando por motores de aceleración continua, magnetismo, masa concentrada...

El método aparentemente más viable por el momento es el de la estación espacial giratoria. La fuerza centrífuga es mayor cuanto más lejos esté el centro de rotación y/o cuanto mayor sea la velocidad de giro. Así que, si el radio de la estación es pequeño, debe girar más rápido que si es grande para obtener la misma fuerza de gravedad aparente. El problema, si el radio de giro es pequeño, es que un humano un poco alto notaría diferencia entre la gravedad que sintiera en sus pies y la que sintiera en su cabeza, por lo que seguramente encontraría bastante difícil lo de moverse. Por otro lado, una velocidad de rotación alta tiene otros efectos (principalmente la fuerza de Coriolis), que tienden a revolver un poco el delicado sistema digestivo de los humanos. Ha habido algunos estudios serios sobre este método (el «Toro de Standford» propuesto por la NASA, por ejemplo… y hay hasta un pequeño juguete hecho en Java para experimentar).

Pero los humanos aún no han conseguido llevar a la práctica ninguna de estas ideas, al menos de forma aprovechable. Sin embargo, irónicamente, sí que han ideado y puesto en práctica un método para deshacerse de la gravedad estando en la Tierra. Ya se sabe: adaptarse o morir. Si no pueden producir gravedad, al menos tienen que saber cómo prepararse para sobrevivir sin ella. Y para ello resulta imprescindible la ayuda de cierto avión al que los chicos de la NASA han apodado cariñosamente el «Cometa del Vómito» (en realidad, han sido varios aviones a lo largo de los años, y no todos de la NASA, aunque es verdad que el suyo fue el primero). No puedo imaginarme el porqué del nombre.

El principio de funcionamiento es bastante simple, y muy parecido al de la estación espacial giratoria. Es decir, se aprovechan las fuerzas de inercia, en este caso generadas por una trayectoria en forma de parábola. Los chorlitos con algunas nociones de física sabrán en qué consiste el problema del «tiro parabólico»: cualquier objeto que lancemos y que se mueva después libremente, o, lo que es lo mismo, únicamente sometido a la fuerza de gravedad, lo hará siguiendo una trayectoria perfectamente parabólica (para los chorlitos un poco tiquismiquis: en realidad la trayectoria es elíptica si consideramos que la aceleración de la gravedad, g, varía con la altura; pero, a grosso modo, si la variación de altura es pequeña, se puede considerar que g es constante y que la elipse se aproxima a una parábola).

Pues bien, si suponemos que un chorlito viaja en el interior del objeto que hemos lanzado, dicho chorlito experimentará, por un lado, la gravedad que tira de él hacia abajo, y por otro, la fuerza de inercia derivada del movimiento del objeto; o lo que es lo mismo: una aceleración igual y contraria a la que lleva dicho objeto. Pero resulta, «casualmente», que un objeto que describe una trayectoria de tiro parabólico se mueve en todo instante bajo el efecto de una única aceleración: la de la gravedad. Así que, desde el punto de vista de nuestro chorlito, la gravedad y la inercia (que es igual a la gravedad, pero de signo contrario) se suman para dar como resultado un hermoso cero mondo y lirondo. O, en otras palabras, tanto el objeto como el chorlito caen libremente, por lo que no hay fuerzas entre uno y otro y hay una sensación aparente de ingravidez (podemos imaginar a un humano dentro de un ascensor en caída libre, con el mismo efecto, aunque mucho más divertido de visualizar).

En el caso de un avión lleno de humanos u otros elementos no atornillados al suelo de la cabina, esto se traduce en una trayectoria casi como la de una montaña rusa. El avión sube con una inclinación de 45 grados y acelerando hasta que alcanza la altitud y velocidad necesarias para comenzar la parábola, sometiendo a todo lo que haya en su interior a una gravedad aparente de entre 2 y 2,5 g’s. Cuando llega al inicio de la parábola deja de acelerar y comienzan el vuelo libre y la sensación de ingravidez, que dura sólo unos 25 segundos, ya que al final de la parábola el avión ha descendido mucho y es necesario remontar de nuevo. Y el ciclo comienza otra vez. En un vuelo de entrenamiento o investigación pueden hacerse entre 40 y 80 parábolas.

Así se rodaron, por ejemplo, las escenas de ingravidez de la película Apollo 13 (lo de llevarse un equipo de rodaje al espacio todavía sale demasiado caro, incluso para la gente de Hollywood). Y, cómo no, los humanos también han convertido esto en un negocio: la empresa americana Zero G ofrece vuelos en microgravedad por el módico precio de 5200 dólares, que incluyen también una simulación de la gravedad en Marte y en la Luna (a bordo del G-Force One, nada menos).

Y, para quien tenga recursos económicos limitados, está la ESA. Todos los años se organiza un concurso en el que se seleccionan experimentos para realizar en gravedad cero, diseñados por alumnos de distintas universidades, que son, por supuesto, quienes viajarán en el A300 Zero-G que la ESA utiliza para estas cosas y los pondrán en práctica, beneficiándose por la gorra de unos cuantos minutos de ingravidez. Por si hay algún interesado, las bases están aquí.

Aunque, teniendo en cuenta que incluso esto último suele estar fuera del alcance de la mayoría (no todos los humanos son tan ocurrentes como los chorlitos), quizá la forma más sencilla (para un humano) de probar la ingravidez sea subir a una de esas atracciones de feria con forma de barco pirata, dentro de la jaula, y saltar agarrado a los barrotes justo cuando la jaula esté en el punto más alto y comience a descender. Que viene a ser la versión cutre del vuelo parabólico.

(Un ascensor en caída libre, como ya hemos comentado, es más eficaz en ese sentido, pero suele convertirse en una experiencia terminal, así que no se lo recomiendo a nadie.)

SI SE ROMPE, NO VUELA

2008-09-04T00:50:00.009+02:00

El concepto que tienen los humanos del transporte aéreo de pasajeros, sobre todo en relación con los demás medios de transporte, es bastante subjetivo. Lo de volar, aunque les atrae, les aterroriza también de tal manera que hacen lo imposible para asegurarse de que ningún avión fallará mientras está volando, a veces incluso aunque al hacerlo se gasten una pasta considerable (así que, conociendo el amor de los humanos por el dinero, os podéis hacer una idea del miedo que le tienen a volar). De hecho, aunque se les demuestre que, gracias a estas medidas, el transporte aéreo es mucho más seguro que cualquier otro, muchos humanos se manifestarán reacios a subir a un avión sin ser capaces de aportar una causa racional para sus miedos.

Todo esto ha llevado a la creación de distintas agencias: La FAA (Federal Aviation Administration) en Estados Unidos y EASA (European Aviation Safety Agency) en Europa (que a su vez es sucesora de las antiguas JAA, y que unifica el trabajo que realizan las agencias locales de seguridad aérea de los países europeos, como la DGAC de España). La misión más importante de estos organismos es la de crear la normativa que deben cumplir los aviones para que se les considere seguros para el vuelo, o lo que es lo mismo, para que puedan obtener su certificado de aeronavegabilidad (uno de los documentos más codiciados, si no el que más, por las compañías constructoras de aviones). Todo, absolutamente todo, debe estar certificado para poder volar: desde el propio avión (con su certificado de tipo) hasta el menor de sus componentes y accesorios. Incluso el tapizado de los sillones.

Seguro que más de una vez os habéis preguntado por qué los humanos son tan poco originales haciendo aviones de transporte de pasajeros, que prácticamente no han cambiado de forma desde que se diseñó el Comet (el primer avión comercial a reacción) en los años 40. Y no es que el diseño actual sea el óptimo en cuanto a eficiencia. En ese sentido los aviones tipo BWB son mucho mejores, y cabe la posibilidad de que hereden el transporte de pasajeros del futuro. No; lo que ocurre es que la configuración tradicional está más que estudiada y comprobada, por lo que obtener el ambicionado certificado de aeronavegabilidad es mucho más fácil y rápido, y, sobre todo, más barato. En cuanto se introduce alguna modificación en el esquema conocido, el proceso de certificación se convierte poco menos que en una pesadilla. Que se lo pregunten si no al equipo encargado del Boeing 787, que no ve la forma de obtener el papelito, entre vulnerabilidades informáticas, problemas de materiales y quién sabe cuántas cosas más.

Y es que el proceso de certificación de un avión dura unos cinco años, y comienza prácticamente en el momento en el que se congela el diseño preliminar (es decir, cuando se deciden la forma y características generales del avión). El certificado de tipo se obtiene al final del desarrollo del avión, después de todos los ensayos y comprobaciones necesarios, y después de muchas reuniones y algún que otro jamón ibérico (o equivalente) intercambiado con disimulo entre el fabricante y la autoridad certificadora. El 787, por ejemplo, solicitó su certificado de tipo en abril del 2003, cuando aún era el 7E7.

Pero lo interesante de la certificación no es el papeleo, sino los ensayos, que forman parte de dicho proceso, y que básicamente consisten en maltratar lo que se está ensayando para ver si aguanta (esta es otra de las inexplicables pasiones humanas, romper cosas). Aunque, en realidad, ensayos hay de varios tipos, y no siempre consisten en destrozar lo que se ensaya.

Cuando se comienza a fabricar un avión se suelen construir varios prototipos, y uno de ellos se destina a ensayos destructivos (básicamente, a hacerlo pedazos). Las cargas que la estructura debe ser capaz de aguantar se calculan previamente, bajo ciertos requisitos: las cargas máximas previstas en servicio, o cargas límite, no deben producir deformaciones permanentes perjudiciales, y la deformación temporal que se produzca (por ejemplo, la del ala durante el vuelo) no debe interferir con la operación segura del avión.

El concepto de carga última también es muy importante en aeronáutica (y en cualquier ingeniería, en realidad): las cargas últimas son las cargas límite multiplicadas por un factor de seguridad de 1,5. La estructura debe ser capaz de soportarlas sin romperse durante al menos tres segundos (después de los cuales ya puede descoyuntarse con tranquilidad). El factor de seguridad que se utiliza en aeronáutica es relativamente ajustado (en los coches, por ejemplo, se aplica un factor de 3) debido a que reforzar una estructura casi siempre supone un aumento de peso. Por eso los controles de calidad son más estrictos, y ahí es donde entran los ensayos.

Los ensayos sirven para comprobar que la estructura que se ha calculado a partir de los requisitos de carga y funcionamiento realmente puede funcionar bajo las condiciones impuestas. Normalmente bajo las peores condiciones previstas. Por ejemplo, en el caso de los ensayos de frenado, se carga el avión al máximo posible y además se utilizan unos frenos que ya tienen el máximo desgaste permisible. Y, por si eso fuera poco, después de una frenada que suele terminar incendiando las ruedas, el avión debe ser capaz de rodar en esas condiciones durante al menos 5 minutos sin incendiarse del todo. Lo sorprendente es que además no exijan que lo haga todo sobre una sola pata, ya puestos.

Los ensayos a los que se someten los motores también son bastante impresionantes, en particular el blade-off test, en el que se simula el desprendimiento de una de las palas del fan, y durante el cual el revestimiento del motor debe ser capaz de contener la explosión resultante en su interior. Y después el motor se tira, claro. Unos cuantos milloncejos de nada, si con eso no se va a ninguna parte...

Por no hablar de las pruebas de «ingestión de pájaros», no aptas para estómagos sensibles. Cuando les da por ponerse en plan gore... ¿Qué necesidad tendrán de hacerlas con pájaros de verdad, digo yo? ¿No pueden usar un pollo de goma?

Urgh... no debí haber visto este video...

MATERIALES COMPUESTOS

2008-06-01T01:24:00.014+02:00

Ya hemos comentado muchas veces que las ambiciones humanas en términos aeronáuticos casi pueden resumirse en una sola idea: el ahorro de peso. Hemos visto cómo este criterio domina el diseño de todos los aviones actuales y por qué (dinero, obviamente). Y, últimamente, la mejor forma de ahorrar peso que han encontrado los humanos son los materiales compuestos, o composites.

En realidad los materiales compuestos son muy antiguos. La naturaleza tiene los suyos, como el hueso (formado por fibras de colágeno y una matriz de hidroxiapatita) o la madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina), pero los propios humanos llevan siglos utilizándolos sin saberlo (no sé por qué no me sorprende). Las antiguas casas de adobe, que ya se hacían en la época del imperio egipcio, son un buen ejemplo de material compuesto, junto con el hormigón, introducido por los romanos.

Pero los humanos sólo comenzaron a darse cuenta de las verdaderas posibilidades de este tipo de material hasta hace bien poco, hacia la segunda mitad del siglo XX. Y es que las propiedades de los composites son verdaderamente asombrosas, si se comparan con las de los elementos que los constituyen. La mayoría de los materiales compuestos están formados por una matriz y un agregado que se refuerzan mutuamente.

En la industria aeroespacial se suelen utilizar FRP's (Fiber Reinforced Plastics): fibras de alta resistencia (fibra de carbono, de vidrio o aramidas) en una matriz de polímero, normalmente una resina termoplástica o termoestable (casi siempre termoestable, y particularmente resina epoxy). Intuitivamente todos sabéis que las fibras funcionan muy bien para aguantar fuerzas de tracción, pero que no sirven para aguantar compresiones. Es decir, cualquier chorlito me diría que una cuerda es perfectamente adecuada para atarle un peso y dejarlo colgar, pero seguro que casi nadie sugeriría utilizarla para sostener algo a modo de columna.

En el caso de las fibras de alta resistencia esto también se cumple, con la diferencia de que la fuerza de tracción que pueden llegar a aguantar es bastante mayor que la que soportaría una cuerda normal y corriente (para que os hagáis una idea: una fibra de carbono de las más resistentes, de un milímetro de diámetro, soportaría unos 450 kilos). Impregnadas con resina posteriormente endurecida (o curada, que es lo mismo, pero queda mejor), no pierden sus buenas propiedades para resistir las tracciones, y además la resina se encarga de soportar las cargas de compresión, con lo que se tiene un material que puede trabajar en cualquier condición de carga. Y, sobre todo, muy ligero, bastante más que cualquier metal.

Sin embargo, no todo son ventajas. Los materiales compuestos deben ser fabricados desde cero y atendiendo a sus peculiaridades, que son muchas. Los procesos de fabricación son la mayoría de las veces complejos y costosos, y en muchos casos deben hacerse a mano, algo que suele fastidiar bastante a los humanos, porque son conscientes de lo propensos que son a meter la pata (al menos lo reconocen).

Alguien que quiera fabricar algo con materiales compuestos tiene varias opciones entre las que escoger. La fibra puede comprarse en forma de tejido (trenzada como si fuera una tela) o cinta (con todas las fibras alineadas en la misma dirección), seca o ya preimpregnada con la resina apropiada (sin curar, claro). En el caso del preimpregnado, lo que suele hacerse es apilar varias capas unas encima de otras, sobre un molde que les dé la forma necesaria. Algunas veces se hace con máquinas, pero es frecuente que el apilado sea manual, y además el número de capas y la orientación que se les dé influyen muchísimo en la resistencia final que tendrá la pieza (y si el operario se deja una arruga, por pequeña que sea, ya está el lío armado). Después habrá que curar la resina para que la pieza tome su consistencia y sus propiedades finales, para lo que suele ser necesario introducirla en un autoclave (un horno que, además de las altas temperaturas, también somete a la pieza a grandes presiones).

Otro método muy empleado, y cada vez más, es el moldeo por transferencia de resina, o RTM. En este caso se utiliza un tejido seco al que ya se le ha dado la forma de la pieza, metido en un molde hermético en el que se hace el vacío y se inyecta la resina a presión. El objetivo es que la resina se distribuya uniformemente y en el menor tiempo posible por toda la preforma, para después curarla y sacar la pieza hecha. Montar un sistema de fabricación por RTM es complejo, pero una vez hecho el ritmo de producción y los costes son bastante mejores que en el caso del apilado (y, además, se hace todo con máquinas, con lo que los humanos no meten las manazas en el proceso).

Otra de las grandes pegas de los materiales compuestos es que, aunque son bastante resistentes cuando están intactos, esa resistencia disminuye drásticamente si ya hay daños en el material. Un simple golpe producido por la caída accidental de una herramienta desde la mano de nuestro hábil operario podría mellar el material lo suficiente como para que no soportara las cargas en vuelo. Si el golpe es visible, puede repararse y no hay mucho problema, pero muchas veces no queda apenas marca que el ojo (humano) pueda distinguir, lo que se llama BVID (Barely Visible Impact Damage). Por eso las piezas de material compuesto se diseñan con un criterio de tolerancia al daño: la seguridad del avión no debe verse comprometida por la presencia de fallos que no se puedan detectar a simple vista bajo determinadas condiciones. La pieza debe aguantar.

Recientemente han «inventado» un material que podría solucionar este problema en las futuras generaciones de aviones, algo muy importante si se tiene en cuenta que ya tanto el B-787 como el A350 tienen estructuras primarias fabricadas con material compuesto: los composites que se reparan solos. Por supuesto, como siempre, el invento está sacado directamente de la naturaleza, y esta vez ni se molestan en disimularlo. La idea es utilizar fibras huecas como capilares, a semejanza de los vasos sanguíneos de los animales, por los que circulen resina epoxy y endurecedor por separado, de tal manera que el material «sangre» al producirse el daño y ambos agentes se mezclen, endureciéndose y «cicatrizando» la herida. Un tinte mezclado en la resina ayuda a localizar las posibles cicatrices.

Y, por supuesto, quieren llevarlo más allá, integrando una red completa de vasos sanguíneos, un sistema circulatorio que pudiera ser rellenado o que incluso sirviera para distribuir energía o regular el calor (ya que se ponen a imitar, que lo hagan en condiciones, ¿no?). En unos cuatro años, calculan, estos materiales estarían disponibles para su uso comercial.

Como curiosidad añadida sobre el tema de los materiales compuestos os dejo un vídeo en el que se hacen pruebas con Pykrete, una mezcla de serrín y hielo que durante la Segunda Guerra Mundial estuvo a punto de utilizarse para fabricar un gigantesco portaaviones. Si será por ideas absurdas…

Imagen del nuevo composite auto-reparable: Engineering and Physical Sciences Research Council. Gracias a jcea y a gizmo por enviar la noticia ;)

EFECTO SUELO

2008-04-26T23:21:00.021+02:00

Seguro, chorlitos, que más de una vez habréis notado que cuando voláis cerca del suelo os resulta más fácil hacerlo que si estáis a una cierta altura. Esto ocurre también con los aviones, y es debido a algo que los humanos llaman «efecto suelo», una vez más demostrando su asombrosa originalidad para poner nombres.

Para explicar el efecto suelo como es debido, lo primero que hay que hacer es dibujar un esquema de cómo se mueve el aire alrededor de un ala en pleno vuelo. Ya sabéis que un avión vuela porque la presión bajo sus alas (en el intradós) es superior a la presión sobre ellas (en el extradós). Esta diferencia de presiones, además de producir la sustentación, hace que el aire del intradós tienda a ir hacia las zonas de menos presión del extradós, rodeando la punta de las alas. Ahí es donde ambos flujos de aire entran en contacto, produciendo los torbellinos marginales o de punta de ala de los que hemos hablado en otras ocasiones.

El efecto de la presencia de dichos torbellinos es la creación de una corriente de aire hacia abajo, tras el ala, llamada downwash o velocidad inducida (w_i), que a su vez es directamente responsable de la aparición de una de las componentes de la resistencia aerodinámica: la resistencia inducida (D_i). Esta resistencia está indisolublemente ligada a la sustentación, y es el precio que hay que pagar para poder volar (un precio que los humanos están continuamente tratando de regatear, con winglets y otros inventos similares que intentan reducir los torbellinos marginales a la mínima expresión).

Pues bien, cuando un avión vuela cerca de una superficie plana (sólida o líquida), hasta una altura aproximadamente igual a su envergadura, los torbellinos de punta de ala y el downwash se ven desviados por dicha superficie, y la resistencia inducida se reduce drásticamente, haciendo el vuelo mucho más fácil y eficiente. El ángulo de ataque efectivo del ala, al disminuir la velocidad inducida, se hace más grande, aumentando la sustentación (recordad que la sustentación crece proporcionalmente al ángulo de ataque). Además, el aire atrapado entre el ala y el suelo se comprime, con lo que la diferencia de presiones entre extradós e intradós es mayor y el efecto global es otro aumento de sustentación. En resumen: hay más sustentación y menos resistencia aerodinámica.

Sin embargo, los pilotos humanos no sienten mucho aprecio en general por este fenómeno, ya que hace que los aviones sean más difíciles de controlar (el piloto debe compensar la repentina disminución de resistencia sobre la marcha, y el avión tiende a quedarse en el aire, lo que es un problema si uno quiere aterrizar). Algo, que, por supuesto, los pájaros dominamos a la perfección. Lo que sentimos al volar cerca del suelo es similar a lo que sienten ellos cuando se ponen unos patines.

Pero, a veces, incluso ellos saben aprovechar el fenómeno. Es el caso de los helicópteros, por ejemplo. Para cada modelo de helicóptero hay una altitud, que depende de la potencia del motor, las características de la hélice y el peso del propio helicóptero, a partir de la cual éste no puede seguir subiendo: su «techo». Sin embargo, es posible, ya que las palas del rotor funcionan esencialmente como un ala, que un helicóptero vuele por encima de su techo si lo hace con efecto suelo, hasta, aproximadamente, una altura sobre el suelo igual a la longitud de una pala. Igualmente, un helicóptero volando a punto fijo (es decir, cuando se queda quieto en el aire) puede aprovecharse del efecto suelo para consumir menos combustible.

En otras ocasiones el efecto suelo ha servido para quitarle méritos a un avión, como fue el caso del enorme Hercules H-4 «Spruce Goose», al que sus detractores consideraban incapaz de alzarse algo más de unos pocos metros sobre el agua (en su único vuelo se elevó sólo 21 metros, siendo su envergadura de casi 100, es decir, el efecto suelo era importante), o del propio Wright Flyer (también es algo típicamente humano intentar echar por tierra los esfuerzos de otros humanos).

Pero quienes más provecho supieron sacar del efecto suelo fueron los rusos con sus ekranoplanos, o vehículos WIG (Wing In Ground). En realidad estaban trabajando en el concepto del hidroala: un barco equipado con un ala sumergida que, similar a la de un avión, eleva la mayor parte de éste sobre el agua al alcanzar cierta velocidad, reduciendo considerablemente la resistencia producida por el líquido. Hasta que, por fin, se les ocurrió que la forma de reducir esa resistencia al mínimo era sacando todo el barco del agua y convirtiéndolo en un avión (es que los rusos también son humanos, qué se le va a hacer).

Así nació el KM, en 1965, al que los espías estadounidenses apodaron el Monstruo del Mar Caspio cuando lo descubrieron en las imágenes que enviaban los satélites que observaban la zona (y no me extraña que se asustaran al verlo). Alcanzaba un peso de hasta 540 toneladas (el An-225 «Mriya», el avión más pesado construido por el hombre, tiene un MTOW de 600 toneladas) y estaba propulsado por diez motores a reacción, ocho de los cuales se situaban delante de las alas. El flujo de salida de estos ocho motores se desviaba ligeramente hacia abajo a bajas velocidades para ayudar al ekranoplano a salir del agua, enderezándose después para aumentar la velocidad.

Rusia desarrolló bastantes modelos de ekranoplano más pequeños que el KM, como el Lun, y continúa trabajando en este concepto, aunque la mayor parte de sus proyectos fueron abandonados hacia los años 90 por cuestiones políticas y económicas.

Pero, en realidad, los vehículos de efecto suelo sólo son prácticos para tamaños mucho mayores que los del enorme Monstruo del Caspio. Cuanto mayor y más pesado es un avión, mayor superficie alar necesita para elevarse, lo que implica más material en las alas, estructuras más reforzadas y más peso todavía. Además, son necesarios más empuje (lo que casi siempre implica una planta propulsora más pesada) y más combustible para moverlo. Todo esto lo hace incluso más pesado, haciendo que no sea rentable construir aviones a partir de un cierto límite.

Pero cerca del suelo, al producirse mayor sustentación y menor resistencia inducida, el ala necesaria es más pequeña, lo que a su vez redunda en reducir los pesos de la estructura, los motores y el combustible, y permite que el avión sea mucho más eficiente. Por otro lado, el mayor problema de un avión de efecto suelo es que la alta densidad del aire al nivel del mar dificulta alcanzar grandes velocidades, algo que resulta completamente inadmisible para los pasajeros humanos, que siempre van con prisas a todas partes, pero que podría ser interesante para el transporte de mercancías a bajo coste.

Este es el razonamiento seguido por la gente de Boeing para desarrollar su Pelican, un verdadero monstruo (este sí) capaz de transportar casi 1300 toneladas de carga, con una envergadura de 153 metros y una altura de crucero de 6 metros para muy largo alcance, capaz de despegar desde pistas convencionales sobre un tren de aterrizaje de 76 ruedas (el número de ruedas del tren está directamente relacionado con el peso, para distribuirlo lo suficiente como para no dañar la pista).

Quién sabe, puede que el futuro vea sustituidos los enormes y lentos barcos cargueros por unos cuantos «pelícanos» muy, muy grandes.

Más información: aquí y aquí.

SATE

2008-04-15T14:34:00.015+02:00

Cuando un humano va a un aeropuerto para subirse en un avión, y si lleva equipaje, suele dejarlo en el mostrador de facturación y confiar ciegamente en que, de alguna forma misteriosa, su equipaje aparecerá en la cinta de recogida de equipajes del aeropuerto de destino más o menos al mismo tiempo que él. Quizá algún humano con alma de chorlito se pregunte qué ocurre con la maleta entre que la entrega y se la devuelven, pero no es lo común, claro. Para eso hace falta ser un chorlito.

El sistema que se encarga de que todo funcione es el SATE, o Sistema Automático de Tratamiento de Equipajes, y en los aeropuertos muy grandes es un universo en sí mismo. Como ejemplo el SATE del aeropuerto de Barajas, en Madrid, que comienza a varios kilómetros del propio aeropuerto en la estación de metro de Nuevos Ministerios, y, desde la ampliación de la T-4, es uno de los mayores del mundo y el mayor de Europa (ya conocéis el dicho de los humanos de «cuanto más grande, mejor»). El nuevo SATE tiene un total de 91 km de cintas transportadoras, y es capaz de procesar 16.500 equipajes por hora.

Un sistema SATE es de vital importancia sobre todo en los aeropuertos nodales, o hubs, que actúan como puntos de enlace entre unos vuelos y otros. El SATE se encarga de que las maletas vayan siempre a los lugares a los que van sus dueños, hagan las conexiones que hagan, y de que la sincronización entre cada pasajero y su maleta sea perfecta (en teoría, claro, que estamos hablando de humanos). En resumen: es, entre otros, el responsable de evitar que los pasajeros crucen el umbral de cabreo admisible.

¿Y en qué consiste el SATE? Hay quien lo compara con un sistema de carreteras, con vías locales (bandas transportadoras) que enlazan con autopistas grandes y rápidas (DCVs, es decir, carros con destino codificado en los que se transporta una maleta por carro, o cintas de alta velocidad; ambos llegan a alcanzar unos 10 m/s), por las que circulan las maletas como si fueran coches. Para pasar las maletas de unas cintas a otras se utilizan empujadores, bandejas basculantes, o simplemente se las deja caer (con ciertas precauciones para evitar daños, aunque no es recomendable meter cristalerías de Bohemia o similares en la maleta). Y, por supuesto, el centro neurálgico: el sistema de control, los ordenadores que saben en todo momento dónde está y a dónde va cada avión, maleta y pasajero del aeropuerto, y que deciden por dónde deben ir las maletas para llegar lo antes posible a su destino.

Al facturar una maleta se le suele colocar una etiqueta con un código de barras que indica a qué pasajero pertenece, cuál es su origen y cuál su destino. El primer control, tras la facturación, que debe pasar el equipaje es un conjunto de lectores de códigos de barras automáticos que es capaz de leer alrededor de toda la maleta, incluso por debajo de ella. Esto hace que el SATE sepa en todo momento dónde se encuentra la maleta y a dónde dirigirla. De hecho, una etiqueta errónea suele ser el principal motivo de pérdida de equipajes, ya sea porque se le ponga una que no le corresponda o por olvidar retirar la de un vuelo anterior (despistes todos ellos típicamente humanos). Las maletas que el sistema no logra leer son desviadas hacia un operario con un lector de códigos de mano, que las identifica y las reincorpora a la cadena.

Y, por supuesto, no pueden faltar los controles de seguridad. La mayoría de los sistemas de tratamiento de equipajes modernos aseguran la inspección del 100% de los equipajes de salida y conexión. Todas las maletas atraviesan un escáner automático de rayos X, y la mayoría son declaradas seguras y siguen adelante sin problemas. Los equipajes que el control automático identifique como sospechosos (que pueden contener desde aparatos electrónicos hasta líquidos corrosivos) pasan un segundo control, en el que operarios humanos visualizan la información proporcionada por las máquinas de rayos X y deciden si el equipaje es inofensivo o debe pasar el tercer control de seguridad. En el caso de los aeropuertos más modernos, como el de Barajas, dicho control se realiza con máquinas tomográficas, en sustitución del antiguo sistema de abrir la maleta y mirar dentro.

Una vez declaradas seguras, las maletas son dirigidas (con suerte) hacia el avión que les corresponde, donde son introducidas, dependiendo del tipo de avión, a mogollón en la bodega (bulk cargo) o a mogollón en un contenedor estándar. Las maletas que hacen transferencia se guardan separadas de las que hacen un vuelo directo (el SATE ya se ha encargado de mandarlas separadas al avión), listas para ser enviadas a donde corresponda por el sistema de tratamiento de equipajes del aeropuerto de destino.

Todo esto es muy bonito en teoría, pero a los humanos les ha costado mucho dominar este sistema. Un ejemplo de ello es el aeropuerto de Denver, en el que los problemas con el SATE supusieron un retraso de un año en su apertura al público, con un coste de un millón de dólares por cada día de retraso. Hubo problemas mecánicos y de software que hacían que las maletas se perdieran, o fueran mal dirigidas, o se cayeran de los carros y produjeran grandes atascos; los sensores ópticos no eran capaces de captar la montaña de maletas acumuladas, por lo que no detenían el sistema. El ordenador perdía entonces la pista de qué carritos iban cargados, y montaba dos maletas en el mismo, con lo que lógicamente una de ellas caía a las vías. Y la sincronización entre las bandas y los DCVs no era exacta, lo que también terminaba con las maletas entre las ruedas de los carros. Un desastre, en una palabra.

El gran problema de las etiquetas con código de barras para identificar los equipajes es lo complicado que es leerlas automáticamente. El código de barras puede haberse borrado parcialmente, estar arrugado o roto, con lo que el control automático se hace imposible. Es por ello que se están intentando introducir las etiquetas RF, o identificadas por radio frecuencia (RFID), que con una señal de radio proporcionan toda la información necesaria. Los problemas de coste que supondría este nuevo sistema, así como el diseño de las etiquetas para resistir unas condiciones muy adversas (golpes, humedad, calor, frío, suciedad…), parece que están empezando a superarse.

Muchos aeropuertos han puesto a prueba este sistema con éxito, e IATA ya ha introducido un estándar para las etiquetas RFID que proyecta ahorrar unos 760 millones de dólares anuales a la industria. Las etiquetas RF subirían los promedios de lectura correcta desde el 85% de los códigos de barras a un 95-99%. Además, este tipo de identificadores también permiten la escritura de datos en ellos, con lo que podría mantenerse actualizada la información del progreso de la maleta en cada instante dentro de la propia etiqueta. Barajas, entre otros aeropuertos y líneas aéreas, ha puesto a prueba el sistema con excelentes resultados.

Hay quien incluso se plantea hacer lo mismo con los pasajeros.

AEROMETALES

2008-04-04T13:44:00.007+02:00

No pueden faltar en la formación de todo chorlito que se precie algunos conocimientos sobre las materias primas con las que se construyen los aviones. Los materiales son una de las cosas que hoy en día están evolucionando más rápidamente, y los humanos tienen puestas grandes esperanzas en esa evolución para conseguir su objetivo más apremiante: reducir el peso de los aviones, o, lo que es lo mismo, sacar más tajada, como ya sabemos. En esta ocasión nos centraremos en los tres metales más utilizados en aeronáutica: el aluminio, el titanio y el acero.

En realidad, los avances en aeronáutica siempre han ido ligados a lo que los humanos han ido aprendiendo sobre materiales, y, en particular, sobre los metales. De hecho, todos los avances tecnológicos de la historia de la humanidad han estado íntimamente relacionados con ellos, desde que algún sujeto inspirado descubrió que había algunas rocas con las que se podían hacer muchas cosas (distintas de arrojarlas a la crisma de sus congéneres, se entiende). Los metales tienen unas propiedades muy particulares, entre ellas muy buenas características mecánicas (resistencia, tenacidad, dureza…), lo que los ha convertido en imprescindibles en casi todos los campos de la tecnología.

Sin embargo, la mayoría de ellos tienen una densidad muy alta, lo que en un principio los hizo poco menos que inservibles en lo que se refiere a la estructura de los aviones. El aluminio es uno de los pocos metales que cumplen los requisitos de densidad y resistencia, aunque realmente no se pudo usar de forma eficaz hasta que se diseñó la estructura semimonocasco, de la que ya hemos hablado anteriormente. Aunque ya el primer avión de la historia, el Flyer de los hermanos Wright, llevaba un motor de cuatro cilindros con cárter de aluminio.

El aluminio, aunque hoy en día parezca increíble (los humanos lo utilizan diariamente y para miles de cosas, hasta para envolver los bocadillos), fue en su momento uno de los metales más caros que existían, más incluso que el oro, debido a lo dificilísimo que era de obtener en estado puro (lo que, por supuesto, lo convirtió inmediatamente en un símbolo de riqueza que los más adinerados exhibían con ostentación); todo esto a pesar de ser el elemento más abundante en la corteza terrestre.

Por suerte para todos aquellos humanos que no habían invertido en aluminio, hacia finales del siglo XIX se descubrió y puso en marcha el proceso electrolítico Hall-Héroult, que lo abarató considerablemente y hoy en día es el método de obtención más utilizado. Probablemente sin este descubrimiento la aeronáutica habría evolucionado de forma muy diferente, y es posible que los aviones siguieran aun hoy haciéndose de tela y madera, y hasta incluso pudiera ser que los cielos siguieran perteneciéndonos a nosotros... Lástima.

Aunque ahora están empezando a ser desplazados por los materiales compuestos, el aluminio y sus aleaciones han dominado la industria aeronáutica durante casi toda su historia, hasta el punto de que fue considerado un material estratégico durante la Segunda Guerra Mundial (razón por la cual el famoso «Spruce Goose» de Howard Hughes es de madera). El aluminio puro es muy ligero y resiste muy bien la corrosión, pero en cuanto a resistencia mecánica deja un poco que desear. Por ello en aeronáutica se utilizan más sus aleaciones con otros metales, que, aunque en general son de mayor densidad, mejoran considerablemente algunas propiedades en función de los componentes de la aleación. Se utilizan sobre todo las aleaciones aluminio-cobre (2024), que tienen alta resistencia mecánica y a fatiga, pero son muy sensibles a la corrosión, y aluminio-zinc (7075), que son las que mejores propiedades mecánicas tienen, alcanzando niveles de resistencia parecidos a los del acero, aunque también son algo vulnerables frente a la corrosión.

Sin embargo, las aleaciones de aluminio no son la panacea universal, ni mucho menos. Uno de los mayores problemas que tienen es que no toleran las altas temperaturas (siempre que se puede se evitan las soldaduras, y las uniones suelen hacerse con remaches o adhesivos). Por ello, en lugares como los motores, donde se alcanzan fácilmente temperaturas y presiones muy altas, son necesarios otros materiales que varían en función de la zona del motor.

Hasta los 600 ºC trabajan muy bien las aleaciones de titanio, por lo que, por su alta resistencia mecánica y su ligereza, se las utiliza en el fan y el compresor de los reactores. Para los álabes de las turbinas, que al estar tras la cámara de combustión pueden llegar a alcanzar los 1400 ºC, se utilizan aleaciones basadas en níquel y diversos sistemas de refrigeración, a pesar del aumento en peso que esto supone.

El titanio es un metal caro, aunque quizá no tanto como lo fue en su día el aluminio; pero exactamente por la misma razón. Es el noveno elemento más abundante de la corteza terrestre (0,9%), el cuarto entre los metales, así que la cantidad de materia prima no es un problema. Extraerlo a partir de los óxidos en los que se presenta en la naturaleza ya es otra cuestión, y hasta que ocurra algo parecido a lo que pasó con el aluminio, y debido a su fuerte demanda, seguirá siendo un elemento que haya que usar con moderación.

Y es que los humanos han encontrado muchísimas aplicaciones para el titanio. La industria aeroespacial ha sido y es su principal impulsora, pero su alta resistencia a la corrosión y al ataque químico, su ligereza y sus propiedades mecánicas similares a las del acero hacen que se utilice en reactores nucleares, barcos, coches y mil sitios más. Entre otras cosas, con él se fabrican piezas de repuesto para los propios humanos -o prótesis, como las llaman ellos-, ya que es uno de los pocos metales que el organismo tolera sin problemas (es biocompatible). Y también se utiliza con motivos estéticos no del todo justificables (algo por otra parte común cuando los humanos se meten en lo que ellos llaman «arte»).

El acero (hierro + carbono) es en general demasiado denso para utilizarlo extensivamente en los aviones, aunque de hecho sí que se utiliza en algunos puntos. Es el caso del tren de aterrizaje, donde la alta resistencia al impacto que se necesita se impone al ahorro de peso. Dicho acero (ojo, que no vale cualquiera: tiene que ser de alta resistencia) permite hacer estructuras muy robustas con poco material, así que su alta densidad se ve compensada en parte por este hecho, y de este modo se minimiza el espacio que ocupa el tren en la bodega del avión. Aun así, sólo el tren de aterrizaje supone un porcentaje importante del peso total de la aeronave, y una fuente de quebraderos de cabeza para los diseñadores. En el caso del X-15, por ejemplo, se utilizaron patines en lugar de ruedas con el único objetivo de ahorrar peso.

De modo que el esquema de la composición de un avión típico, en líneas generales, es el siguiente: aleaciones de aluminio para la estructura y el revestimiento de las alas y el fuselaje, titanio en los álabes del compresor y otras piezas sometidas a altas temperaturas en los motores (o en las alas y el fuselaje de los aviones supersónicos), acero de alta resistencia para el tren de aterrizaje y otras zonas puntuales, y un porcentaje que depende del tipo de avión y, sobre todo, de la época en que se haya construido, de materiales compuestos en los lugares donde no haya esfuerzos muy grandes (un porcentaje que tiende a ser cada vez mayor). Más algunos otros materiales, aleaciones ligeras o de alta resistencia térmica, allí donde los anteriores no se puedan utilizar.

RESUMEN CHORLÍTICO (02/03/2008)

2008-03-26T14:51:00.015+01:00

Hola, chorlitos. Como había prometido, voy a contaros cómo fue la excursión del pasado 2 de marzo. Sí, ya sé que llega un poco tarde. Es que me hubiera gustado poner la foto de grupo que nos hicimos al final de la mañana, pero todavía no me la han mandado... y estos últimos días he estado debatiéndome entre escribir o no escribir la entrada, visto que llega con casi un mes de retraso y quizá ya pueda considerarse agua pasada. Sin embargo, al final he decidido que es mejor escribirla, porque sí que tengo algunas fotos, y no tienen ningún desperdicio: sólo por enseñarlas y reconocer el mérito de sus autores merece la pena escribir estas líneas.

No recuerdo si en algún momento me puse a contar cuántos estábamos al final allí, pero creo que fuimos alrededor de 10 personas. Estuvo Gizmo con su familia, que hizo de guía turístico contando todas las batallitas que yo no me sabía (es decir, él fue quien habló durante casi todo el tiempo, porque la verdad es que yo en cuanto a historia de la aviación estoy un poco pez... ¡gracias, Gizmo!). Estuvo Carlos con su cámara de fotos, sacando estas impresionantes imágenes (no las he puesto todas, aquí podéis ver las que faltan). Estuvieron Gabriel y su pandilla, y mi amigo Sergio, y no sé si me olvido de alguien, porque la mañana fue intensa y mi memoria no es ninguna maravilla. A todos, gracias por venir.

Ya en el Museo del Aire tuvimos un par de debates interesantes intentando averiguar para qué servían algunas de las cosas que nos llamaron la atención en los aviones históricos: el molinillo de un avión cuyo nombre no recuerdo, que quizá fuera para medir la velocidad del aire o funcionara como dinamo; o las barras de madera en las alas del Fokker Dr.I, que puede que sirvieran para evitar que se dañaran al chocar con el suelo o para que los operarios agarraran el avión para dirigirlo, como dijo Gizmo.

El paseo por el Museo del Aire fue muy agradable, aunque al final se nos echó el tiempo encima porque también queríamos ir a la exhibición de la FIO, así que nos quedamos sin ver algunas cosas. Por suerte llegamos a tiempo de ver volar todos los aviones, porque mereció la pena.

Ya digo que yo no sé mucho de aviones históricos, así que no supe identificar casi ninguno de los que volaron, pero eran todos preciosos. Quizá el que más me gustó fue el bimotor con la librea de Spantax. Me quedé con ganas de ver volar al Saeta, que es el único reactor de la Fundación, por lo que tengo entendido, y al que sí que sé reconocer porque había uno en el hangar de la Escuela el año que yo entré (al año siguiente lo cambiaron por un F-5), pero no tuve suerte. Sin embargo, aquellos cuatro aviones volando en formación, el sonido de los motores y las acrobacias como colofón suplieron con creces esa carencia.

Después de la exhibición sólo nos quedamos allí Carlos, Gizmo, Luisfe y yo. Comimos en el aeropuerto (Carlos me dijo que Cuatro Vientos se puede considerar aeropuerto porque tiene aduana), y pasamos un rato muy entretenido hablando de chorlitadas varias. Nos colamos en el taller donde restauran los aviones de la FIO y estuvimos charlando con los voluntarios que trabajan allí, entre los que descubrimos a un chorlito más (Javi) que alguna vez se ha pasado por aquí.

Y así terminó el día. El tiempo fue fabuloso, la compañía mejor y las conversaciones apasionantes, así que sólo queda decir que lo repetiremos en cuanto se pueda para que los que se lo perdieron tengan ocasión de disfrutarlo.

Para terminar os pongo la foto que sacó Marcos de la Stearman y otros tres aviones (no me preguntéis cuáles) volando en formación. Una pena que no pudiéramos encontrarnos con Marcos y su hija, me hubiera gustado conocerles en persona.

Así que, ya sabéis: ¡queda pendiente una segunda convocatoria chorlítica!

CAPA LÍMITE

2008-03-07T00:37:00.016+01:00

Hoy vamos a hablar de la capa límite, un concepto que es importantísimo para entender cómo se comporta el aire cuando es atravesado por un cuerpo, y que es la base de las fuerzas que actúan sobre él, sin las cuales el vuelo de aves, aviones y similares sería imposible. Aunque seguro que muchos de vosotros tenéis ya una idea de lo que estamos hablando, dado que es algo que se suele mencionar cuando se habla de aviones y de aerodinámica (algo que yo mismo he hecho en numerosas ocasiones), nunca está de más definir las cosas como es debido.

En realidad, la capa límite es un invento humano, una forma de facilitar las cosas para que sus limitadas capacidades matemáticas no se vean sobrepasadas por las complicadas ecuaciones que gobiernan el movimiento de un fluido. Estas ecuaciones se conocen como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan difíciles de resolver que los humanos sólo saben hacerlo en determinados casos muy simplificados (tengo por norma no poner ecuaciones en mis explicaciones, pero en esta ocasión haré una excepción para que alucinéis un poco con los berenjenales en los que se meten).

Supongamos un cuerpo que viaja a través de un fluido a una velocidad V. Si imaginamos que viajamos con el cuerpo, éste estará quieto desde nuestro punto de vista y el aire se moverá a su alrededor. Lejos del cuerpo el fluido no se entera de la presencia de éste, por lo que se moverá a la velocidad V como si nada. Y, en cambio, el fluido que está en contacto inmediato con el cuerpo se queda pegado a él (debido a efectos de viscosidad), por lo que su velocidad respecto al mismo será nula. Los humanos lo tienen bastante claro hasta ahí. Pero, ¿qué pasa en la zona intermedia?

En dicha zona se produce una transición gradual entre ambos comportamientos, y el aire pasa de tener velocidad nula a tener velocidad V. La capa límite se suele definir como la zona en la que el flujo de aire tiene una velocidad de entre el 0 y el 99% de V. Así, fuera de la capa límite, se puede considerar que la viscosidad es despreciable, con lo cual las ecuaciones de Navier-Stokes toman una forma bastante menos intimidante. Y dentro de ella, aunque el efecto de la viscosidad es dominante y no se puede despreciar, se pueden hacer otras simplificaciones que también facilitan mucho las cosas. Fue Prandtl el que tuvo la genial idea de dividir las cosas de esta manera, y el que habló de la capa límite por primera vez en la historia. Como imaginaréis, hay un gran número de humanos que estudian mecánica de fluidos que le están muy agradecidos (sin embargo, por algún motivo, Navier y Stokes no despiertan tantas simpatías).

El grosor de la capa límite depende, por tanto, del perfil de velocidades de la zona de transición, y comparada con el tamaño de un avión suele ser bastante fina. Sin embargo, no todas las capas límites son iguales.

Ya hemos hablado alguna vez de las diferencias entre flujo laminar y flujo turbulento. El flujo laminar es bonito, sencillo y simple de entender; el fluido se comporta de forma ordenada, moviéndose suavemente y siguiendo los contornos de las cosas. El flujo turbulento, por el contrario, es un infierno caótico que nadie entiende demasiado bien, donde las propiedades pasan de unas zonas a otras del fluido en cualquier dirección, sin orden aparente. De hecho, el Clay Mathematics Institute ofrece una recompensa de un millón de dólares al primero que sea capaz de explicar el fenómeno de la turbulencia… o, lo que es lo mismo, a aquél que sea capaz de resolver las ecuaciones de Navier-Stokes en tres dimensiones y globalmente, sin hacer simplificaciones. Aquí el problema, por si alguno se anima.

Pues bien, existen dos tipos de capa límite: la capa límite laminar y la capa límite turbulenta. La segunda es ligeramente más gruesa que la primera, y como el fluido se mueve en todas direcciones, disipa mayor energía, por lo que la fuerza de fricción derivada de ella es mayor. Así que, en principio, a un avión le interesa que su capa límite sea siempre laminar. Sin embargo, el que una capa límite sea laminar o turbulenta depende del tamaño del avión. Cualquier avión convencional tiene un tamaño que obliga a que la capa límite sea turbulenta, y, en realidad, los únicos aviones que son lo suficientemente pequeños como para volar en condiciones de flujo laminar son los de aeromodelismo.

Sin embargo, una capa límite turbulenta tiene una ventaja muy importante frente a una capa límite laminar. El flujo laminar va perdiendo velocidad a lo largo de la capa límite, hasta que finalmente se para o incluso retrocede, provocando que la capa límite se desprenda y el flujo ya no siga la forma de la superficie. Este efecto es especialmente perjudicial en el ala de un avión, ya que la sustentación depende de que el flujo siga la forma del perfil del ala. El desprendimiento de la capa límite de las alas es lo que ocurre cuando se dice que el avión «entra en pérdida», es decir, deja de sustentar y cae como una piedra, y si el piloto no es capaz de hacer que la capa límite vuelva a adherirse al ala, el avión se estrellará (algo que seguramente no le hará ninguna gracia al piloto).

Una capa límite turbulenta, en cambio, hace que parte de la energía cinética de la zona exterior (ya sabéis, la que es aproximadamente el 99% de V) se transmita al interior, estimulando el avance de las zonas de menor velocidad, por lo que el desprendimiento tarda mucho más en ocurrir, y el avión es mucho menos propenso a entrar en pérdida. Además, cuando la capa límite se desprende, la sección efectiva del objeto aumenta mucho porque el fluido no sigue su forma, de modo que la resistencia también es mucho mayor. Cuanto menor sea el desprendimiento, menor será dicha sección efectiva, y por tanto menor será la resistencia (el aire tendrá que desviarse menos para rodear el obstáculo). Así que se da la paradoja de que, con una capa límite turbulenta, muchas veces se consigue reducir bastante la resistencia aerodinámica al retrasar el desprendimiento, a pesar de que en principio parece que no debería ser así. Es debido a esto que las pelotas de golf tienen agujeros y las de tenis son peludas.

Los aviones también están llenos de inventos para que la capa límite sea de la forma más conveniente en cada zona. Quizá lo que más llame la atención a la vista sean los generadores de torbellinos, esa especie de pequeños salientes que tienen en algunos sitios de las alas o el fuselaje, y que producen un pequeño torbellino que energiza la capa límite para evitar el desprendimiento.

En los motores bajo las alas suele haber unos generadores de torbellinos más grandes, para hacer que el aire, tras recorrer el carenado del motor, llegue al ala con la energía suficiente como para que alcance el borde de salida de la misma sin desprenderse.

Sin embargo, también interesa que parte de la capa límite sobre el ala sea laminar, para disminuir la resistencia, siempre y cuando no exista riesgo de desprendimiento. Por eso, si os fijáis, la mayoría de los aviones comerciales llevan los bordes de ataque de las alas, la cola e incluso los motores sin pintar. El metal pulido es mucho menos rugoso que la pintura, y ayuda a que la capa límite sea laminar. Otros métodos para conseguir el mismo objetivo se basan en manipular la velocidad de la zona interior de la capa límite, succionando el aire más lento o inyectando aire a mayor velocidad, aunque son sistemas difíciles de construir en la mayoría de los casos, y se utilizan poco. Algunos dispositivos hipersustentadores (flaps y slats) ponen en contacto las capas límite del intradós y el extradós mediante ranuras, persiguiendo un objetivo parecido.

En cualquier caso, lo crucial en lo que se refiere a la capa límite del ala de un avión es situar la transición de laminar a turbulenta en el punto óptimo, de forma que se pueda prolongar la capa límite laminar todo lo posible, transformándola en turbulenta en el momento en que tenga tendencia a desprenderse. Así se consigue una resistencia aerodinámica mínima y buen comportamiento en velocidades próximas a la velocidad de pérdida.

A pesar de que, a estas alturas, los humanos sigan sin comprender muy bien cómo funciona eso de la turbulencia.

LA REGLA DEL ÁREA

2008-02-24T21:00:00.015+01:00

¿Os habéis preguntado alguna vez, chorlitos, por qué los aviones llevan esa especie de cápsulas raras en el borde de salida de las alas? ¿O por qué muchos cazas tienen un fuselaje con forma de botella de Coca-Cola? ¿O a cuento de qué viene la «joroba» del Boeing 747?

Todas estas aparentes extravagancias obedecen a una misma causa, que se resume en un famoso dicho humano: «el tiempo es oro». O, lo que es lo mismo, los humanos son unos cagaprisas a los que únicamente les interesa el dinero, por lo que los aviones deben volar lo más rápidamente posible con un gasto mínimo. Y para ello, como ya hemos comentado alguna vez, es necesario reducir la resistencia aerodinámica.

La resistencia aerodinámica es la suma de varias contribuciones debidas a distintas causas. Una de ellas, la resistencia de onda, aparece debido a la formación de ondas de choque en régimen transónico y supersónico; es decir, sólo se da a velocidades altas (que son las que les interesan a los humanos, claro). Y es dominante frente a las otras, por lo que reducirla implica mejorar considerablemente las actuaciones del avión. De hecho, esta componente de la resistencia fue durante mucho tiempo la causante de que los humanos no pudieran superar la llamada «barrera del sonido».

Pues bien, hacia los años cincuenta este problema era uno de los más acuciantes en la ingeniería aeronáutica del momento (por las razones explicadas arriba, o sea, que los humanos son unos cagaprisas). Y fue un tal Whitcomb, un ingeniero de la NACA, quien dio con la solución. Que resultó ser una solución muy sencilla de aplicar y bastante curiosa, a decir verdad, y que actualmente se conoce como regla del área.

Imaginad que cogéis un avión y lo cortáis en rodajas muy finas, como si fuera un salchichón. Dichas rodajas tendrán áreas diferentes dependiendo de la zona del avión a la que pertenezcan: tendrán mayor área en la zona de las alas, por ejemplo, y menor área en el morro. Whitcomb llegó a la conclusión de que una variación suave de las áreas de las rodajas, o secciones, a lo largo del avión, reduciría apreciablemente la resistencia de onda, independientemente de la forma que tuvieran. De hecho, hay distribuciones de áreas para las cuales la resistencia de onda es mínima: el cuerpo de Sears-Haack y la ojiva de von-Kármán (la última considera únicamente el cono de proa, mientras que la primera se aplica al avión completo).

La regla del área se utiliza en casi todos los aviones que vuelan un poco rápido (a partir de Mach 0,7), aunque en algunos casos es mucho más evidente que en otros. La forma de botella de Coca-Cola (o de Marilyn Monroe, como les gusta llamarla a algunos humanos), se utiliza sobre todo en los cazas. Si el fuselaje es perfectamente cilíndrico, el área de la sección transversal del avión aumenta bruscamente en la zona de las alas. En cambio, si se estrecha el fuselaje gradualmente según van ensanchándose las alas, el área total de la sección resultante cambia muy suavemente y la resistencia de onda disminuye considerablemente.

Esta estrategia fue adoptada también en el caso del Boeing 747. En un principio (en el Boeing 747-100), la «joroba» se diseñó sólo con la idea de que la cabina de los pilotos se encontrara por encima de la cubierta de carga, para poder cargar y descargar por el morro del avión (y para que los pilotos no fueran arrollados por la carga en caso de accidente, aunque esto es secundario), y se hizo lo más pequeña posible para intentar disminuir la resistencia al mínimo. Sin embargo, resultó que si la joroba se prolongaba hasta el nacimiento de las alas, con el objetivo de cumplir la regla del área (suavizando el efecto del aumento de sección debido a las mismas), se conseguían resultados mucho mejores. A los humanos les costó asimilar el hecho de que aumentando el volumen de la joroba disminuyera la resistencia, pero finalmente lo hicieron… A veces la aerodinámica es caprichosa.

Y, entonces, os preguntaréis, ¿por qué el resto de los aviones comerciales tienen el fuselaje cilíndrico? ¿Es que no cumplen la regla del área?

Pues sí que la cumplen, aunque de forma mucho más sutil. Por supuesto, desde el punto de vista de un humano, hacer tanta curva y tanta historia en el fuselaje supone no poder llenarlo eficientemente, y además tener que pagar un extra por complejidad de fabricación… y, como ya sabréis a estas alturas, eso es algo del todo inaceptable para la mentalidad humana. Así que se buscaron la forma de cumplir la regla del área aun haciendo un fuselaje cilíndrico que admitiera enlatar al mayor número posible de pasajeros.

Si os fijáis detenidamente en la fisonomía de un avión de pasajeros típico, puede que haya ciertos detalles que os llamen la atención, especialmente en las alas. Los motores, por ejemplo (en el caso de que el avión los lleve en las alas), suelen estar bastante adelantados con respecto al punto de anclaje, en lugar de colgar directamente bajo el ala, que estructuralmente sería lo más sencillo. Esto hace que la sección transversal del avión varíe de forma más gradual en la zona del borde de ataque, además de disminuir la resistencia debida a la interferencia entre las alas y las góndolas de los motores.

De forma similar, en el borde de salida se sitúan los FTF (Flap Track Fairings), que ayudan a cumplir la regla del área y, además, sirven para alojar todos los mecanismos que los flaps necesitan para moverse. Los FTF fueron desarrollados a partir de los cuerpos antichoque propuestos por Whitcomb para el Convair CV 990. En Europa, un tal Küchemann llegó a una solución similar, aunque con un nombre mucho más divertido: la «zanahoria de Küchemann», que fue aplicada con bastante éxito en aviones como el Handley-Page Victor.

Como veis, tratándose de aerodinámica (y, en particular, de aerodinámica a velocidades muy altas), hay ocasiones en las que la intuición (y, en particular, la intuición humana), no es demasiado fiable.

Más información sobre la regla del área aquí.

CONVOCATORIA CHORLÍTICA (02/03/2008)

2008-02-06T23:29:00.000+01:00

Bueno, chorlitos, no sé si os habréis fijado en que hace poco se cumplió un año desde que Juan de la Cuerva apareció en Internet por primera vez (aunque ya llevaba tres años revoloteando por la Escuela). Para celebrarlo, hemos pensado en dejar las fotos y las pantallas, por una vez, e invitar a todos los que quieran venir a acompañarnos en una jornada aeronáutica a Cuatro Vientos, para ver aviones en directo. Después de todo, no se puede enseñar Aeronáutica en condiciones sin un poco de contacto con la realidad, ¿verdad? Yo me ofrezco a contestar a todas las preguntas que pueda y sepa contestar, probablemente con la ayuda de Giz, de Sanglass Patrol, que es toda una autoridad en aviones antiguos, y que amablemente se ha ofrecido a hacer de guía junto conmigo (y si hay algún otro aerofláutico por ahí que quiera ayudar, será bienvenido, por supuesto).

Para los que no lo sepáis, hay unas cuantas cosas interesantes que ver en Cuatro Vientos. Está el Museo del Aire, en el que hay aviones de todas las épocas, todos los tamaños y todos los colores. Podremos hacer un recorrido por la historia de la aviación y ver autogiros, veleros, cazas, y aviones famosos que marcaron hitos, entre otras cosas. Es un lugar fantástico.

Y luego está la Fundación Infante de Orleans, que el primer domingo de cada mes hace una exhibición aérea con aviones de época, en la que yo personalmente nunca he estado, y que tengo ganas de ir a ver desde que llegué a Madrid.

Así que el plan es el siguiente:

DOMINGO 2 DE MARZO

10:00-12:30 -- Visita guiada al Museo del Aire
13:00-14:00 -- Exhibición aérea en la FIO

El Museo del Aire es gratis, y para ver la exhibición de la FIO hay que pagar 5 euros. El Museo no está muy lejos de donde hacen la exhibición aérea, así que yo creo que nos dará tiempo a hacer las dos cosas. Aunque si llega la hora de ir a la exhibición y os apetece quedaros en el Museo, no hay problema. Es algo que podremos decidir sobre la marcha.

Espero que la idea os parezca bien, y que podamos pasar una mañana disfrutando de los aviones y de nuestra condición de chorlitos aerotrastornados. Si estáis de acuerdo, quedamos el domingo 2 a las 10:00 en la puerta del Museo del Aire.

Ver mapa más grande

¿Qué decís? ¿Os apuntáis?

ESOS KILITOS DE MÁS...

2008-02-04T11:09:00.000+01:00

Ahora que las Navidades han pasado y los humanos comienzan a obsesionarse con adelgazar (nunca comprenderé lo de que se atiborren con la comida y luego se sientan culpables por ello), se me ha ocurrido que podría ser buena idea hablar del peso y de los aviones. La obsesión por el peso, una de esas extrañas idiosincrasias de la raza humana, también se da en el mundo de la aeronáutica, aunque derivada de otra de las grandes pasiones humanas: el dinero. Porque, cuanto más ligero sea un avión, menos combustible necesita para llegar a los sitios, y por tanto el vuelo sale más barato (y las compañías aéreas pueden sacar más tajada, que es de lo que se trata, claro). Se podría decir que los aviones están a régimen permanentemente.

Y siendo así, y siendo los humanos como son, las estrategias para ahorrar peso que se adoptan en un avión son muchas y muy diferentes. De hecho, el diseño de todo el avión y de cualquier elemento que vaya a volar en él (sin contar a los propios humanos, claro) está hecho con el ahorro de peso en mente.

Pongamos por caso, por ejemplo, los componentes básicos del avión: la estructura. Aunque los humanos sean muy intrépidos (o inconscientes) para cosas como subirse a un coche, cuando llega el momento de subirse a un avión se vuelven bastante cobardes (está claro que, hagan lo que hagan, al final son animales de tierra). Así que los aviones no sólo tienen que ser ligeros, sino muy, muy resistentes; cuanto más mejor. Pero, por desgracia, no existen muchas cosas que cumplan esos requisitos. La tela y la madera que se utilizaban en los primeros tiempos conseguían que los aviones pesaran bastante poco, pero no eran lo bastante robustos. Y una estructura metálica, incluso de aluminio, resultaba demasiado pesada, porque se necesitaba un revestimiento de cierto espesor para que no se doblara con las fuerzas a las que un avión está sometido.

Y en esto que llegó uno de esos humanos inspirados con el concepto de la estructura semimonocasco. Hoy en día los aviones mantienen su forma con la ayuda de elementos rigidizadores: marcos, cuadernas y costillas en sentido transversal, largueros y larguerillos en sentido longitudinal. Casi todas las partes de un avión están construidas así: el fuselaje, las alas, la cola... como sostenidas por un esqueleto recubierto por un revestimiento de sólo unos pocos milímetros de espesor, que hace las veces de piel (otro ejemplo de la tremenda originalidad de esta raza, que nunca, pero nunca copia ideas de la naturaleza). Este tipo de estructura proporciona gran resistencia y es muy ligera, de modo que finalmente los humanos pudieron fabricar sus aviones con aleaciones de aluminio sin que el peso se les fuera por las nubes (aunque la verdad es que cualquier otro metal quedaba descartado por exceso de peso, de precio o por falta de resistencia).

Pero, por supuesto, en lo referente a materiales no estaba todo dicho, ni de lejos. Primero en la aviación militar (cómo no) y más tarde en los aviones comerciales, comenzaron a aparecer los llamados materiales compuestos, que vienen a ser como una vuelta a la madera de los viejos tiempos (la madera es un material compuesto natural), pero con fibra de carbono y resina epoxy en lugar de fibras de celulosa y lignina. Actualmente los grandes fabricantes de aviones comerciales hacen carreras contra sus competidores para ver cuál es el que consigue meter en sus aviones un mayor porcentaje de materiales compuestos. Para que os hagáis una idea, la densidad del aluminio es de 2,7 gramos por centímetro cúbico, y la de un material compuesto típico, de fibra de carbono, es sólo de 1,3. Y a pesar de ello tienen una resistencia a veces incluso superior a la del propio aluminio... aunque, por supuesto, no son la panacea, y trabajan muy mal en algunas condiciones (con humedad, por ejemplo). De modo que no se pueden poner a la ligera. Muchas veces hay que adoptar una «solución de compromiso» (ésta es la expresión favorita de los ingenieros humanos) y elegir la opción menos mala. Pero parece que no falta tanto para que los aviones sean casi en su totalidad de material compuesto; no hay más que echarles un ojo al B-787 y al A350.

El fly-by-wire también supone un gran ahorro, como ya hemos comentado: un cable pesa bastante menos que un conducto hidráulico. Pero hasta los cables pesan, y, de hecho, el propio sistema eléctrico del avión tiene ciertas peculiaridades. Por lo general, en tierra, los humanos utilizan cables de cobre para llevar electricidad de unos lugares a otros. El cobre es uno de los mejores conductores eléctricos que se conocen. Pero pesa demasiado (tiene una densidad de 9 gr/cm³), así que en los aviones los cables no son de cobre, sino de… ¿lo adivináis? ¡Aluminio! El aluminio también es buen conductor, aunque no tanto como el cobre. Para transmitir el mismo flujo de corriente debe ser aproximadamente un 50% más grueso. Pero, aun haciendo cables más gordos, siguen siendo más ligeros que los de cobre, así que los humanos ni se lo piensan.

Otra diferencia con el resto de las redes eléctricas que se utilizan en tierra está en la propia corriente con la que funcionan. En tierra, a las casas, llega corriente trifásica a 50/60 Hz de frecuencia. Pero los generadores y trasformadores que se necesitan con esa frecuencia son grandes y pesados, inaceptables a bordo de un avión. De modo que los aviones llevan corriente trifásica a 400 Hz, que hace que los sistemas sean más pequeños y ligeros, aunque son más propensos a sufrir caídas de tensión. Otra «solución de compromiso» de esas que tanto les gustan a los humanos.

Y otra de las estrategias que han ideado para ahorrar peso tiene que ver con la forma de operar del avión. La normativa obliga a que todos los vuelos transporten una cierta cantidad de combustible a modo de reserva, por si ocurriera algún incidente que obligara al avión a estar en el aire más tiempo del previsto. Pero los humanos tienen un dicho (que, la verdad, dice mucho sobre su auténtica naturaleza): «hecha la ley, hecha la trampa». Tener que transportar una cantidad de combustible que probablemente no se va a usar, y que no es nada desdeñable (aproximadamente un 5% del peso de aterrizaje, que en un avión comercial mediano como el A320 puede llegar a suponer más de 3000 kg), es un engorro. Es mucho mejor dedicar esos 3000 kg a llevar cosas que den dinerito, como por ejemplo turistas. Así que por eso se sacaron de la manga los vuelos «con redespacho». Algunas compañías aéreas (no todas; principalmente las compañías de vuelos chárter) planifican el vuelo con las reservas para llegar a un cierto aeropuerto, pero en realidad van a otro que está más lejos gastando todo el combustible. Y si pasara algo por el camino… pues bueno, siempre se está a tiempo de parar en el aeropuerto intermedio para el que se calcularon las reservas en un principio. Brillante (ejem).

Otro componente del avión que los humanos han querido atacar con sus planes de adelgazamiento ha sido el tren de aterrizaje. A pesar de ser relativamente pequeño, sólo el tren pesa aproximadamente lo mismo que la mitad del ala. Está hecho con acero de alta resistencia, que es muy pesado, para poder soportar el impacto contra el suelo en el aterrizaje; es una de las partes que más sufren del avión… y no es necesario para volar (que se lo digan a los vencejos, que ya tuvieron la misma idea mucho antes que los humanos). Quitarlo de enmedio supondría ahorrar más o menos el 5% del peso total. Así que han probado de todo: carros, patines, colchones de aire… aunque, por el momento, sin éxito.

Con lo que sí se consigue ahorrar peso, y seguro que muchos os sorprenderéis al saberlo, es con la limpieza. A lo largo de su vida el avión va acumulando suciedad en zonas inaccesibles. Capas y capas de roña, de forma que pasado el tiempo deja de pesar lo que decía el fabricante que pesaba (cabe mucha roña dentro de un avión). Así que, de vez en cuando, cual humano a régimen, dicho avión debe pasar por la báscula para controlar su peso. Y sólo tras uno de esos mantenimientos profundos (overhauls), en los que el avión se desmonta pieza a pieza y luego se vuelve a montar, puede recuperar hasta cierto punto el peso de cuando era joven.

Lo que ya no es seguro es que quepa en una talla 38…

FLY-BY-WIRE

2007-12-20T03:14:00.000+01:00

A estas alturas, chorlitos, probablemente me hayáis visto mencionar el fly-by-wire más de una vez. Puede que hasta os hayáis preguntado si estaba hablando de un grupo musical, un nuevo modelo de avión, o un deporte de riesgo de esos que les gustan a los humanos (la primera vez que yo lo vi me pareció un palabrejo muy raro). Pero, como quizá hayáis comprobado, es un término que se usa mucho en aeronáutica, puesto que supuso un avance tecnológico bastante importante en su día, allá por los años 50, cuando se utilizó por primera vez en el Avro Vulcan. Aunque, como suele ocurrir con este tipo de cosas, hasta los años 80 no se introdujo en la aviación comercial (quitando el Concorde, que es un caso aparte). Primero en los aviones de Airbus, y más tarde en el Boeing 777 (tradicionalmente los de Boeing siempre han sido más reacios a introducir innovaciones tecnológicas, aunque parece que esa tendencia está cambiando).

Pero vayamos al grano: ¿qué es el fly-by-wire? Literalmente, “volar por cable”; una expresión que en realidad no se aleja mucho del significado aeronáutico. Es un sistema electrónico de control de vuelo.

Los controles de vuelo (como casi todo) han evolucionado mucho desde los primeros aviones que se construyeron. Al principio, el piloto tiraba de una palanca que tiraba de un cable que tiraba de la superficie de control (los alerones, el timón de cola, etc). Luego los aviones se fueron haciendo más grandes y más robustos… al contrario que los humanos, claro, que ni crecieron ni se hicieron más fuertes (menos mal), y que en consecuencia ya no podían mover los controles sin ayuda. Así que tuvieron que poner un sistema hidráulico entre los mandos y las superficies de control que hiciera el trabajo por ellos.

Sin embargo, tanto el sistema mecánico como el hidráulico tienen importantes desventajas. Suponen llenar el avión de pesados y complejos entramados de cables, poleas, palancas y/o circuitos hidráulicos, muchas veces por duplicado por cuestiones de fiabilidad. Y, además, no ayudan al piloto a compensar las inestabilidades en vuelo causadas por las variaciones en las condiciones aerodinámicas (más adelante explicaré lo que he querido decir con esto, no os preocupéis), pudiendo ocasionar, por ejemplo, que el avión oscile en su trayectoria o que entre en pérdida (algo que no suele gustar a los humanos que van dentro).

Los humanos inventaron el fly-by-wire para lograr superar su debilidad y su patente falta de reflejos. Sustituyendo los sistemas mecánicos e hidráulicos por cables eléctricos consiguieron ahorrar una fracción de peso considerable (ya sabéis que los aviones están permanentemente a dieta), además de hacer las conexiones más fiables. Y, sobre todo, consiguieron hacer que hasta cosas como el F-117 volaran sin (demasiados) problemas.

Un avión bien diseñado debería tender siempre a volar de forma estable. Esto quiere decir que, en caso de que hubiera alguna variación momentánea en las condiciones de vuelo (una maniobra del piloto, una ráfaga de viento, turbulencias, etc.), el avión debería recuperar de nuevo el equilibrio una vez que dicha variación desapareciera. Sin embargo, hay aviones que, por circunstancias particulares, tienen formas que hacen que sean inherentemente inestables: el F-117 del que hablábamos antes, o los aviones de ala invertida como el X-29, los delta-canard como el Eurofighter, los de diedro negativo como el Harrier… Muchas veces, el diseño incluso persigue la inestabilidad como objetivo, en lugar de sufrirla como efecto secundario. Un avión inestable tiene facilidad para salir del equilibrio de una condición de vuelo determinada y adoptar otra con mucha rapidez (por ejemplo, salir de una condición de vuelo rectilíneo horizontal para entrar en un viraje pronunciado). En resumen, la inestabilidad lo hace altamente maniobrable.

Pero, claro, esto también implica que se mantendrá con dificultad en una determinada condición de vuelo, y que necesitará continuamente pequeñas correcciones por parte del piloto para no salirse de ella. El piloto tiene que ser muy hábil y rápido, y conocer muy bien la forma de responder de cada avión, para conseguir mantener un vuelo controlado. Y, muchas veces, el avión es básicamente una cabra loca imposible de controlar por ningún humano, ni aunque dicho humano tuviera los reflejos de un pájaro.

El fly-by-wire es la solución al problema de la inestabilidad. Traduce la acción del piloto sobre el mando, convirtiéndola en una señal eléctrica, que a su vez es traducida de nuevo cuando llega a los servos que mueven las superficies de control. Y lo bueno que tienen las señales eléctricas es que los ordenadores las entienden. Normalmente el fly-by-wire forma parte de un sistema de control computerizado. El avión dispone de sensores que le dicen en todo momento cuál es su condición de vuelo y cómo se comporta el aire a su alrededor, de manera que el ordenador de a bordo, al recibir la señal del piloto, puede calcular y efectuar sobre la marcha las correcciones necesarias para que el avión haga exactamente lo que el piloto le está pidiendo.

Por ejemplo, si un piloto quiere descender con una inclinación de diez grados y mueve el timón de profundidad en consecuencia, pero el aire ya llega al avión con un ángulo de, pongamos, tres grados; la inclinación real que los controles están viendo es de trece grados, y el comportamiento será distinto del que habría si el aire sólo tuviera componente horizontal. Sin el sistema de control electrónico el piloto se vería obligado a corregir sobre la marcha y a ojo, mirando los instrumentos de cabina, y adoptar la actitud de vuelo correcta sería algo que dependería únicamente de su pericia (ejem).

Con el fly-by-wire, si el piloto mueve el timón de profundidad para inclinarse diez grados, el ordenador calculará cuál es la deflexión real que tiene que dar a dicho timón para que el avión haga exactamente eso. Dicha deflexión dependerá de las condiciones del aire alrededor del avión, pero pase lo que pase la trayectoria será la que quiera el piloto.

Y esto es algo de lo que hasta un mastodóntico y estabilísimo avión comercial puede beneficiarse, claro...

…siempre y cuando no metan Windows^® en el ordenador de a bordo.

RUMBO A MARTE

2007-11-30T13:20:00.000+01:00

Quienes estén un poco familiarizados con la cultura humana sabrán que Marte siempre ha ejercido una especial fascinación sobre ellos. Tanto como para imaginar las cosas más estrafalarias, como que el planeta está habitado por hombrecillos verdes cuya mayor ambición en la vida es destruir a los humanos (una pena que sólo sea una fantasía), o que alguna raza largamente olvidada se dedicaba a construir enormes caras humanas sobre el suelo para que pudieran ser vistas desde la Tierra (porque, por supuesto, los humanos siempre son el único interés y centro de atención de las razas largamente olvidadas, los visitantes de otros mundos y entidades similares).

Hace tiempo que los humanos han dejado de imaginar hombrecillos verdes trotando por las llanuras marcianas. Lo que se imaginan ahora son humanos trotando por las llanuras marcianas. Y es que por fin están empezando a asumir que lo que le han hecho a la Tierra tiene difícil solución, así que cada vez dedican más tiempo a pensar en un plan de huida para el momento en el que no se pueda vivir en ella. De modo que las fantasías concernientes a Marte de hoy día se centran en cómo conquistar y poblar el planeta.

Pero, por supuesto, esto es más fácil de decir que de hacer. De momento se conforman con mandar sondas y robots exploradores, y con intentar desarrollar un vehículo tripulado que vaya hasta Marte y luego vuelva. Sabiendo que ya hace bastante tiempo que consiguieron llegar a la luna (o eso dicen ellos), parece lógico pensar que lo de volar a Marte no debería suponerles muchas más complicaciones. Pero las apariencias engañan. Marte puede encontrarse, dependiendo del momento, a una distancia de entre 58 y 402 millones de kilómetros de la Tierra, mientras que el apogeo de la luna se encuentra «sólo» a unos 405.700 kilómetros.

Suponiendo que el viaje se hiciera en las condiciones más favorables, aún habría que invertir mucho tiempo y mucha energía para llegar hasta Marte. En el hipotético caso de un viaje tripulado de un año de duración, las opciones de propulsión que hay disponibles en estos momentos no permiten demasiado optimismo, al menos a corto plazo. Con los motores de propulsión química de toda la vida harían falta unas ¡3000 toneladas! de combustible, y 47 lanzamientos para construirlo en órbita… no demasiado factible. Un sistema mixto solar/químico mejoraría bastante estas cifras, pero no lo suficiente. La propulsión nuclear térmica podría cumplir la misión con sólo 685 toneladas de masa inicial y 23 lanzamientos, lo que hace que sea la solución más factible a corto plazo.

Aun así, un año en el espacio interplanetario es demasiado tiempo para cualquier humano (o chorlito), por dos problemas principalmente: la ausencia de gravedad y la radiación. Si bien Valery Polyakov demostró, tras una permanencia en la estación espacial MIR de 437 días, que un humano puede trabajar en el espacio y sobrevivir sin gravedad durante bastante tiempo, el tema de la radiación sigue siendo peliagudo. Todas las misiones espaciales tripuladas hasta la fecha se han realizado en el entorno cercano de la Tierra, donde la propia Tierra y su campo magnético actúan como un escudo muy eficaz frente a las distintas radiaciones perjudiciales que inundan el espacio. Un viaje a Marte supondría exponer el vehículo a niveles muy altos de radiación.

El Cohete de Magnetoplasma de Impulso Específico Variable (VASIMR), aún en desarrollo, podría proporcionar una solución tanto al problema de la radiación como al de la duración del viaje. El plasma es el cuarto estado de la materia, un gas a una temperatura tan alta que los átomos pierden su estructura, y la sustancia en cuestión se transforma en una especie de «sopa» de partículas cargadas eléctricamente a una temperatura de decenas de miles –e incluso millones– de grados, con carga total neutra. Ningún material conocido puede contener un flujo de plasma, aunque, afortunadamente, un campo magnético sí que puede hacerlo.

El VASIMR utiliza un campo eléctrico para ionizar y acelerar el combustible (hidrógeno o deuterio), convirtiéndolo en plasma, que a su vez se dirige en la dirección correcta con la ayuda de un campo magnético, proporcionando empuje. Para un viaje largo, como una misión a Marte, sería necesario equipar este sistema con un generador nuclear que proporcionara la energía necesaria para crear dichos campos. Para otras aplicaciones menos exigentes, unos paneles solares serían suficientes.

Según sus diseñadores, este motor permitiría realizar un viaje a Marte de menos de tres meses de duración. Además, el hidrógeno líquido funciona muy bien como escudo contra las radiaciones, así que los propios tanques de combustible podrían proteger a la tripulación. Otra ventaja de este motor es que, a diferencia de los de propulsante líquido convencionales, que sólo producen empuje durante cortos períodos de tiempo, el VASIMR podría proporcionar aceleración continua (tiene un consumo muy bajo), de modo que habría algo así como un sistema de gravedad artificial a bordo (aunque la aceleración sería baja: para un empuje de 100N en una nave de 800kg, produciría una «gravedad» de 0,0127 g’s). También, como su propio nombre indica, puede variar el empuje y el impulso específico producidos (a potencia constante) en función de las exigencias de la misión; una enorme ventaja frente al resto de motores cohete, ya que permite un mejor aprovechamiento de la energía.

El VX-200, un prototipo a escala real, será probado el próximo enero, y, si todo va bien, se desarrollará el VF-200, una versión de vuelo que trabajará en la ISS para ayudar a mantenerla en órbita.

Asumiendo que el VASIMR u otra cosa parecida saliera adelante, y que los humanos pudieran viajar hasta Marte, una vez allí aún tendrían otro problema grave: ¿cómo volver a la Tierra (que, por desgracia, querrán hacerlo)? Las posibilidades que se barajan son varias, pero casi todas se basan en utilizar los recursos del propio Marte para hacerlo, ya que ahorraría tener que transportar lo necesario desde la Tierra. Y, desgraciadamente, aunque la gravedad en Marte es una tercera parte de la de la Tierra, siguen necesitándose motores de gran empuje para escapar de ella. Esto reduce el campo de maniobra únicamente a motores cohete químicos o nucleares. Como posibles combustibles se plantean el CO2 (la atmósfera de Marte está compuesta en un 95,7% de este gas) y el metano (no tan abundante, pero obtenible a partir de CO2).

Como veis, los humanos llevan trabajando en el tema del viaje a Marte desde antes de poner un pie en la luna (los rusos comenzaron a planteárselo cuando vieron que los americanos iban a llegar a la luna antes que ellos). Conociéndoles lo conseguirán tarde o temprano… probablemente más tarde que temprano, porque en estas cosas la política siempre está por medio, y aunque anteriormente la guerra fría benefició bastante a la carrera espacial, hoy en día parece que la tendencia es totalmente contraria. Aunque, quién sabe, siempre puede ocurrir que Estados Unidos se pique con China (comunistas y camino de convertirse en una gran potencia… una amenaza palpable para la forma de vida estadounidense, como todos sabemos), y que se embarquen en otra guerra fría o algo parecido. Yo tendré preparadas las palomitas, por si acaso.

Agradecimientos: al profesor D. J.J. Salvá Monfort, de la ETSIA, por la información sobre las opciones del viaje tripulado a Marte y los recursos utilizables para el regreso.

ALAS (II)

2007-10-28T16:35:00.000+01:00

Hasta ahora, chorlitos, hemos hablado principalmente de formas en planta. Pero nunca debemos olvidar que un ala es un cuerpo tridimensional, y que vuela en una corriente tridimensional (a pesar de que los humanos una y otra vez se empeñan en reducir las cosas a un problema en dos dimensiones, porque dicen que así es más fácil de calcular… qué perezosos).

La primera vez que los humanos consiguieron que un avión volara lo hicieron con un biplano. Y resulta que hasta en eso nos copiaron. Recientemente (o eso dicen ellos, porque a mí tanta casualidad me parece sospechosa) se han descubierto los restos de varios de nuestros ancestros que tenían largas plumas en las patas, igual de funcionales que las de las alas, allá por los comienzos del Cretácico. El Microraptor gui, por ejemplo. El famoso Archaeopteryx tenía unas características similares, aunque las plumas de sus patas eran algo más cortas.

En realidad, si hacemos caso de la teoría de la evolución de Darwin (quien «casualmente», también era un humano), quizá el hecho de que tanto los pájaros como los humanos comenzáramos a volar con biplanos sea simplemente el progreso natural de las cosas. La sustentación que produce un ala es proporcional a su superficie, y en general, en vuelo subsónico, las alas de gran alargamiento son más eficientes, aerodinámicamente hablando, que las alas cortas y anchas. La sustentación también es proporcional a otra variable muy importante: el coeficiente de sustentación. Este último depende de la forma de los perfiles y de su ángulo de ataque.

Los primeros perfiles de los humanos, desarrollados a base de pruebas en un túneles de viento caseros, no estaban demasiado refinados, así que su coeficiente de sustentación era bastante bajo (su espesor era demasiado pequeño). En el caso de los pájaros prehistóricos probablemente entraban en juego más factores de la configuración general del ala (la distribución de cuerdas a lo largo de la envergadura, por ejemplo, o la presencia de garras en el borde de ataque).

El caso es que, por una razón u otra, ni las alas de nuestros ancestros ni las de los hermanos Wright eran muy eficientes, por lo que para conseguir la sustentación necesaria la única solución era aumentar la superficie. Y como las alas debían ser estrechas, sólo se podía aumentar la envergadura. Pero un ala no se puede hacer indefinidamente larga, porque tiene que haber una estructura que evite que pierda su forma. ¿Solución? Pues partir el ala en dos. De esta manera se consigue más sustentación neta que con un ala única de igual envergadura, y a pesar de que la influencia de un ala sobre la otra aumenta bastante la resistencia aerodinámica, el balance final es positivo, y la configuración en biplano compensa frente al ala única. A veces los humanos utilizaban hasta tres planos (en el famoso Fokker Dr. I del Barón Rojo, por ejemplo), porque reduciendo la envergadura se conseguía mayor maniobrabilidad.

Seguro que os habéis fijado en los cables cruzados que suele haber entre los dos planos del ala en los primeros biplanos de los humanos. Cuando el avión está en tierra, el peso de las alas tira de ellas hacia abajo, lo que hace que los cables que van del encastre del ala superior a la punta del ala inferior estén en tensión, y los que los cruzan no soporten cargas. En vuelo, la sustentación tira de las alas hacia arriba y el efecto es contrario, invirtiéndose los papeles de los cables. Junto con las vigas verticales entre ambos planos contribuyen a hacer que este tipo de construcción sea bastante robusta, por lo que estructuralmente tiene muchas ventajas, sobre todo en los años en los que aún no se había avanzado demasiado en el tema de las estructuras ligeras.

Sin embargo, el perfeccionamiento de los perfiles hizo posible reducir la superficie necesaria en las alas, y, cuando se consiguió reforzar la estructura lo suficiente como para que soportara las cargas de vuelo, los biplanos clásicos pasaron a mejor vida. Hoy día siguen haciéndose biplanos y triplanos, pero ya no tienen prácticamente nada que ver con los de aquella época. Ahora están diseñados para beneficiarse de la sustentación extra que proporcionan todas las superficies, minimizando los problemas de interferencia entre unas y otras al no colocarlas en la misma vertical, algo que antiguamente era casi obligatorio por cuestiones estructurales (en la imagen, un Rutan Proteus en vuelo). Al colocar las alas en tándem, la estela de la que va por delante suele afectar a la que está detrás, pero un buen diseño puede hacer que el efecto sea mínimo.

Los perfiles aerodinámicos son tan importantes para un ala como las alas lo son para un avión. La forma del perfil es determinante para el coeficiente de sustentación (ya explicamos en otra ocasión cómo influyen las distintas geometrías en él). Y, al igual que con la planta de las alas, los humanos descubrieron que la forma del perfil debía cambiar con el régimen de vuelo. En vuelo subsónico funcionan de maravilla los perfiles de borde de ataque redondeado y de cierto grosor (en contra de lo que pensaban los humanos al principio, es decir, que el grosor sólo aumentaba la resistencia), con una línea de curvatura media convexa. Al aumentar el grosor del perfil consigue retrasarse la entrada en pérdida, y además puede hacerse un ala más rígida que ya no necesita cables que la sujeten, lo que reduce la resistencia global del avión. El Fokker Dr.1 fue el primer avión diseñado siguiendo estas directrices, y supuso una revolución en el mundo de la aeronáutica.

Sin embargo, los humanos se encontraron de nuevo con graves problemas al acercarse al transónico. En un perfil de curvatura convexa (positiva), y a velocidades subsónicas de cierta magnitud, se forma una onda de choque en el extradós (la velocidad a la que esto ocurre se denomina Mach crítico) que hace que la eficiencia del perfil caiga en picado. Tras muchos experimentos se dieron cuenta de que, si le daban la vuelta al perfil, la eficiencia era mucho mejor. Por desgracia, los pilotos encontraron inaceptable la idea de que para poder volar en esas condiciones tenían que hacerlo del revés (no me explico por qué). Y como en vuelo a baja velocidad estos perfiles tenían una eficiencia muy pobre, la idea fue desechada.

Hasta que llegó Whitcomb con su perfil supercrítico, claro, que, a grosso modo, era un perfil convencional invertido con el borde de salida modificado para aumentar la sustentación y el radio del borde de ataque más grande. Este perfil no sólo tiene muy buenas características en el transónico, ya que la onda de choque se forma a velocidades más altas, más cerca del borde de salida y es más débil; sino que además proporciona alta sustentación a bajas velocidades debido al gran radio de su borde de ataque. Hoy en día prácticamente todos los reactores grandes tienen perfiles supercríticos, y gracias a ellos el vuelo a Mach 0,8 de los aviones comerciales es económicamente viable.

En régimen supersónico un perfil se encuentra con el mismo problema que un ala: se forma una onda de choque por delante de su borde de ataque. Y hay dos formas de enfrentarse a ello. Ya hablamos antes de la primera: hacer las alas en flecha, de manera que pueden volar con un perfil subsónico sin problemas. O bien, utilizar lo que se llama un perfil supersónico, y no hacer las alas en flecha. Los perfiles supersónicos tienen los bordes afilados (tanto, en algunos casos, que son necesarias protecciones cuando el avión está en tierra para que nadie se corte con ellos), y son más gruesos en el centro. Esta geometría disminuye mucho la resistencia en supersónico, pero produce muy poca sustentación a baja velocidad, por lo que es necesario aterrizar y despegar a velocidades muy elevadas (es decir, peligrosas).

El F-104 Starfighter está diseñado de esta manera, con alas cortas y sin flecha, más al estilo de los misiles que de los aviones. Las altas velocidades de aterrizaje y despegue se cobraron la vida de muchos pilotos, y los humanos, que a veces incluso tienen sentido del humor, solían decir que la forma más barata de conseguir un Starfighter era comprar un terreno y, simplemente, esperar.

Y luego hay humanos que se extrañan de que pongamos en duda su inteligencia.

Más información sobre perfiles supersónicos aquí. Y aquí podéis leer la evolución hasta el perfil supercrítico, contada por uno de los ingenieros de la NACA (actualmente la NASA) implicados en ella.

La foto de la estructura del ala de biplano es propiedad de Max Haynes.

ALAS (I)

2007-10-23T17:28:00.000+02:00

La forma de las alas es quizá el factor de mayor importancia cuando uno quiere volar (aparte del hecho, por supuesto, de que es necesario tener alas para hacerlo). Ya seáis aves marinas de esas que vuelan larguísimas distancias, planeadores natos como los buitres, o ases de la velocidad como los halcones, vuestra forma de volar va a estar siempre, sin excepción, determinada por la forma de vuestras alas. Pero antes de explicar nada, hay que introducir algunos de los parámetros que se usan para definir la forma en planta de un ala:

Según los humanos, en los pájaros se pueden observar cuatro tipos de alas (que ningún chorlito se ofenda por no estar recogido en esta clasificación; recordad que la han hecho los humanos):

El ala elíptica, como la que tenemos los córvidos y la mayoría de los pájaros adaptados a moverse por el bosque, es corta y ancha (es decir, de bajo alargamiento), redondeada y muy ranurada, lo que nos permite mucha maniobrabilidad y buena sustentación a bajas velocidades.
Las golondrinas, halcones y demás amantes de la velocidad tienen unas alas estrechas (alto alargamiento) y sin ranuras, y un perfil con poca curvatura, y suelen tener un poco de flecha. Esta configuración les permite volar muy rápido con la menor resistencia aerodinámica posible.
Las aves migratorias marinas, como el albatros, tienen unas alas de muy alto alargamiento, no ranuradas, para volar rápido y con el mínimo gasto de energía.
Y los planeadores de tierra adentro, como las rapaces y los buitres, tienen alas de alargamiento relativamente bajo y muy ranuradas, con un perfil bastante curvo, que les permite llevar cargas pesadas y gastar la mínima energía posible durante el vuelo, así como volar a baja velocidad.

También hay quien no tiene alas y se las fabrica por pura envidia (léase humanos). Y, como suele ocurrir con casi todo lo que hacen los susodichos, han terminado por crear cosas verdaderamente estrambóticas. En lo referente a formas en planta, por ejemplo, ya les queda poco por probar (aunque nunca se sabe por dónde puede salir un humano inspirado).

Comenzaron con lo más sencillo que se les pudo ocurrir: la planta rectangular. Pero este diseño presenta bastantes problemas, sobre todo cuando las velocidades comienzan a ser un poco altas, porque produce mucha resistencia. Luego se les ocurrió estrechar gradualmente las alas desde la raíz (o encastre) hasta la punta. Esta forma tiene algunas ventajas en relación con la anterior: refuerza la estructura en el encastre del ala y reduce la resistencia aerodinámica. Aunque el hecho de que la cuerda se vaya reduciendo hacia la punta hace que sea más propensa a entrar en pérdida en esa zona, lo que suele solucionarse retorciéndola, de manera que el ángulo de ataque de la punta sea mayor que el de la raíz. Pero esto, claro, también aumenta la resistencia aerodinámica.

Resulta que la resistencia tiene un mínimo para una distribución de sustentación con forma elíptica. Así que los humanos intentaron conseguir el ala perfecta con esa forma (Heinkel He-70), aunque pronto descubrieron que, con este diseño, toda el ala entraba súbitamente en pérdida y era imposible controlar el avión cuando esto sucedía. Modificando ligeramente la forma del ala consiguieron paliar este efecto (el famoso Spitfire, por ejemplo). Pero la mejora en aerodinámica no compensaba el coste que suponía fabricar una forma en planta tan compleja, ya que un ala recta con un estrechamiento de 0,4 o 0,5 produce una resistencia similar. Así que el diseño fue abandonado (como es costumbre entre los humanos cuando consideran que algo no es rentable).

Las siguientes en llegar fueron las alas en flecha, y lo hicieron cuando la velocidad de los aviones se acercó al régimen transónico. En estas condiciones comienza a aparecer otro tipo de resistencia aerodinámica: la resistencia de onda, asociada a la aparición de ondas de choque (ya hemos hablado de esto otras veces). Antes de llegar a vuelo supersónico aparecen ondas de choque locales en algunos puntos del avión, particularente en el extradós del ala, debido a que en esos puntos se alcanza la velocidad del sonido. Si el ala se coloca oblicua con respecto a la corriente, parte del aire puede desviarse siguiendo el borde de ataque, por lo que el flujo restante cruza el ala con menor velocidad. Es decir, es sólo la componente perpendicular al ala la que puede ocasionar ondas de choque. Cuanto menor sea esta componente (disminuye al aumentar la flecha), más velocidad neta necesitarán las ondas de choque para formarse, y, aunque el avión vuele a velocidades cercanas al transónico, la resistencia de onda será pequeña.

Cuando se alcanza y supera la velocidad del sonido, el punto más adelantado crea una onda de choque que afecta a todo lo que tiene detrás y tiene forma cónica. El cono será más afilado cuanto mayor sea la velocidad a la que vuela el avión. El objetivo en este caso es que las alas se mantengan siempre dentro de dicho cono, ya que en su interior la velocidad perpendicular al mismo es siempre subsónica y el comportamiento de las alas será bueno. Por tanto, cuanto mayor sea la velocidad de crucero de un avión, mayor deberá ser su flecha. Para régimen transónico debería valer entre 30 y 50 grados, dependiendo de la velocidad de crucero, y para vuelo supersónico la flecha debería ser mayor de 50 grados.

A bajas velocidades, sin embargo, el hecho de que parte del flujo se desvíe a lo largo del ala, de la raíz a la punta, es perjudicial, porque hace que las puntas entren en pérdida (pudiendo ocasionar la «danza del Sabre», como la llamaron los humanos debido a que el F-86 Sabre tenía la mala costumbre de hacer eso). Además, la resistencia es mayor que si el ala no tuviera flecha. Se han diseñado varios aviones de flecha variable para intentar adaptar la flecha a las condiciones de vuelo (por ejemplo, el F-14), pero este sistema penaliza el peso y complica la estructura del avión.

La flecha invertida (X-29, Su-47) es una solución equivalente a la anterior para altas velocidades de vuelo, por las mismas razones. Sin embargo, presenta algunas diferencias. No tiene problemas de entrada en pérdida, porque el flujo de aire recorre el ala de la punta hacia la raíz, donde el fuselaje ayuda a reducir el desprendimiento de la corriente, y además, si es un ala con estrechamiento, la superficie es mayor cerca del encastre, proporcionando más sustentación. Por el contrario, son más inestables, y un avión con este diseño depende por completo de sistemas como el fly-by-wire, aunque esta misma inestabilidad también hace que sean más maniobrables.

El ala en delta es un buen diseño para aviones supersónicos, ya que tiene un ángulo de flecha elevado y muy buen comportamiento a altas velocidades. Frente a un ala en flecha normal presenta las ventajas de ser más fácil de construir y mucho más robusta, además de disponer de mayor volumen en su interior para alojar mecanismos o combustible. La entrada en pérdida se produce para ángulos de ataque más elevados que en las alas en flecha. Sin embargo, los primeros diseños de ala en delta tenían una eficiencia aerodinámica muy pobre a bajas velocidades, por lo que los despegues y aterrizajes debían hacerse en pistas muy largas y a alta velocidad (lo que los hacía bastante peligrosillos), y presentaban problemas de estabilidad. Esto hizo que el diseño fuera casi abandonado. Fue en los años 70, con la llegada del fly-by-wire y la introducción de ligeros cambios en la geometría puramente delta, cuando se rescató el concepto. Muchos aviones modernos han conseguido retener las buenas cualidades del ala en delta y minimizar sus inconvenientes, obteniendo muy buena maniobrabilidad y altas prestaciones en un rango bastante amplio de condiciones de vuelo. Como ejemplo, un vídeo bastante espectacular del Su-27 haciendo la Cobra de Pugachev.

Otros diseños en delta incluyen el canard, además del fly-by-wire, con muy buenos resultados también, ya que ayuda a obtener la sustentación necesaria en el vuelo a baja velocidad, además de hacer el avión más maniobrable (JAS 39 Gripen, Eurofighter Typhoon).

Hasta aquí hemos tratado los tipos de ala más comunes. Los humanos han diseñado cosas realmente extravagantes, aunque muchas de ellas se basan en los principios que hemos visto, como por ejemplo el ala oblicua, que persigue el mismo objetivo que el ala en flecha:

Las alas en anillo, que para el mismo alargamiento tienen mayor eficiencia aerodinámica que un ala plana:

O los extraños diseños facetados de los aviones espías, como el F-117 (que en realidad penalizan la aerodinámica).

O, en fin, cosas más raras todavía.

Para los chorlitos que quieran ampliar información, unos enlaces: sobre el vuelo de las aves, sobre vuelo supersónico y sobre formas de alas.

CARGA ÚLTIMA

2007-10-15T20:54:00.000+02:00

TURISMO ESPACIAL

2007-10-08T13:29:00.000+02:00

El desarrollo del avión por parte de los humanos desencadenó un proceso muy curioso. A medida que el tiempo de vuelo entre dos puntos se reducía y el alcance de los aviones aumentaba, la percepción que tenían del tamaño del planeta fue cambiando. Antiguamente la Tierra era un sitio inmenso, tan grande que llegaron a pensar que era plana a pesar de ser esférica (bueno, más o menos), algo que todas las aves migratorias saben desde hace milenios. Hoy en día, con una población de unos 6.600 millones de almas, comunicación electrónica instantánea entre dos puntos por alejados que estén, y aviones comerciales que en un solo vuelo pueden cubrir prácticamente la semicircunferencia del planeta, la Tierra se les ha quedado pequeña. Y además, entran en juego los incomprensibles impulsos humanos: el afán de exclusividad, el de exotismo, el de jugarse el cuello a lo tonto («emociones fuertes», lo llaman ellos), el de probar cosas nuevas, el de ser el más mejor… y claro, la conclusión lógica de todo esto sólo podía ser una: el turismo espacial.

Y, cómo no, los fabricantes de naves espaciales se frotan las manos ante esta perspectiva. Al fin y al cabo, si uno fabrica vehículos reutilizables y lo único que su comprador (en singular) hace es poner en órbita cuatro satélites al año, uno no puede dedicarse a vivir de las rentas. Pero la cosa cambiaría si en lugar de un vehículo lanzador se vendieran setenta. O setecientos. ¿Cuánto pagaría el humano medio por darse un paseo en microgravedad y poder decirle al vecino que ha estado en el espacio? Antes los viajes espaciales eran una actividad científica. Cuando llegaron los satélites de comunicaciones se convirtieron en una actividad comercial a pequeña escala. Pero… ¿qué pasaría si se satisficiera toda esa demanda de turistas aburridos?

Según un estudio de mercado hecho por japoneses en 1993 (los humanos hacen estudios de mercado sobre casi todo), el 70% de los humanos querría viajar al espacio, y aproximadamente la mitad pagaría el sueldo de tres meses por hacerlo. Otros estudios posteriores son quizá menos generosos con sus datos, pero todos coinciden en que hay muchos humanos que pagarían el precio. De hecho, las perspectivas son tan buenas que, antes incluso de que los vuelos espaciales comerciales sean una realidad, ya han empezado a surgir las primeras agencias de viajes especializadas. Así tenemos, por ejemplo, los proyectos de EADS Astrium, Constellation Services International, Space Adventures Ltd., y el de Virgin Galactic (que parece el más cercano). Esta última empresa anuncia que sus viajes espaciales estarán disponibles por 200.000 dólares a partir del año 2009, y ya permite realizar reservas desde su página web o a través de sus agentes.

El optimismo de Virgin Galactic se debe al rotundo éxito de su nave SpaceShipOne (SS1), desarrollada por Scaled Composites, que ganó el Premio Ansari X en el año 2004. Hizo el primer vuelo espacial tripulado (un piloto y dos pasajeros) financiado íntegramente con fondos privados. Es una nave de aspecto muy sencillo, hecha casi en su totalidad de material compuesto (fibra de carbono / matriz epoxy), y con una velocidad máxima de Mach 3. Quizá su característica más llamativa es la forma que tiene de enfrentarse a la reentrada, que es la etapa del vuelo que más exige a la mayoría de las naves espaciales. Debido a que es un vuelo suborbital de reentrada lenta, un sistema de «emplumado» es suficiente para frenar la caída. La cola de la SS1 es muy grande en comparación con el resto de la aeronave, y está articulada de manera que puede adoptar una configuración que frene la caída y mantenga la estabilidad (algo parecido a lo que ocurre con una pelota de bádminton… supongo que es de ahí de donde se sacaron la idea de las plumas, porque cualquier parecido entre la SS1 y una pluma es pura coincidencia).

La SS1 también pone en práctica otra idea que puede suponer el camino para llegar a hacer viajes espaciales que cuesten menos que el producto interior bruto de un país: no despega desde el suelo. Hasta una altitud de 50.000 ft (15.240 m) vuela colgada del White Knight, del que se separa para encender su motor cohete híbrido de combustible sólido y líquido (goma y óxido nitroso) y subir en solitario hasta los 100 km, la línea de Kármán, donde se considera que comienza el vuelo espacial. Éste es el punto más alto al que llega la SS1 (lo suficiente para decir: «Pepito estuvo aquí»), y después comienza su descenso.

Actualmente Scaled Composites está trabajando en la SS2, que podrá llevar 6 pasajeros y 2 pilotos hasta una altitud de entre 160 y 320 kilómetros, aunque seguirá siendo un vehículo suborbital. Está previsto que esta segunda versión pueda funcionar a finales del 2009 para todo aquel que esté dispuesto a pagar el billete. Si la SS2 tiene éxito, proyectan lanzar en el futuro una SS3 que sí podría efectuar vuelos orbitales.

Más interesantes desde el punto de vista turístico, aunque quizá para turistas más inconscientes y con más pasta, son las misiones que anuncian Space Adventures Ltd. y Constellation Services International, basadas en la utilización de medios que ya existen y «de funcionamiento comprobado» (lanzadores rusos Soyuz). Space Adventures, por ejemplo, ofrece un paseo alrededor de la luna por el módico precio de 100 millones de dólares, una estancia en la estación espacial internacional o vuelos suborbitales, como Virgin Galactic, por 102.000 dólares (con seguro de cancelación incluído).

EADS Astrium, por su parte, presentó el pasado junio un proyecto de nave espacial suborbital que tiene el aspecto de un jet de negocios, llega al espacio por sus propios medios (hasta los 100 km de altitud), y puede transportar cuatro pasajeros, que durante tres minutos experimentarían gravedad cero. Esperan que su desarrollo pueda comenzar durante el 2008, y que pueda realizar el primer vuelo comercial en el 2012.

Teniendo en cuenta que la fiabilidad de los vuelos espaciales en la actualidad anda por el 98% (es decir, de cada 100 vuelos 2 se estrellan), y que el precio aún está fuera del alcance de la mayoría (aunque el objetivo es reducir el precio del billete a unos 10.000 dólares por barba), todavía queda mucho para que los viajes al espacio por turismo sean un fenómeno de masas, como ocurre con el transporte aéreo. Pero bueno, así fue como empezó todo con los aviones: al principio, sólo se usaban para llevar el correo.

Por supuesto, lo que no puede faltar en la industria del turismo espacial son los hoteles. Ya hay unos cuantos proyectos para poner en órbita módulos habitables y estaciones espaciales comerciales con esa idea. Un ejemplo es la CSS Skywalker de Bigelow Aerospace, hecha a base de módulos inflables. Y no queda tan lejana, ya que los de Bigelow ya han lanzado su segundo módulo de prueba al espacio, el Genesis II, que lleva en órbita baja (LEO) desde finales de junio, y planean poner en órbita el gigantesco módulo BA-330 para el 2012.

Quién sabe… puede que las Olimpiadas del año 2168 se celebren en la Luna.

Quizás incluso sean antes en la Luna que en Madrid, a este paso.

LA Wii Y OTROS SISTEMAS DE NAVEGACIÓN AÉREA

2007-09-16T21:47:00.000+02:00

Seguro que la mayoría de los chorlitos os estáis preguntando qué pinta la Wii en este blog. También supongo que la gran mayoría (por no decir todos) tenéis una ligera idea de lo que es la Wii, y probablemente haya quien incluso pueda escribir una tesis doctoral acerca del tema (y seguramente será un humano). Pero para los chorlitos que aún no hayan sido contaminados por las costumbres humanas, aclararé que estamos hablando de una videoconsola, esas máquinas con las que los susodichos intentan desahogar un poco sus marcados instintos asesinos.

Lo particular de este aparato en concreto, que lo diferencia del resto de aparatos similares, es el mando que lo controla. Nintendo, la empresa fabricante, ha presentado este sistema como un innovador avance de «última tecnología». Se trata de un mando estrecho y alargado que es capaz de detectar su posición y velocidad en el espacio tridimensional, y transmitir dichas coordenadas por control remoto a la consola. Sin duda parece un trasto llegado del futuro, ¿verdad? Pero lo cierto es que viene más bien del pasado: lleva usándose aproximadamente desde los años 50, aunque bajo el nombre de plataforma inercial; y no en videojuegos, sino en aviones, satélites y misiles.

Para poder volar, como, siendo pájaros, habréis comprobado antes o después por experiencia propia (y es probable que dolorosamente), resulta imprescindible saber dónde está uno en cada instante, con qué velocidad se mueve, si hay un objeto contundente delante como una montaña o un avión, y ese tipo de cosas. Los humanos carecen de unos sentidos tan finamente desarrollados como los nuestros, así que necesitan aparatos que los sustituyan. Y aquí es donde entran los sistemas de navegación. Y, como es lógico, las brújulas y demás artilugios que venían usándose en los barcos desde antiguo les resultaron de toda parte insuficientes. Así que se pusieron manos a la obra para crear sistemas que, una vez más, les permitieran suplir sus lamentables carencias fisiológicas.

Hoy en día, en lo referente a sistemas de navegación aérea, hay mucho donde escoger. Desde la navegación por satélite que ya se ha convertido en algo de uso cotidiano (GPS, GLONASS, Galileo), hasta los sistemas específicos para ciertas maniobras, como el ILS y el VOR, pasando por cosas tan ampliamente utilizadas como el radar. Sin embargo, todos estos sistemas (exceptuando algunos tipos de radar) necesitan de infraestructuras fuera del propio avión para funcionar. Dicho en otras palabras: no son autónomos.

La plataforma inercial que llevan los aviones, los satélites, los misiles y la Wii, sin embargo, sí que es completamente autónoma. Funciona midiendo las aceleraciones inerciales producidas por las fuerzas y movimientos a los que se encuentra sometida. Como sin duda sabréis, a partir de estas aceleraciones, con una simple integración en el tiempo, puede obtenerse la velocidad del movimiento, e igualmente a partir de ésta se conoce la posición en el espacio. Sin embargo, en toda integral definida es necesario conocer un valor de referencia de la magnitud que estamos integrando, por lo que las plataformas inerciales deben ser calibradas antes de su uso para tomar los valores iniciales del movimiento (posición, velocidad y giro).

Hay dos clases de sensores que permiten a una plataforma inercial obtener todos los datos que necesita: acelerómetros y giróscopos. Los hay de muchos tipos y basados en principios fisicos muy diferentes (mecánicos, láser, ópticos, de efecto coriolis…), pero todos miden lo mismo: en el caso de los acelerómetros, aceleraciones; y en el de los giróscopos, giros (está claro, los humanos no son demasiado originales a la hora de poner nombres). Los sistemas mecánicos se utilizaron abundantemente en el pasado (por ejemplo, en la misión Apollo), pero presentaban muchos problemas que la electrónica de los MEMS (Microelectromechanical systems) ha solucionado, como el peso, la necesidad de partes móviles o el precio; que limitaban su uso únicamente a aplicaciones en las que fueran realmente necesarios.

A día de hoy, sin embargo, se le puede dar una patada a cualquier aparato fabricado por humanos y probablemente caerán tres o cuatro acelerómetros, que han pasado a ser unos chismes minúsculos y sumamente baratos. Los hay en los airbags de los coches, en algunos reproductores de MP3’s y, por supuesto, en el mando de la Wii. Ya casi no se utilizan sensores mecánicos, aunque debo decir que los giróscopos, extrañamente, están encontrando bastante salida en las tiendas de juguetes, donde son vendidos como si fueran trompos caros (que los adultos ligeramente frikis no dudan en adquirir).

Y quién sabe qué será lo próximo que los humanos se sacarán de la manga. Sin duda es algo que tienen preparado ya desde hace un par de años y que hace que la Wii parezca una pieza de anticuario. Pero, por supuesto, hay que agotar primero el tirón de la Wii, porque si no... ¡cuánto consumismo desaprovechado!

Nota: Para los chorlitos que tengan curiosidad por ver las tripas de los aparatos que fabrican los humanos, aquí hay un fantástico análisis detallado de todos los componentes del mando de la Wii.

DEPRESIÓN POST-VACACIONAL

2007-09-11T20:01:00.000+02:00

Bueno, pues ya estamos de vuelta tras las vacaciones (¿vacaciones? ¿qué es eso?). El arranque será un poco lento, al menos hasta que acabe con los exámenes de septiembre, pero todo se andará, y ya hay un par de ideas esperando. JdlC se ha pasado todo el verano dándome la paliza para publicar artículos nuevos, y, por más que se lo intentaba explicar una y otra vez, se negaba a aceptar que hacer eso sin una conexión a internet decente es poco menos que imposible. ¡Espero que el resto de los chorlitos seáis más benévolos conmigo! ;)