LA REGLA DEL ÁREA

¿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)

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.

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¿Qué decís? ¿Os apuntáis?

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.

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…