Juan de la Cuerva

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?