EFECTO SUELO

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

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

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.