lunes, 4 de febrero de 2008

ESOS KILITOS DE MÁS...


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.


El avión más pesado del mundo: An-225 Mriya

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.


Parte de la estructura del Boeing 747

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).


Estructura semimonocasco

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.


Parte del fuselaje del Boeing 787, con su estructura de largerillos integrados en material compuesto de fibra de carbono
Cono de cola del Boeing 787

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.


Comparación de dos cables equivalentes de cobre y aluminio
Cables de aluminio

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.


Unidad de Potencia en Tierra (GPU) abasteciendo a un avión de corriente a 400 Hz

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).


Tren delantero del Airbus A380

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.


Aterrizaje con colchón de aire

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.


Báscula para aviones con capacidad para medir hasta 27000 kg

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

20 piopíos:

Benjamin Nazka dijo...

Una historia sobre el ahorro de combustible:

En la boca del lobo.

El Otro dijo...

Que manía la de os humanos, ¡yo llevo a dieta desde mediados de Enero! pero me va bien.

Eso sí, un poco espeluznante que en los aviones se ahorre peso, ¿dónde está el límite entre el coste y la seguridad? ¿y si un fabricante no tuviera, digamos, demasiados escrúpulos? Y eso que viajo casi tanto como el mirlo...

El Otro

Anónimo dijo...

Me encanta el blog. Me da un poquito animos ante los palos que me pegan en la escuela, jjajaja.

Muy buen artículo.

Lyd dijo...

benjamin nazca: Genial, la historia de TCAS! Me encanta ese blog, es de lo mejorcito que he leído :)

el otro: Pues precisamente lo único que está por encima del ahorro de peso a la hora de diseñar un avión es la seguridad, así que en ese sentido puedes estar tranquilo. Eso sí, todo depende de que no vueles con una compañía que racanee mucho en combustible, o en mantenimiento... pero eso ya no es cosa de los diseñadores.

anónimo: Jeje, gracias! Mucho ánimo entonces! Si quieres que te diga la verdad, para mí el blog es una especie de terapia de autoayuda: me sirve para recordar de vez en cuando que la aeronáutica me gusta, porque si fuera sólo por la Escuela...

LordVader dijo...

Excelente entrada, la de cosas que se aprenden aqui....

LordVader dijo...

Por cierto, meneada.

Lynx dijo...

Muy interesante el post, la de cosas que se aprenden :D Me alegro de volver a leerte :)

er tocapelotas del Giz dijo...

posssssss discrepo en una cosa!!

La madera es ligera y además hace aviones resistentes... el mayor problema viene de ataques bioquimicos, creo que le llaman, resumiendo, insectos, humedad, hongos...

Juan dijo...

Muy interesante tu blog.

El uso de una frecuencia de 400Hz tiene que ver con el núcleo de los transformadores
a mas frecuencia menor cantidad de material ferromagnético.

Un claro ejemplo esta en las fuentes conmutadas como las que utilizan nuestros ordenadores o los alimentadores de nuestros móviles.

Estas pueden trabajar hasta uno 500Khz con los semiconductores modernos FET.

A esa frecuencia los transformadores para una determinada potencia, son muchísimo mas pequeños y por lo tanto menos pesados que para una frecuencia de red eléctrica de 50Hz en Europa o 60Hz en Estados Unidos.

Para hacernos una idea, una fuente de la potencia que utiliza un ordenador podría pesar unos 30Kg ella sola.

Con lo que es mejor tomar la tensión de red 220V se rectifica y se convierte en corriente continua unos 400V, con esta tensión se alimenta el un oscilador a 500Khz y se pasa por un pequeño transformador del cual se obtiene las tensiones necesarias, 5V 12V -12V
tensiones son rectificadas y filtradas para obtener la corriente continua deseada.

No se si en estos momentos en los aviones se usaran frecuencias mas altas aunque siempre escuche que trabajaban a 400Hz

Lyd dijo...

lordvader: Gracias! y gracias! ^^

lynx: Sí, ya empiezo a volver a ser persona, aunque aún no he terminado los exámenes... pero ya queda menos! Muchas gracias, Lynx! :D

giz: (No voy a llamarte tocapelotas, que lo sepas :P). Bueno... aceptamos pulpo. La madera no está mal, aunque las propiedades de los CFRP son mejores. Ahí está el famoso "ganso de pino" de Hughes, no? Pero no sé si la madera tiene la resistencia necesaria para un avión presurizado; suponía que no, pero ahora me haces dudar... en cualquier caso, el mayor problema que yo le veo es la alta inflamabilidad (y lo complicado del mantenimiento, claro).

juan: Muchas gracias por la aportación! Sabía que la frecuencia era distinta aquí y en Estados Unidos, pero no recordaba dónde eran los 50 Hz y dónde los 60; editaré el post. Hace ya unos añitos que aprobé circuitos eléctricos, y estoy un poco oxidada, aunque casi pondría la mano en el fuego en cuanto a que todos los aviones van a 400 Hz.

Agus. dijo...

Una vez más fenomenal. No sabía que fueran tan coquetos los aviones y que se preocuparan tanto por su peso!!!! En fin me ha encantado. Chao Lyd.

UnAngel dijo...

Como siempre, un placer leerte y aprender contigo ;-D

giz... el de Sandglass :-p dijo...

mmmmmmmmm pues ahora me haces plantearme mis dudas... alta inflamabilidad de la madera? ¡¡¡¡y la fibra de carbono queeeeeeeeee!!!! Y anda que no da quebraderos de cabeza en mantenimiento... (absorbe humedad, no tolera el más mínimo golpecito...)

Gizmo dijo...

por cierto, avisado en mi blog que actualizas ;o)

konsejero dijo...

No sabía que los aviones tuvieran tanta fuerza de voluntad...

Me gusta tu blog y tu estilo. Espero que dure y que coseche muchos éxitos.
Un cordial saludo.

Carlos dijo...

La entrada es buenísima y el enlace a TCAS una situación que se da más de lo habitual.

Sólo una aclaración, para despachar un vuelo el combustible de reserva, según la normativa JAR es del 5% del combustible del viaje (trip fuel), el 5% del MTOW es prohibitivo, ten en cuenta que en un Barcelona Ibiza, con un A320, donde normalmente se gastan de 1600kg a 2000kg estarías cargando con más de 3500kg innecesarios aparte del trip fuel.

En determinados casos, normalmente vuelos muy largos, la reserva pasa a ser un 3% (un 3% de 60000kg es más que un 5% de 10000kg, claro).

monsieur le six dijo...

Como siempre, extraordinario artículo.

Vale la pena recordar, en un tema como este, al bombardero DH98, conocido como "Mosquito", que resultó muy útil a la RAF en la SGM. Estaba construído básicamente de madera, en parte para no depender de materiales importados, cuyo suministro no podía asegurarse debido al bloqueo submarino alemán. Esto permitió que fuese tan ligero que podía volar más rápido que los cazas; de hecho, cuando realizaba labores de reconocimiento (para las que era muy útil) ni siquiera llevaba ametralladoras: si tenía la mala suerte de encontrarse con el enemigo, salía por patas (o por hélices) y listo :P

Davidmh dijo...

Un piloto me contó que cada cierto tiempo se quitaban asientos a los aviones para compensar la acumulación de polvo en lugares donde no se puede limpiar.

Ahora viene el piscinazo de la muerte:

¿Cinco asientos cada dos años?

Carlos dijo...

David no había oído eso en mi vida.

Lo que sí se hace es "limpiar" el avión cuando pasa por una revisión mayor, un overhaul.

Limpiar lo he puesto con comillas porque no es que limpien el avión, es que lo desmontan y por fuerza tienen que limpiar para realizarle pruebas a las piezas.

Lyd dijo...

Gracias a todos por vuestros comentarios! Ya estoy de vacaciones, así que por fin puedo contestaros a discreción ;)

Agus, unangel, konsejero: Se agracede que os paséis por aquí. Y sí, los aviones son muy coquetos... aunque más que coquetos yo diría que son un poco señoritingos, por la cantidad de cuidados y mantenimiento que necesitan, y la cantidad de gente que siempre tienen alrededor trabajando en ellos! ;)

giz: Lo de que la fibra de carbono sea inflamable... lo que en realidad se quema es la resina, pero aun así tiene más resistencia a altas temperaturas que la madera (normalmente están certificadas para funcionar hasta por encima de los 100 ºC). Y según tengo entendido, aunque puedo estar equivocada, porque de esto no sé mucho, simplemente se estropean con el fuego, pero no lo propagan. Y a la resina se le añaden agentes retardadores de llama, cosa que no se puede hacer con la madera, no? Y eso de que no tolera el más mínimo golpecito... Es cierto que si recibe golpes de cierta magnitud se pueden formar grietas, que son peligrosas porque no se ven (los "Barely Visible Impact Damage", BVID, que preocupan tanto a los fabricantes). Pero para eso se estudia la tolerancia al daño. Los BVID deben permitir que el avión siga volando. Y si el daño es más visible, se repara y punto. Lo siento mucho, pero sigo opinando que los materiales compuestos le dan 100 vueltas a la madera :P

Carlos: Gracias por la aclaración, aunque yo no he dicho que el porcentaje sea sobre el MTOW, que como tú dices es demasiado. Las reservas suelen ser siempre un porcentaje del peso de aterrizaje (LW), que no es lo mismo que el MTOW (LW = MTOW - Trip Fuel). Y el porcentaje que di tampoco es fijo, sino sólo una estimación. El peso de las reservas , según la normativa, se calcula teniendo en cuenta el recorrido que hace el avión en caso de aterrizaje frustrado en el aeropuerto de destino, remonte y vuelo en régimen de mínimo consumo hasta el aeropuerto alternativo, y la distancia que recorre en estas condiciones depende de si el vuelo es nacional o internacional (en el caso de internacional son 200 millas náuticas). Como ves, es más complicado de lo que parece, pero en primera aproximación se puede considerar un porcentaje establecido sobre el LW, que oscila entre el 4 y el 8 %, si mal no recuerdo.

monsieur le six: Muchas gracias por el apunte. Yo no sé mucho sobre aviones de esa época, así que las aportaciones en ese sentido son siempre muy bienvenidas! ;)

Davidmh: Yo tampoco había oído nunca nada parecido. Tenía entendido que lo que se hacía era lo que dice Carlos, el overhaul. Estuve intentando encontrar información sobre lo que aumenta el peso de los aviones debido a la suciedad cuando escribí el artículo, pero no lo conseguí, así que nos quedaremos con la duda... (a no ser que alguno de vosotros lo sepa, claro :P)



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