Terminada la segunda guerra mundial, se creó la OACI con el objetivo de regular el tráfico aéreo emergente.

Debido a la diversidad climatológica en las distintas zonas del globo, además de las diversas necesidades propias de cada zona, fue esencial crear diversas regiones de navegación con el objetivo de simplificar el control del tráfico aéreo mundial.

Fuente: OACI

En la imagen superior, podemos observar las nueve regiones que “componen” el mapamundi (Europa (EUR), África (AFI), Oriente Medio (MID), Asia, Pacífico (PAC) Sudamérica (SUD), Caribe (CAR), Norteamérica (NAM), y Atlántico Norte (NAT))

Debemos entender por región una zona de planeta que abarca diversos países, una vez hecha esta división regional, se asignó a cada uno de los países integrantes la responsabilidad de ofrecer a los vuelos que ocupaban su espacio aéreo cualquier información que les pudiese ser útil, tales cómo meteorología, posición de otros aviones en la región, etc…

A la vez, los países integrantes de cada región, dividieron su espacio aéreo en zonas más pequeñas llamados FIR (Flight Information Region) ó Región de Información de vuelo respectivamente.

Esta área “nacional” comprende una “columna”, que a su vez comprende la superficie jurisdiccional de cada estado (agua incluida) hasta una altura de 24500 pies, conocida cómo techo práctico ya que para la mayoría de aviones de la época era más que suficiente. Sin embargo, hoy día con los aviones a reacción ha aparecido otra dependencia, sobre la FIR se añadió la UIR (Upper Information Region) que comprende altitudes hasta 46000 pies.

En la imagen superior están los FIR’s de Italia (Milano FIR, Roma FIR y Brindisi FIR) -Fuente: Wikipedia

No obstante, para gestionar el tráfico de forma más eficiente, se establecen unas clases de espacios aéreos, además de subdividir los FIR/UIR en otros más pequeños, denominados sectores, la configuración de estos variará en función de la cantidad de tráfico aéreo, aeropuertos o zonas especiales ya sean restringidas (clase R), prohibidas (clase P), y peligrosas (clase D).

Es de sobra conocido por nosotros que, tomando un avión comercial medio como ejemplo, los depósitos de combustible que se llenan en primer lugar son los de los planos, siendo también estos los últimos de los que los motores tomarán el queroseno. El depósito central rara vez estará al límite de su capacidad, a diferencia de aquellos de las alas, y también será extraña la vez que llegue con más de una centena de kilogramos al aeropuerto de llegada.

Lo que a veces no está tan claro son las razones de esta distribución.

Sin entrar en lecciones de física, que evidentemente no estoy cualificado para dar, os presento la siguiente ilustración con propósito de facilitar y amenizar la breve explicación.

Esquema de fuerzas verticales ejercidas sobre un avión en vuelo – © www.westwingsinc.com

La carga de combustible en las alas aumenta su peso, y por consiguiente contrarresta la fuerza de sustentación en mismas. Esto se traduce en un menor momento de torsión que disminuye los esfuerzos en el encastre de las alas. Menos esfuerzo significa una menor fatiga del material, aumento de la vida útil y un menor coste.

Aunque parezca que un aumento del combustible en las alas disminuye la fuerza resultante de la resta del vector peso al vector sustentación, esto no es así, al estar simplemente trasladando el peso del fuselaje a las alas sin modificar su módulo total.

Por otra parte, los depósitos de las alas pueden suministrar combustible a los motores sin tener las bombas encendidas aunque lógicamente esto no es recomendable gracias a la fuerza de la gravedad. El depósito central sí necesita bombas que trasladen el combustible hacia la planta motriz, ya que lógicamente el desplazamiento de éste se realiza en dirección horizontal.

En definitiva, con este sistema, para un mismo vuelo, carga de combustible, pasajeros y carga conseguimos:

1. Una menor carga en los encastres de las alas al pesar éstas más y el fuselaje menos, lo que se traduce en una menor fatiga del material y por lo tanto una mayor vida útil de los componentes.
2. La seguridad añadida que da no depender de las bombas de combustible para que los motores lo reciban, ya que el queroseno puede caer de las alas a éstos por la gravedad en caso de fallo del sistema eléctrico o mecánico de las propias bombas.

Aprovecho para darme a conocer en Surcando los Cielos y para agradecer públicamente a Ángel la confianza depositada en mí al dejarme participar en este blog.

Once it gets under your skin, you’ll never get it out.

Seguimos con la serie dedicada al ruido producido por un avión con este segundo y último post

El ruido del chorro

El ruido producido por el chorro proveniente de la combustión de gases es la principal fuente de ruido en un cuando un motor está operando a máxima potencia. Durante el despegue el gas es expulsado a gran velocidad y se mezcla con el gas que hay a su alrededor. En esta mezcla de gases se crea una turbulencia, causante del ruido, que cuanto mayor es, más ruido crea. El ruido producido por el chorro es el único que se crea fuera del motor (aunque no fuera del avión) y tiene lugar a una distancia considerable del motor.

[Inciso: próximamente veremos que es el bypass con más detenimiento, pero para tener una idea y entender lo que viene ahora, llamamos bypass al flujo de aire secundario del motor, que no pasa por el núcleo, y que por lo tanto no se comprime a altas presiones. Para entendernos, en un motor actual tenemos dos partes diferenciadas, el núcleo dónde se inyecta el queroseno y una segunda parte por donde entra el aire pero no es “tratado”. Esta segunda parte es el bypass del motor]

Históricamente, la reducción del ruido de chorro ha ido de la mano con la reducción de la potencia específica y del ratio de bypass con el resultado de una menor velocidad de chorro para alcanzar la misma potencia requerida. El forzar la mezcla del aire proveniente del núcleo del motor con el del flujo del bypass ha demostrado que reduce el nivel de ruido producido puesto que la mezcla de los gases es gradual y hace descender la velocidad de mezcla, siendo esta proporcional a la turbulencia asociada que es a su vez la que produce el ruido que podemos apreciar. Esto era muy útil en los antiguos motores con un ratio de bypass moderado o por debajo de 5 a 1.

El señor Malet en uno de los motores del DC8 de PanAm. Se ve un primitivo sistema de atenuación de ruido. – © Adolfo Malet

En referencia a la foto superior, siempre me acuerdo de una anécdota que me explicó un antiguo piloto de DC8. Me comentaba que le colocaron estos difusores a los motores para hacer menos ruido, pero cuando despegaban por la  mañana temprano de Palma de Mallorca temblaba hasta el suelo y despertaban a toda la isla. Siempre es algo relativo, lo de reducir el ruido.

No obstante, en los nuevos motores de última generación como pueden ser el Trent 1000, los ratios son superiores a 10 a 1 y esta medida se muestra del todo insuficiente, por ser el bypass demasiado grande y tener que incorporar sistemas de guiado del aire muy grandes, penalizando así la aerodinámica y el peso final del motor (y del avión). Así pues, se ha visto como otra medida de reducción de ruido es efectiva para grandes ratios y no penaliza en exceso la aerodinámica. Algunos os habréis fijado, y es que últimamente, en las terminaciones del motor de última generación, se aprecia un serrado. Esta manera de acabar en forma de sierra consigue que la velocidad de mezcla de los gases también se vea disminuida, independientemente del ratio de bypass, y además se ve reducido el ruido del orden de 5 dB.

Acabado en sierra visible en este Trent1000 de un B787 – © Jon Ostrower

Debido a la naturaleza del chorro y su ruido asociado, la interacción aerodinámica con el flujo de aire y la estructura necesita ser replanteada. Con esto nos referimos a, por ejemplo, la interacción del chorro con el ala debido a su proximidad. Más aún cuando se va con algún punto de flaps. Esto crea un ruido asociado que es dirigido hacia abajo. Por esta razón, el avión del futuro se está planteando con una integración completa del motor dentro del propio avión y así mitigar estos ruidos que ahora por ahora son casi imposibles de reducir.

El ruido de la turbina de baja presión

Así como las turbinas de alta y media presión están incorporadas en el núcleo de motor y son mitigadas por el ruido de este, la turbina de baja presión, la primera que nos encontramos en el recorrido hacia el interior del motor, produce un ruido que es fácilmente controlable.

Es por todos conocido que los humanos tenemos una espectro audible algo corto, y de esto se aprovechan los ingenieros. Con un perfil aerodinámico adecuado fuerzan la frecuencia del sonido por debajo de lo 4KHz. Con esto consiguen que sea inaudible para las personas y además es fácilmente atenuado por la atmósfera.

El ruido de la combustión

Y os preguntaréis ¿Por qué aún no hemos hablado de lo que realmente hace ruido? Parece mentira pero el ruido producido por la combustión es el menos significativo en la firma de ruido total del avión. El ruido producido por las inestabilidades de la combustión están controladas por los procesos internos del motor.

Los aviones de hoy en día son mucho más silenciosos que los primeros aviones a reacción civiles con ratios bajos en el bypass (próximamente hablaremos sobre que es el bypass de un motor). Algunos se atreven a decir que los aviones de ahora emiten un 1% del ruido que emitían los aviones 40 años atrás. No obstante, esto parece poco y cada vez se intenta reducir el ruido de los aviones lo máximo posible, empujados por la presión social sobre las infraestructuras aeroportuarias alrededor del mundo.

Control del Ruido

ICAO lleva el control del ruido de los aviones así como sus umbrales y maneras de medirse. Así pues, en la fase de despegue se miden los niveles de ruido en un perfil lateral y otro de sobrevuelo mientras que en la de aterrizaje solo se mide en la zona de aproximación final.

Zonas de medición especificadas por ICAO. © The Jet Engine – Rolls Royce

Este ruido se mide en EPNL (Effective Perceived Noise Level) o Nivel Efectico de Ruido Percibido y vienen estipulados en el anexo 16, capítulo 3 de ICAO firmado en 1977. Pero mucho ha llovido desde entonces y el  1 de Enero de 2004 el capítulo 4 restringe mucho más los niveles de ruido para las nuevas aeronaves a certificar y establece los limites 10EPNLdB por debajo de lo que lo hacía el capitulo 3. Y aún nos podemos poner más extremistas y es que aeropuertos, como los Londinenses y algunos más a lo largo del mundo con una alta densidad de tráfico, establecen sus propias normas aún más restrictivas para las operaciones diarias según la hora en la que se desarrollen.  Para ello sacaron la Quota Count, que viene a ser un índice del ruido que hace un avión en las opera y con un sistema de slots ruidosos las compañías basan sus operaciones nocturnas según las QC que tengan asignadas

Las fuentes de ruido en un avión

El ruido que escuchamos de un avión es el resultado de una infinidad de pequeñas fuentes de ruido. Así pues, el diseño de los motores de un avión va muy ligado a un eficiente diseño aerodinámico del mismo. Parece lógico que una aerodinámica incorrecta desembocará en una mayor potencia necesaria para el despegue y un consecuente aumento de ruido del motor en general.

Otras cosas a tener en cuenta son que no todo el ruido lo crean los motores. Por ejemplo, en la fase de aproximación final es más importante el ruido producido por el Airframe (la circulación del aire) que el propio producido por los motores que en ese momento van casi al ralentí. No obstante el ruido producido por la turbina viene siendo el peor enemigo de los límites de ruido.

El problema  es complejo, pues para reducir el ruido de un avión se tiene que trabajar con múltiples fuentes de ruido, a menudo con diferentes métodos de reducción de ruido.

El ruido de la turbina

El ruido de la turbina es el más complejo de tratar puesto que proviene de la aerodinámica de los álabes del motor. Cuidado, porque en este caso estamos diferenciando del ruido relacionado con “jet stream” (del chorro del motor) con el propiamente relacionado a las turbinas del motor y los compresores. Parece curioso que sea significativamente mayor para la firma del ruido el proveniente por las turbinas, pero con la medida del los años se ha conseguido reducir el ruido del jet stream como podemos observar en la figura inferior.

Perfil acústico de una turbina. © The Jet Engine – Rolls Royce

Podemos diferenciar algunos de ellos por estar concentrados en ciertos espectros frecuenciales. El llamado broadband noise suena como un siseo, como cuando vamos en coche por una autopista y escuchamos un ruido constante. Este ruido, igual que pasa en los álabes de la turbina, viene producido por las turbulencias creadas en las capas límites del álabe y se generan comúnmente en la parte trasera de estos.

Tenemos también el tone noise que suena como un silbido. Este sonido concentrado en una sola frecuencia es producido por la onda de presión justo en frente de la turbina. Estas ondas de presión producen el tone noise a la frecuencia de paso del álabe (las revoluciones por segundo multiplicado por el número de álabes). Un modelado de los álabes muy estudiado por parte de los ingenieros hace que este ruido se vea minimizado.

Otro sonido conocido sonido es el llamado buzz noise y como su nombre indica, es un leve “buzz” o zumbido. Este sonido es creado cuando los álabes estar girando a velocidades supersónicas. Es en este momento cuando la onda supersónica pasa entre sus álabes y produce pequeñas vibraciones que acaban creando ese zumbido que en ocasiones se puede escuchar dentro de la cabina de pasajeros. Una cuidadosa geometría en el diseño de los motores ayuda a eliminar este ruido, aunque por otra parte, un régimen de giro menor en el despegue también contribuye a minimizar este ruido.

Reduciendo el ruido de la turbina

Un método importante para la reducción del ruido generado por las turbinas es el de absorber la energía generada después de producirse. Los motores de nueva generación, la entrada y el conducto de bypass están cubiertos de paneles especiales para absorber el ruido producido por la turbina. Estos paneles, que los podemos encontrar en la vida cotidiana en autopistas, por ejemplo, hacen que la energía del sonido (que no dejan de ser vibraciones) se conviertan en calor. Así se disipan sin molestar a ningún vecino. Otras cosas tan sencillas como cuidara la geometría de la admisión del motor puede hacer que el sonido se disipe hacia arriba.

La geometría juega un importante papel – © The Jet Engine – Rolls Royce

La prueba del algodón hay que hacerla en el siguiente vídeo. Un A330-300 de Qatar Airways con sus General Electric CF6-80E1 a toda potencia. A ver si encuentras todos los sonidos

(El vídeo es mejor verlo en HD para disfrutar de un audio en condiciones)

Airbus A330-300 Qatar Airways take-off GVA – Youtube