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.

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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

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Por nuestro colaborador Tycho Brahe

Cambiamos un poco la temática, perdón, la altitud, y hoy subimos unos cuantos pies más, de hecho nos vamos al espacio exterior.

Todos conocemos el transbordador espacial americano, que fue diseñado para reemplazar a las cápsulas de un solo uso tales cómo las Apollo o las Gemini. A pesar de ser el sistema de lanzamiento reutilizable más conocido por el público en general, también existieron otros proyectos de transbordador espacial, por banda de la URSS, y otro por parte de la U.E.

Curiosamente exceptuando el caso de la U.E. los transbordadores norteamericano y soviético nacen siendo un proyecto mixto (civil-militar) de sus respectivas fuerzas aéreas (USAF y BBC-CCCP) respectivamente. Los militares querían un sistema que permitiese llevar grandes cargas a órbitas espaciales y de hecho las dos fuerzas aéreas presentaron sus proyectos de avión espacial reutilizable, los americanos construyeron el prototipo X-20 y los soviéticos el MiG 105. En ambas potencias, el transbordador espacial nace del recorte presupuestario después de la llegada a la luna, y de la ambición necesidad de llevar cargas militares al espacio.

En la URSS, corría el año 1976 cuándo las autoridades soviéticas pensaron que un sistema de lanzamiento reutilizable podría equilibrar la balanza de la guerra fría, a pesar de empezar 4 años más tarde que los norteamericanos, el transbordador Buran (tormenta de nieve en ruso) se desarrolló con tecnología 100% soviética.

Comparación entre el STS y el Buran

En 1984 se construye el primer Buran, a su vez se construyó un vehículo Buran, conocido cómo OK-GLI que era el “equivalente” al Enterprise norteamericano, es decir un vehículo para pruebas aerodinámicas. A diferencia del Enterprise (que necesitaba un avión nodriza) el OK-GLI fue equipado con 4 motores turbofan, que se encendían para llevar a la aeronave hasta cierta altura, entonces se apagaban y el aparato planeaba hasta aterrizar, tras 24 vuelos de prueba se dio por cumplida su misión y fue retirado del programa.

El OK-GLI

Bourane OK-GLI – Youtube

En el año 1988, el Buran hizo su primer (y único vuelo orbital) acoplado “a lomos” de un lanzador Energía, este vuelo fue totalmente automático a diferencia del STS (que a pesar de estar muy automatizado, requiere control manual). Terminada la misión se programó un vuelo tripulado (posiblemente a la MIR) en 1993, pero la URSS se desintegró en 1991, y en 1992 Boris Yeltsin canceló oficialmente el programa. Se habían despilfarrado 20000 millones de rublos de la época.

Detalle de la cabina de un simulador de Buran – Ilya Morozov

Diferencias entre el Buran y el STS.

• En primer lugar cómo he comentado antes, el Buran es una carga del cohete Energía (reutilizable), a diferencia del STS que lleva un tanque de combustible (no reutilizable) y es la nave la encargada de volar hasta la órbita.
• El combustible, el Buran utilizaba 4 boosters de queroseno+LOX, el STS utiliza 2 boosters de propergol sólido (perclorato amónico)
• El Buran utilizaba queroseno y oxígeno líquido, en lugar de propelentes tóxicos cómo usa el STS.
• El Buran permitía 5 toneladas más de carga útil que el STS al no llevar motores principales en el orbitador.

Detalle de los motores – Javier Rodriguez

Después de la cancelación del Buran algunos aparatos fueron destruidos, otros se almacenaron en la fábrica de Energía y en el cosmódromo de Baikonur. A priori los más visitables son el OK-GLI que está en un museo alemán, y el OK-TVA que está expuesto en el parque Gorki en Moscú.

El mismo año que se canceló  el Buran también se canceló el Hermes, este era el proyecto de un transbordador espacial europeo, a diferencia del STS o el Buran, el Hermes era un planeador espacial, más cercano a un X-20 o un MiG 105, que a un STS o un Buran.

El Hermes

A pesar de ser un proyecto inicialmente franco-alemán, el Hermes sería fabricado por Dassault y Aérospatiale, rápidamente comenzaron a surgir problemas financieros, ahí se acordó la entrada de la ESA al proyecto.

Se llegaron a construir maquetas estructurales del Hermes, este sería lanzado por un cohete Ariane-5, pero el accidente del Challenger y el creciente coste del programa Hermes, sumado a la inexperiencia europea en la construcción de naves espaciales, (debido al sobrepeso del Hermes hubiese sido necesario rediseñar por completo el Ariane-5) cancelaron la esperanza europea de ser independientes a la hora de lanzar vuelos tripulados al espacio.

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Después de todo el revuelo levantado por el accidente del AF447 del que poco se sabe aún, la hipótesis del impacto de un rayo cobró fuerza los primeros días, pero ¿cómo afecta un rayo a una aeronave? Vamos a intentar explicar lo que pasa cuando un rayo alcanza un avión.

Los rayos son algo que no vemos pero que están ahí. Aproximadamente en este momento hay alrededor de 2000 tormentas eléctricas alrededor del mundo con una consecuencia muy clara: hay 100 impactos de rayo por segundo. Aún habiendo tantos y pasar tan desapercibidos, no nos debemos tomar a la ligera el efecto de un rayo. Un impacto puede traer consigo mil millones de voltios, 200.000 amperios y 30.000ºC de temperatura. No obstante, se calcula que un avión es alcanzado de media cada 10.000h de vuelo.

Frecuencia de Impacto de Rayos en el mundo – Wikimedia

Obviamente, un rayo no sale de la nada, y es debido a un seguido de procesos que en la nube se crea una energía potencial. Según Wikipedia

Generalmente, los rayos son producidos por particulas negativas por la tierra y positivas apartir de nubes de desarrollo vertical llamadas cumulonimbos. Cuando un cumulonimbo alcanza la tropopausa, las cargas positivas de la nube atraen a las cargas negativas, causando un relampago y/o rayo. Esto produce un efecto de ida y vuelta, esto se refiere a que al subir las particulas instantaneamente regresan causando la vision de que los rayos bajan.

Siendo algo menos generalistas, las turbulencias y las corrientes ascendentes en el interior de las nubes hacen que pequeñísimas partículas de agua coquen con partículas de hielo. Si estas no quedan “unidas”, la partículas de agua quedan positivamente cargadas. Como estas son más ligeras, suben hacia arriba de la nube haciendo una separación en su interior de cargas. Ya lo tenemos todo para crear un rayo.

El avión entonces tiene dos posibles maneras de interactuar con él. Podemos diferenciar entre interceptación de rayos (por debajo de 20.000 pies) o la más habitual generación de rayos (por encima de 20.000 pies) debido a la própia carga que lleva el avión y que desequilibra las cargas.

Para evitar los daños del impacto existe una exigente normativa (RTCA/DO-160) para no lamentar daños mayores a un pequeño susto. Quizás la contramedida más famosa para evitar los efectos de un rayo es el conocido efecto de la jaula de Faraday, y esto lo consiguen con estructuras conductoras, generalmente de Aluminio. Como curiosidad, actualmente se están encontrando con problemas, pues los nuevos materiales, mucho más ligeros que el aluminio, resultan ser menos conductores que este, y están creando más de un dolor de cabeza a los ingenieros.

Otra medida es el favorecer la salida del rayo. Para ello se habilitan caminos rectos sin ningún tipo de obstaculo ni elemento vital para el avión para que el rayo pueda desplazarse libremente por el exterior del casco de la aeronave. También se habilitan los descargadores de estática, que además de reducir la electricidad estática, ofrecen una salida rápida para el rayo. De costumbre, un impacto directo con un rayo no deja más que alguna quedamura en la pintura del avión y bordes de este.

Además, en las posibles zonas de impacto se utilizan elementos hidráulicos y mecánicos para intentar minimizar los efectos de la descarga

Radomo del A320 de Clickair. Podéis ver al agujero y algún que otro chispazo del radar – Autor: Still

Punto de salida del rayo. Se aprecian los descargadores de estática intactos- Autor: Still

No obstante, a veces lo caprichoso de la naturaleza hace que estas medidas a veces no sean del todo efectivas tal como muestran este par de fotografías de un A320 de Clickair alcanzado por un rayo. Podemos ver en la primera foto el punto de entrada, con el rádomo del avión agujereado y la salida, por uno de los descargadores de estática(falta uno y lo podemos ver en que hay la marca de los cuatro remaches que lo sujetaban), pero que no evitaron un pequeño reventón de parte del timón de profundidad.

Así, como podréis deducir por las fotos, lo rayos alcanzan los aviones por sus extremos (morro o ala), recorriendolos de punta a punta.

Los daños más comunes se producen en plásticos no conductivos, como el radomo. También hay otros daños que pueden llegar a ser catastróficos. Recordemos que el rayo puede alcanzar hasta 30.000ºC, más que suficiente como para calentar más de la cuenta el punto de entrada al avión. Si este punto de entrada se encuentra cerca de un tanque de combustible, se puede dar el caso de que en el interior del mimo exista vapor de combustible, pudiendose encender y explotar.

Un rayo alcanza un B747 de ANA en el despegue - Youtube

Otros daños menos visible, pero no menos peligrosos, pueden afectar al aparato durante el impacto. Debido a este, se crean potentes campos magnéticos que afectan a los equipos electrónicos de los aparatos, dejándolos pacialmente dañados o incluso totalmente inoperativos hasta el punto de poder dejar el avión en una situación crítica de navegación y vuelo. También puede afectar a otros elementos tales como baterías, generadores o circuitos eléctricos.

¿Qué se hace para comprobar que el avión puede aguantar un rayo? Según el reglamento RTCA/DO-160, las secciones 22 y 23 especifican cómo deben probarse. Así, simulan el impacto de un rayo al casco del avión para probar la tolerancia a su deterioro. Otras pruebas, como el de aplicar alto voltaje a los equipos electrónicos, también son utilizadas para la comprobación de su resistencia.

Desde luego, un rayo no es para tomarselo a la ligera, aunque en la mayoría de los casos, por suerte, no pasa del susto

Quiero agradecer a Carlos Ferraz, junto a su equipo, Jaume Graells y Mònica Subirats,por facilitarme y darme la idea de escribir sobre esto. Ferraz, más vale tarde que nunca

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