Nubes bajas:

Las nubes bajas se componen por aquellas nubes que empiezan a nivel de suelo y alcanzan una altura máxima de 6500 pies, las más características son el Stratus y el Stratocumulus.

El Stratus: (St)
Se trata de una nube baja sin forma específica, formadas generalmente por nieblas ascendentes, no suelen precipitar, salvo que se encuentren a bajas altitudes, entonces pueden convertirse en neblina, niebla o llovizna.

Stratus, imágen: National Geographic

El Stratocumulus: (Sc)

Son nubes redondeadas, cuyos elementos son algo mayores que los Altocumulus y se presentan a alturas menores que estos, no suelen traer precipitaciones aunque raramente traen nieve, eso si, pueden avisar de la formación de frentes tormentosos.

Stratocumulus, imágen: World Weather Web

Nubes de desarrollo vertical

Cumulus: (Cu)

Son nubes que se forman entre los 1600 y los 19000 pies, al desarrollarse verticalmente, son usadas por los pilotos de planeadores para ascender. El Cumulus, puede evolucionar a Cumulonimbus y traer tormenta y lluvias.

Imágen: Cumulus, fuente: wikipedia

Cumulonimbus (Cb)

Es la nube más peligrosa para la navegación aérea, ya que cuando alcanza su madurez, puede desarrollar lluvias intensas, o tormentas eléctricas, además de las corrientes que se dan en su interior.

Imágen: Cumulonimbus, fuente: Michigan Technology Institute

Editado el 20/3/10: A raíz del comentario de Ángel, creo que es una buena idea incluir una imágen que compare todos los tipos de nube, cómo comenta en el Cumulonimbus se crean corrientes ascendentes que provocan turbulencias, haciendolo muy peligroso para la navegación aérea. también se puede observar en este gráfico la gran altura que puede alcanzar el cumulonimbus y su forma de yunque en la  parte superior de la nube.

Gráfico comparativo de nubes, Imágen: Distance Education Technologies (Hacer clic para ampliar)

Abreviación de nubes

Cada nube tiene una abreviación (adjunta al lado de cada nombre), podemos observar esta abreviación en los códigos METAR, cómo ejemplo podemos ver en un METAR del aeropuerto de Pittsburgh (USA) cómo nos advierten de la presencia de un Cumulonimbus (CB en negrita).

KPIT 091955Z AUTO 22015G25KT 3/4SM R28L/2600FT TSRA OVC010CB18/16 A2992 RMK SLP045 TO1820159

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1. Las nubes (primera parte)

1. Las nubes (primera parte)

Dedicado a Albert, alumno eminente de física y futuro meteorólogo

Las nubes son masas de cristales de nieve o gotas de agua microscópicas suspendidas en la atmósfera, dependiendo de ciertas características internas de los cristales o la nieve, pueden transformarse en agua, granizo o nieve.

Para la formación de éstas, es necesario que el aire aumente su contenido de agua ya sea por evaporación o por condensación, siendo esta última el proceso más frecuente.

Cada nube está englobada en una familia de nubes, hay cuatro familias, que son las altas, las medias, las bajas y las nubes verticales.

Nubes altas:

Las nubes altas, se denominan así debido a su altitud que oscila entre 20000 y 35000 pies, están formadas generalmente por cristales de hielo, y los tipos más comunes son el Cirrus, Cirrocumulus y Cirrostratus.

El Cirrus: (Ci)

El Cirrus, es una nube compuesta por cristales de hielo, tiene un aspecto fibroso, de hecho cirrus significa cabellera en latín.

Imágen: Cirrus, fuente: freewebs.com

El Cirrocumulus: (Cs)

El Cirrocumulus, a diferencia del cirrus, está formado por gotitas de agua extremadamente fría y también de copos de hielo.

Cirrocumulus, imágen cjsirot

El Cirrostratus: (Cc)

El Cirrostratus, está compuesto por cristales de hielo, tienen aspecto blanco y haces fibrosos, la presencia del Cirrostratus, puede indicar precipitaciones.

Cirrostratus, imágen: fotolia.com

Nubes medias:

Las nubes medias, se encuentran entre 6000 y 23000 pies de altura, están formadas por gotas de agua muy fría, incluso hay algún cristal de hielo.

Altostratus: (As)

Es una nube grisácea, especialmente peligrosa para la navegación aérea ya que puede causar acumulación de hielo en las alas del avión.

Altostratus, imágen: Universidad de Wisconsin

Altocumulus: (Ac)

Es una nube con forma de ondas, el Altocumulus precede en general a los frentes frios, excepto si lo avistamos en verano, que puede avisarnos de una tormenta. Existe un subtipo de Altocumulus (Ac. Lenticularis) que suele ser confundido con O.V.N.I.’s

Imágenes: Altocumulus (arriba) y Altocumulus lenticularis (abajo), imágenes: wikipedia y stormeyes.com

Nimbostratus: (Ns)

Es una nube generalmente oscura, bloquean la luz solar y casi siempre precipitan aunque no con mucha intensidad.

Nimbostratus, imágen: windows to universe

Nota: Editado el 4/3/10. Gracias Nacho por el apunte.

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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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Comparaciones entre navegación tradicional y navegación B-RNAV y P-RNAV: STAR de LEVC.

A continuación se comparará una STAR dónde hay salidas tradicionales como salidas RNAV.

Arriba tenemos un detalle de la STAR de la pista 30 de Valencia. Las llegadas STAR tradicionales son las que están retratadas como una única línea, y no tienen en el título ningún indicativo de R-NAV. Comparemos por ejemplo las llegadas que van por el punto CENTA.

La llegada CENTA1C es una llegada que se realiza por navegación tradicional. Vuela desde CENTA al VOR CALLES por el radial 301. Después continúa por el radial 152, hasta realizar el arco 15 DME VLC, y acaban el IAF MULAT.

La llegada CENTA2E es una llegada B-RNAV. Cuando alcanza el punto CENTA, vuela directo rumbo 133 hasta el punto URIAS (punto que también cruza la STAR CENTA1C). Luego vira rumbo 057 hasta el IAF MULAT. Es evidente que es mucho más rápido realizar la CENTA2E que la CENTA1C, ya que no tiene que alcanzar el VOR CALLES, y luego realizar ningún arco, más o menos complicados de realizar.

Si nos fijamos, vemos que en todas las llegadas por un punto, la versión con B-RNAV es mucho más rápida que la homóloga sin RNAV.

Conclusión

Es evidente que la navegación aérea, desde que se implementó la navegación R-NAV, se ha visto enormemente beneficiada. Tras estar en un momento de saturación máximo, el R-NAV mejora el tráfico aéreo, puede incluso reducir el trabajo de los ATC y además de ser más segura, distribuye mejor el tráfico y permite la incorporación de más tráfico.

Aunque todavía falta mucho por implementar, ya que ahora mismo lo más extendido es B-RNAV, poco a poco se va mejorando la situación de la navegación aérea, aprovechando las nuevas tecnologías que aparecen (GPS, Galileo). Incluso sabiendo que todavía se está empezando a implementar el P-RNAV (en España solo se encuentra en los TMAs de Madrid y Barcelona, aunque con expectativas de extenderlo por todo el territorio), hay muchas esperanzas puestas en los nuevos tipos de RNAV 3D y 4D, con los que el propio tráfico se autorregulará más fácilmente. Finalmente se conseguirá una navegación aérea mucho más segura y mucho más eficaz.

Aprovecho estas líneas para felicitar a Victor, que hoy ha pasado al club de los ingenieros técnicos aeronáuticos, esp Aeronavegación, dónde Andreu también entró el pasado viernes (como ya sabrán los que nos siguen por facebook). Desde SurcandoLosCielos os aseguro que nos aprovecharemos de sus conocimientos muahahahaha

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Concepto de RNP

Se sobreentiende que los sistemas descritos en el post anterior, aunque eficaces, no son 100% efectivos. Aparece pues la necesidad de crear un sistema que clasifique los sistemas en función de su precisión, llamado RNP, precisión de navegación requerida. Creado por la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), se define como una declaración de las prestaciones necesarias para operar dentro de un espacio aéreo determinado. Asociado al concepto RNP, se define una región de confinamiento alrededor de cada trayectoria y cada fase de vuelo.

A la hora de definir los requisitos que deben cumplir los sistemas a bordo del avión, es necesario saber el grado de seguridad que se requiera, ya que a más seguridad, más estricto se tendrá que ser a la hora de marcar unos requisitos. En general, cada RNP define un TSE (error total del sistema de navegación), que viene a indicar el error que se permite en el eje lateral, longitudinal, y a veces vertical.

El TSE se obtiene a partir de los errores del sistema de navegación, del sistema de cálculo, del display donde aparecen los datos y los errores en la técnica de vuelo, y su valor no debe exceder el de los límites asignados durante el 95% del tiempo de vuelo. Además, se tienen en cuenta:

• La exactitud, definida por la diferencia entre la posición real de la aeronave y la que indica el sistema de navegación. Se ve rápidamente cuando se define un RNP, ya que lo indica el número que aparece en el tipo de RNP que se requiere. Si el sistema es RNP-5, significa que la diferencia entre las posiciones real y estimada del avión es menor o igual a 5 millas náuticas durante el 95% del vuelo.
• El sistema debe ser integro, debe poder apagarse automáticamente o proporcionar al usuario advertencias cuando no se deba utilizar el sistema para la navegación aérea. Es una forma de marcar la confianza que se pone en la validez de la información. Por tanto, es necesario tener un subsistema encargado de controlar que todo funcione correctamente y que sea el que avise cuando el sistema de navegación no sea apto para su uso. Aparece pues el parámetro tiempo de alerta que  se define como el período máximo de tiempo transcurrido entre la ocurrencia del fallo y la notificación del fallo al piloto.
• Otro parámetro es la disponibilidad, definido como la habilidad de un sistema para realizar su función al inicio de una operación dada. Está expresado como un porcentaje de tiempo en que el sistema se encuentra operativo y cumpliendo con los requisitos fijados.
• Por último, la continuidad del sistema es la capacidad del sistema para realizar su función sin sufrir interrupciones imprevistas. Se expresa como el tiempo medio entre interrupciones no programadas de disponibilidad.

¿Por qué el uso del RNAV?

El sistema RNAV busca la optimización del uso de la red de ATS (Air Traffic Service)para que el espacio aéreo tenga una mayor capacidad y sea más eficiente en las operaciones. Esto se logra debido a la separación lateral entre las trayectorias de las aeronaves, además de la utilización de nuevas rutas que no están atadas al sobrevuelo de determinadas radioayudas.  Los beneficios que se obtienen de este sistema son muy importantes:

• Flexibilidad a la hora de diseñar la estructura de rutas ATS.
• Rutas mucho más directas, sin pasar por encima de radioayudas y alargando el tiempo de vuelo.
• Procedimientos SID y STAR optimizados, y perfiles de descenso mejorados.
• Optimización de las maniobras de espera.
• Menor carga de trabajo para pilotos y para controladores.
• Menor impacto ambiental gracias al ahorro de combustible y reducción de ruido por los procedimientos óptimos.

Lógicamente, para implementar este tipo de navegación y que se elimine la radionavegación convencional, hay ciertos requisitos. Es necesario que los sistemas de navegación de a bordo de las aeronaves estén preparados para este tipo de navegación (siguiendo los criterios RNP requeridos para el tipo de RNAV, de los cuales se hablará más adelante). Además, los pilotos deben estar entrenados y hablitados en las técnicas RNAV. Tiene que haber una cobertura adecuada proporcionada por la infraestructura de navegación. Algo muy importante también es que el sistema de referencia geodético WGS-84, y por tanto los datos de navegación deben estar adaptado a éste, cumpliendo así con los requerimientos de exactitud e integridad establecidos por la OACI. Por último, deben estar diseñados y publicados los procedimientos y rutas compatibles con los sistemas RNAV a bordo de las aeronaves.

Tipos de RNAV

Es imposible implementar de golpe un sistema completo y complejo de RNAV. De ahí que siga un proceso de evolución a lo largo del tiempo, dividiendo la implantación en diferentes fases.

B-RNAV

La primera fase, llamada B-RNAV o RNAV básica, también se conoce como RNAV 2D, pues solo necesita que se cumplan los requisitos de exactitud en un plano horizontal. Éste pide unas prestaciones del tipo RNP-5. Por tanto, el error máximo debe de ser de 5 millas náuticas.  El error debe ser así tanto en los sistemas de a bordo como en las radioayudas de tierra y del espacio. Deben cumplirse por tanto estas condiciones:

• VOR: dentro de un rango de 62 millas náuticas.
• INS: No más de 2 horas transcurridas después de la última actualización del sistema, como ya se ha explicado en el apartado del sistema INS.
• LORAN-C: si existe cobertura adecuada en la zona.
• GPS: Solo cuando la cobertura existe por un número adecuado de satélites o de sistemas de aumento de la exactitud.

Se calcula que dentro del espacio aéreo europeo los sistemas VOR/DME, DME/DME y GPS serán las fuentes primarias de información de navegación, siendo además la cobertura de los VORs y DMEs suficiente para las operaciones en ruta.

P-RNAV

La navegación RNAV de precisión (P-RNAV) es el siguiente paso tras el B-RNAV. Es bastante más estricto que el B-RNAV pues requiere RNP-1, es decir 1 milla náutica de error. Se interpreta como la aplicación de RNAV al área terminal (TMA).

A la hora de diseñarlos, se busca asegurar que su diseño y ejecución son compatibles entre sí. De esta forma se obtiene un gran beneficio, ya que se tiene mayor seguridad en la ejecución y se realiza de forma uniforme en los diferentes estados europeos. EUROCONTROL estima que las redes P-RNAV pueden llegar a tener entre el 5% y el 25% más de capacidad que una red B-RNAV.

carta de aproximación final y frustrada a Innsbruck con RNP-0.3

El P-RNAV es un método tan preciso que se puede utilizar en todas las fases de vuelo, aunque en España no se utiliza en la fase final de aproximación y la aproximación frustrada. Hay otros aeropuertos dónde se utiliza una RNP-0.3 (0.3 millas de precision en su eje horizontal) para las aproximaciones y las frustradas, dónde uno de lo más conocidos es el aeropuerto austríaco de Innsbruck (LOWI/INN). Se llega a ese nivel gracias al uso de VOR/DME, DME/DME y GPS. El INS se podrá utilizar siempre que sean períodos cortos de tiempo, dependiendo de la certificación del modelo de sistema utilizado.

Gracias al P-RNAV, se consiguen adaptar las rutas dentro de la TMA para satisfacer las necesidades del aeropuerto, del ATC y de la tripulación de vuelo. Así aparecen rutas más simples, cortas y directas o rutas que se ajustan mejor a las restricciones ambientales de la zona. A pesar de todo esto, el P-RNAV es también un sistema RNAV-2D.

Por tanto, todavía no hay implementado ningún sistema RNAV-3D, que tiene en cuenta la posición vertical de la aeronave, y mucho menos un sistema RNAV-4D, donde además se tiene en cuenta el factor tiempo.

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Concepto de RNAV

La navegación de área (o RNAV) ha surgido a través de la necesidad de encontrar una forma de navegación aérea capaz de gestionar con un alto grado de seguridad el incremento de la aviación civil que ha surgido en los últimos años. El antiguo modelo se basaba en una serie de rutas fijas diseñada a través de las radioayudas en tierra. Con éste, si querías ir de un punto de salida a otro de llegada, te obligaban a ir pasando por ciertos puntos para alcanzar ese punto de salida. Lógicamente, si en vez de ir por esos puntos se pudiera ir directamente del punto de salida al punto de llegada, el vuelo sería mucho más rápido. El camino más corto entre dos puntos siempre es la línea recta entre esos dos puntos (sin tener en cuenta las posibles limitaciones que pueda tener cada camino obviamente). En el aire pasa exactamente igual. De ahí que en la figura siguiente quede muy claro que la Victor Airway Route es más larga que la Virtual Waypoint RNAV Route, y por tanto será preferible (y más ahora teniendo en cuenta el precio del combustible).

El grave problema de utilizar el antiguo modelo de navegación aérea viene dado a diversos puntos a tener en cuenta:

• Al depender de la posición geográfica de las ayudas de navegación aérea, que son fijas, el sistema se vuelve inflexible.
• Como ya se ha comentado, las aeronaves gastan más combustible debido a que tienen una ruta más larga. Por tanto es costoso.
• Produce retrasos ya que las aeronaves tardan más tiempo en llegar al destino.
• Está obligatoriamente unido a la construcción de nuevas radioayudas para crear nuevas rutas, siendo difícil la creación de nuevas rutas.
• Producen una sobrecarga en los servicios de ATS debido a que suele concentrar tráfico aéreo sobre ciertos nodos importantes en la red de rutas.
• Por último, la evolución tecnológica se desaprovecha, ya que aunque los sistemas de navegación aérea han avanzado muy rápidamente, no se tienen en cuenta a la hora de mejorar las operaciones.

Todo esto produjo una reacción por parte de los organismos competentes (que se tratará más adelante), y de ahí surgió el concepto de Navegación de área.

La navegación de área o RNAV es un método de navegación mediante el cual se permite a la aeronave volar en cualquier dirección deseada, sin la necesidad de pasar sobre puntos predefinidos por la existencia de radioayudas en tierra. Ésta debe realizarse siempre dentro de la cobertura de las ayudas a la navegación, dentro de los límites de las prestaciones de sistemas autónomos, o de una combinación de ambas. Con los equipos RNAV de a bordo se determina la posición de la aeronave gracias a los datos recibidos desde los sensores del avión, y guían así la aeronave de acuerdo con lo requerido previamente por el piloto.

Los datos de entrada del avión con los que se determinará la posición del avión serán única y exclusivamente los siguientes:

DME/DME

Sabiendo la distancia que tiene el avión respecto a dos DME diferentes, se puede localizar la situación del avión. Éste método se conoce también como rho-rho. Aunque puede tener ambigüedades, se utilizan otros sistemas abordo para eliminarlas. Además, se conoce el rumbo que ha seguido el avión y la situación de donde ha despegado, por tanto se puede eliminar aquel resultado que sea incoherente con lo volado hasta el momento.

VOR/DME

Este método llamado también rho-theta, funciona de la siguiente manera. El avión vuela en una determinada dirección. El piloto marcará en el VOR de su avión un determinado radial. Cuando el avión cruce se encuentre sobre ese radial, verá que está también a una cierta distancia del DME. Así, se sabrá fácilmente donde estará el avión con respecto al VOR/DME y por tanto, donde se encuentra geográficamente.

INS

El INS (Inertial Navigation System) es un sistema totalmente independiente de los sistemas de tierra, ya que todo lo que necesita se encuentra en el avión. Consiste en una plataforma estabilizada con giróscopos que sirve como marco de referencia. Dentro de dicha plataforma unos acelerómetros y giróscopos permiten medir la velocidad a partir de la integración de la aceleración, y finalmente, al integrar la velocidad otra vez se obtiene la posición de la aeronave y su actitud. Lógicamente, se pueden producir ciertos errores a la hora de integrar la aceleración y por tanto es necesario ir cotejando los datos con referencias de tierra.

En la circular operativa de la Dirección General de Aviación Civil 01/98 aparece el siguiente apartado:

Un INS que carezca de una función de actualización automática de la posición de la aeronave, sólo se podrá utilizar un máximo de 2 horas a partir de la última actualización de alineamiento/posición efectuada en tierra. Se podrán tener en cuenta las configuraciones específicas del INS cuando los datos del fabricante del equipo o de la aeronave justifiquen su utilización más prolongada a partir de su última actualización de la posición en tierra.

LORAN C

El LORAN C es un sistema de a bordo que funciona de forma parecida a un sistema rho-rho (DME/DME), solo que en vez de utilizar los rangos absolutos, utiliza la diferencia entre ellos. Así, aparecen unas líneas de posición (LOP) que son hipérbolas. De ahí que se conozca al LORAN C como un sistema de método hiperbólico.

GPS

El sistema de posicionamiento global, tan utilizado últimamente por los conductores de coches para llegar a los sitios sin acudir a los engorrosos mapas de carretera, también se utiliza para los aviones, aunque menos de lo que se podría pensar. Aún siendo un sistema muy efectivo, tiene un grave inconveniente: al ser de origen militar, es imposible asegurar que el sistema esté funcionando siempre, y por tanto, no se puede depender únicamente de él. De ahí que se esté creando el sistema GALILEO en Europa, que será civil y no tendrá ese grave inconveniente. De ahí que no se pueda utilizar el GPS como sistema de navegación primario si no se asegura que en caso de fallo de éste habrá otro sistema (ya sean VOR/DME, DME/DME, etc.) que pueda sustituirlo de forma eficaz. Este tema se trato ya hace tiempo en Surcando Los cielos, dónde tratamos el presente y futuro del sistema EGNOS que utilizará Galileo.

Agradecer a Víctor nuevamente por la cesión de sus trabajos durante su tercer año de Ing Aeronáutica

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La primera caja negra data de 1956 por el australiano Dr. David Warren tras una serie de fatídicos accidentes con el De Havilland DH106 Comet. El doctor estuvo implicado en las investigaciones sobre los siniestros acometidos en 1954 y que no habían sobrevivido ningún miembro de la tripulación. Muchos misterios rodeaban los accidente y se le ocurrió que con algún tipo de artilugio grabando algunos datos sería más fácil resolver los accidentes.

La primera cuestión que se nos viene a la cabeza es el por qué de llevar una caja negra. A esto tenemos una respuesta rápida, y es en efecto la funcionalidad básica de una caja negra. En caso de accidente, la caja negra ayudará a esclarecer las causas del accidente, así como posibles soluciones a los problemas destapados por los datos que nos indique. ¿Cómo puede ayudarnos a conocer las causas de un siniestro? La caja negra registrará todos los datos del vuelo, así como funcionamiento y anomalías de los sistemas principales del avión y las grabaciones en cabina de los pilotos y ocupantes en ese momento (pues más de un accidente ha sido causado por alguna otra persona en cabina haciendo lo que no debía). Para todo ello, el sistema está compuesto por una CVR (Cabin Voice Recorder) encargada de grabar las voces y de la FDR (Flight Data Recorder) encargada de recopilar la información que crearán la llamada caja negra.

FDR fuente: NTSB

La FDR funciona registrando entre 18 a más de 1000 parámetros de vuelo, dependiendo del avión. Estos son tales como velocidad, rumbo, altitud, parámetros del motor, estado del tren de aterrizaje, sistema hidráulico,…Para ello emplea un sistema eléctrico que consta de un sistema de plaquetas que detecta automáticamente la configuración de avión y procesan las señales que le llegan de los distintos sensores. La grabación de todo esto se hace de forma digital siguiendo la normativa ARINC para luego poder ser procesado por ordenador. Esta se almacena en una cinta de 118 metros de largo que mediante un motor de poleas graba en ambos sentidos. La FDR imprime la información en la cinta, que gracias al motor va avanzando y retrocediendo; así comprueba la exactitud de los datos grabados. Cuando llega al final, invierte el sentido y sobreescribe la cinta empezando de nuevo por el principio como si de un cassette se tratase. En total, debe poder almacenar 25 horas seguidas de datos de vuelo. 

Ahora, no obstante, en lugar de utilizar una cinta física, utilizan circuitos integrados y chips electrónicos dónde se almacena esta información y que son llamados de estado sólido. 

CVR fuente: NTSB

La CVR como hemos comentado antes, registra las conversaciones de los pilotos, así como el sonido ambiente de la cabina y las comunicaciones que se hacen a través de los micrófonos del avión. El ruido ambiente se capta mediante un micrófono situado normalmente en el panel superior (overhead) y entre ambos pilotos. Así pues se pueden captar las conversas entre pilotos, el ruido de los motors, warnings que pueda dar el avión, así como otros ruidos como la extensión o retracción del tren de aterrizaje y otros clicks y pops que se puedan dar en cabina. Tan importante es esta información que las grabaciones de la CVR no pueden ser borradas a no ser que el avión esté en tierra, motores apagados y con el freno de estacionamiento puesto. Para grabarlo se utiliza una cinta magnetofónica que graba los 30 últimos minutos de conversación sin interrupción. Lo logra dado que la cinta pasa por tres cabecales: el de borrado para poder sobreescribir los datos, el de grabado y el de reproducción. 

Actualmente, los aviones ya no poseen de una cinta magnetofónica y en su lugar utilizan una memória flash (parecida a la de nuestro pen drive) y que registran 2 horas de grabación en cabina. 

Las características de la caja negra están especificadas en el Anexo 6 de ICAO y cuyos requisitos mínimos dictados por la FAA los podéis encontrar aquí. Se sitúan en la parte posterior del avión (aquí la podemos ver en un 747), por ser según estadísticas, la parte menos dañada estructuralmente en accidentes aéreos. Fabricadas comúnmente de Titanio y recubiertas de un aislante especial, las características más importantes son que puede aguantar un impacto durante 6,5 milisegundos de 3600Gs (36000 veces la fuerza de la gravedad, que para que te hagas una idea, es sentir 3600 veces el peso de tu cuerpo [en la tierra]  impactando sobre ti). Aguanta 2600kg sobre suyo,  debe permanecer inerte durante 30 minutos temperaturas de 1100º y que pueden sumergirse hasta 6000 metros de profundidad bajo el agua, aguantando grandes presiones, sin sufrir ningún tipo de daño durante 36 horas. Además todas ellas llevan un localizador de emeregencia que trabaja a 37,5 KHz para su rápida localización y con una batería de 6 años de vida útil.

En un futuro, y según como recomienda la NTSB, se añadirán en las cabina cámaras que guardarán las imágenes para un uso parecido a las CVR y así tener otro punto de vista. Así mismo, se recomendará a las avionetas ligeras que no están obligadas a llevar Caja Negra (como el accidente ocurrido hace poco de una Pilatus)  a instalar un sistema de grabación de imágenes de cabina que monitoricen los instrumentos de navegación, así como los pilotos, sus voces, ruidos en cabina,… para intentar dar luz a estos accidentes. Este sistema costaría 8000$ y tendría un aspecto similar a las actuales CVR y FDR

En el caso de la familia Airbus A320, estos van equipados un una DFDR (Digital Flight Data Recorder) y una CVR digitalizadas. El panel de test y activación de la CVR se sitúan en el Overhead del avión como podemos observar en la foto inferior. Algunos detalles de su uso son que mientras que el avión está parado debemos apretar el botón de GND CTRL para que funcione correctamente y evitar que nos de un error en la ECAM del avión. Una vez le damos se enciende de color azul el botón de ON. Encendido uno de los motores, se colocará en estado AUTO y registrará todo las conversas de los pilotos hasta 5 minutos después que se apaguen los motores. También podemos observar el boton de borrado de la memória y el de test. 

Además, mediante el botón DFDR EVENT situado en la parte inferior derecha del pedestal se puede dejar constancia en la caja negra de un evento significativo. Así como el AIDS PRINT también relaciona los datos de la caja negra y se imprimen en la impresosa del avión para que los equipos de mantenimiento tengan una mayor información a la hora de hacer revisiones a los aviones y poder hacer actuaciones puntuales para corregir ciertos desvios de los parámetros normales del avión.

Autor: Wanthuyr Filho

PD: Como me pediste Carlos, espero que te des por satisfecho jeje

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Radar Secundario – SSR (Secondary Surveillance Radar)

Los radares de vigilancia secundarios son aquellos que necesitan la “colaboración” del blanco para poder detectarlo. Por ejemplo, en los radares destinados al control de tráfico aéreo, los primarios serían aquellos que pueden detectar la posición del avión sin ayuda del propio avión. Sin embargo, los secundarios necesitan obligatoriamente que la aeronave responda a la “pregunta” que emite el radar.

En el gráfico anterior podemos ver que, en el PSR, el radar emite una señal y esta rebota con la aeronave, regresando así al radar y procesando la señal para saber su posición. Aquí, el avión no ha emitido por si solo ninguna señal, lo ha hecho todo el radar. El SSR, sin embargo, emite una señal y el avión recibe esa señal, la detecta, la procesa, y es entonces el propio avión el que emite una señal nueva en forma de respuesta a la señal recibida, enviando la información que el radar le ha pedido (y que antes la ha calculado el propio avión por sus propios métodos). Suele emitir la señal de la altura a la que está, la velocidad, el código de identificación de la aeronave, etc.

Los radares SSR funcionan de la siguiente forma:

1.    La estación del radar modula los pulsos a la frecuencia de trabajo y los emite.

2.    El receptor de la aeronave amplifica la señal y la demodula.

3.    El descodificador extrae la información y prepara el codificador para enviar una respuesta según la información recibida.

4.    El codificador codifica la respuesta y el transmisor de la aeronave lo envía a la frecuencia de respuesta.

5.    El receptor en tierra amplifica la señal recibida, la demodula y elimina las interferencias.

6.    El descodificador, finalmente, procesa la información y la muestra en el indicador.

Los radares SSR y PSR tienen ciertas ventajas y desventajas el uno sobre el otro. La siguiente tabla muestra las diferencias principales entre uno y otro:

Generalmente se utiliza una combinación de ambos radares y se muestran los resultados en una misma pantalla. Los radares secundarios tienen también un problema añadido, y es que es necesaria dos transmisiones y dos recepciones con éxito, con lo que la probabilidad de error es mayor, pero también esas transmisiones requieren mucha menos potencia, ya que hacen un trayecto más corto.

No se puede decir que tipo de radar es mejor, ya que ambos son complementarios y en la actualidad se utiliza una combinación de ambos para las diferentes tareas de control aéreo. Además, se está intentando sustituir estos tipos de sistemas de control por otros más modernos y complejos, y mucho más precisos, como son el GPS, el sistema Galileo, etc.

Frecuencia de trabajo de los radares.

Los radares se usas actualmente para infinidad de cosas, y no todo son aviones en su uso. Gracias a ellos sabemos cuando se acercan chubascos, la topografía del terreno, etc… Para todos esos usos, hay una frecuencia de trabajo en que el radar trabaja mejor para cada situación, y como todo en este mundo, nosotros muy listos le hemos puesto nombre a cada uno de esos radares para diferenciarlos rapidamente y saber su frecuencia de trabajo y utilidad principal. Ahí van los existentes actualmente:

• HF: 3 – 30MHz, 10 -100m. Son los que se utilizan para la vigilancia costera, OTH (over-the-horizon).
• P: < 300MHz, 1m.
• VHF: 50 – 330MHz, 0.9 – 6m. Very High Frecuency, tiene un muy largo alcance y puede penetrar en el terreno
• UHF: 300 – 1000MHz, 0.3 – 1m. Ultra High Frecuency, tiene un muy largo alcance, penetra en el terreno y la vegetación.
• L: 1 – 2GHz, 15 – 30cm. Alcance largo, se utiliza para el control del tráfico aéreo.
• S: 2 – 4GHz, 7.4 – 15cm. Largo alcance para las condiciones meteorológicas, radar marino. También se utiliza para control aéreo entre terminales.
• C: 4 – 8GHz, 3.75 – 7.5cm. Seguimiento a muy largas distancias, radar meteorológico. También se utiliza en los transpondedores de los satélites.
• X: 8 – 12 GHz, 2.5 – 3.75 cm. Se utiliza para guía de misiles, para radares marinos y meteorológicos. Se llama X porque esta frecuencia fue secreta durante la 2ª Guerra Mundial.
• Ku: 12 – 18 GHz, 1.67 – 2.5cm. Se utiliza para cartografía de alta resolución, y como altímetro para los satélites.
• K: 18 – 27GHz, 1.11 – 1.67cm. Se utiliza en meteorología para detectar nubes, ya que la absorbe el vapor de agua. También lo utiliza la policía para comprobar la velocidad de los vehículos.
  
• Ka: 27 – 40GHz, 0.75 – 1.11cm. Corto alcance, se utilizan para cartografía de alta resolución, para vigilancia en aeropuertos y para fotografiar las matriculas de los coches que se saltan los semáforos.
  
• Q: 40 – 60 GHz, 7.5 – 5mm. Comunicaciones Militares.
  
• V: 50 – 75GHz, 6 – 4mm. Banda absorbida por la atmósfera.
  
• W: 75 – 110GHz, 2.7 – 4mm. Se utiliza para meteorología de alta resolución y tratamiento de imágenes.

Acabamos los Radares, pero si os interesa aún más el tema, os recomendamos el siguiente libro:
Merril I. Skolnik, Introduction to Radar Systems. Third Edition, 2001

Un saludo para Víctor, que sin él, estos 3 post sobre radares serían mucho menos que nada. Gracias por enésima vez jeje

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Aunque lo suyo sería entrar en la base matemática (y que a mi personalmente me apasiona!! jaja) no creo que sea de un interés general, así que creo que optare por algo más llano y placentero

Clasificación de Radares

Como vemos en este gráfico, podemos clasificar los radares en dos grupos, los primarios (PSR) y los secundarios (SSR).

Los primarios son los más conocidos, trabajan con ecos pasivos. La señal emitida es reflejada por el blanco y recibida por la misma unidad de radar, no existe ninguna otra señal emitida. Este grupo se puede clasificar según el tipo de onda enviada:

• Onda continua: Radar de efecto Doppler (CW), radar de onda continua modulada (FM-CW)

• Por pulsos: Radar de efecto Doppler pulsado, radar de compresión de pulsos, radar MTI (Moving Target Indication), radar de frecuencia ágil.

Los secundarios trabajan con señales de respuesta activas. La señal que envía no es solo reflectada, sino también es respondida por el blanco por medio de un “transponder” que recibe, procesa la señal y envía una respuesta a diferente frecuencia.

Radares Primarios – PSR (Primary Surveillance Radar)

Los radares de vigilancia primarios son aquellos que realizan su función sin ayudad de elementos externos. Son los radares principales ya que detectan los blancos que hay en el espacio sin necesidad de que estos emitan ninguna señal, ya que funcionan mediante un pulso que rebota en el objeto y vuelve al radar.

El radar pulsado

Es el más básico que existe. El radar emite un pulso y cuando este encuentra un blanco, rebota con el propio blanco y vuelve al radar, avisando así de que hay un objeto en el aire. Este radar por sí solo únicamente puede detectar si hay un blanco y la distancia que hay a ese blanco.

Radar de efecto Doppler

Son radares que utilizan el efecto Doppler para medir la velocidad de un objeto en movimiento. Envían una señal a una frecuencia determinada (f_s) y analizan la frecuencia recibida por el eco en el objeto. Si hay variaciones en la frecuencia recibida respecto a la emitida (f_s+f_d), será debido a que el objeto esta en movimiento  y se podrá medir su velocidad.

Hay diferentes tipos de radares con efecto Doppler, se clasifican según el tipo de onda que emiten. Podemos encontrar el Doppler pulsado, el de onda continua (CW) y el de onda continua modulada en frecuencia (FM-CW).

• Doppler Pulsado: Proporcionan una información exacta de la velocidad radial del objeto. Se basa en el hecho de que los blancos que se mueven a una velocidad radial diferente a cero provocarán un cambio de frecuencia entre la señal emitida y el eco recibido. La velocidad del blanco puede ser determinada mediante la media del cambio de frecuencia del paquete de pulsos de la portadora.

• De onda continua (CW): Estos radares, como su nombre indica, emiten señales de manera continua. Solo pueden medir la velocidad del objeto, midiendo la variación de frecuencia entre la emitida y la recibida.

• De onda continua modulada (FM-CW): Proporcionan la distancia y la velocidad del objeto. La comparación de frecuencia entre dos señales es más precisa que la comparación en tiempo. Lo que se hacer es ir variando de forma constante en el tiempo la frecuencia a la que se emite la señal así cuando llegue el eco su frecuencia será diferente y comparándola se podrá saber cuánto tiempo a transcurrido y por tanto la distancia a la que se encuentra el blanco.

Radar MTI (Moving target Indicator)

Los radares MTI tienen como peculiaridad que solo pueden distinguir objetos en movimiento. Esto tiene ventajas o desventajas, según la aplicación que se le quiera dar. Por ejemplo, para radares de control de tráfico aéreo son perfectos pues eliminan los clutters (objetos que están fijos en un sitio, como puede ser un edificio o una montaña).

Todo esto funciona gracias a un tipo de filtro llamado filtro doppler (DLC o Delay line canceller). La función principal de este filtro es comparar dos señales recibida en diferentes periodos de tiempo, para diferenciar cuando algo es blanco o cuando es un clutter.

Quizás, la parte negativa de este filtro sería que necesita como mínimo dos señales diferentes para funcionar. El filtro recibe una primera señal que pasa por los dos posibles caminos, habiendo uno que lo retrasa un período T. Así, cuando la segunda señal llega, pasa por el de abajo y se compara con la primera que ha sido retrasada. Se restan las dos señales y de ahí se puede extraer si un objeto es blanco o no.

Radares de seguimiento

Los radares de seguimiento se diferencian con los radares anteriormente explicados en que son capaces de seguir la trayectoria de un objeto. Es decir, los anteriores radares eran capaces de detectar un blanco, calcular el rango (la distancia al blanco) y eran capaces de distinguir entre blancos móviles y fijos. Pues este tipo de radar aparte de poder hacer eso, son capaces de detectar la trayectoria de un objeto y seguir a ese objeto. Su uso es muy importante para conocer las trayectorias de objetos como pueden ser misiles o aviones militares enemigos.

Los principales tipos de radar de seguimiento son los siguientes:

• STT (single-target tracker)

Diseñados para seguir continuamente un único blanco a un ratio de datos relativamente rápido (high data rate). Generalmente esto depende de la aplicación, pero 10 observaciones por segundo (10 vueltas completas) como hace este tipo de radares suele ser un típico radar de control de misiles guiados, aunque en general se suele utilizar para blancos que se mueven muy rápido.

• ADT (Automatic Detection & Tracking)

Estos radares se utilizan principalmente como parte de la vigilancia aérea. Se encuentran tanto en los controles de tráfico aéreo civil como en los centros de vigilancia aérea militar. Tienen un data rate relativamente bajo en comparación con el anterior, pero tienen la ventaja de ser capaces de seguir varios blancos a la vez. De ahí que se utilice especialmente en sistemas de control aéreo.

• Phase Array Tracking

La peculiaridad de este tipo de radares es que está formado por un conjunto de antenas funcionando a un high data rate. Se podría decir que es una mezcla de los dos anteriores radares, pues pueden seguir objetos que van muy rápido y además pueden seguir varios objetos a la vez. Su función principal suele ser sistemas de defensa aérea.

• TWS (Track-While-Scanning)

Es un tipo de radar un poco anticuado ya, pues tiene un data rate moderado y puede seguir un número limitado de blancos. También de aplicaciones militares normalmente, antiguamente se solía llamar como los ya explicados ADT.

Mañana, la última parte de esta saga sobre Radares, patrocinada por la inestimable ayuda de Víctor

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Los orígenes

Comenzaremos con un poco de historia, de este curioso aparato que estuvo ahí desde hace mucho tiempo pero que nadie le dio importancia.

El científico alemán Heinrich Hertz con sus experimentos en 1888, demostró que las ondas de radio se comportaban igual que la luz, solo que con una diferencia considerable de frecuencia. Estas ondas podían ser reflectadas de los objetos metálicos y refractadas por un prisma dieléctrico. Esto era fundamental para entender el radar.

No fue hasta principios de 1900 cuando Christian Hulsmeyer, un científico alemán, inventó un aparato que hoy en día sería conocido como un radar pulsado monoestático (lo veremos en un futuro post). Un aparato que patentó e intentó venderlo a compañías de comercio marítimo como aparato para evitar colisiones entre barcos. Pero no tuvo mucho éxito y cayó en el olvido.

El redescubrimiento del radar fue a principios de 1920, cuando los científicos del “US Naval Research Laboratory”, Albert Taylor y Leo Young notaron que un barco interfería con las señales de sus experimentos al cruzar la línea entre el receptor y el transmisor del sistema de comunicaciones. Así demostraron el primer radar de onda continua (CW) con antenas de transmisión y recepción separadas. Pero los científicos se dieron cuenta que para que el invento tuviese éxito, el receptor y el transmisor tendrían que estar en el mismo lado y el radar tenía que ser pulsado. En Pearl Harbour (1941) tuvieron mucha importancia estos radares.

Fuente: Radar World

Igual que Estados Unidos; el Reino Unido, Alemania, URSS, Francia, Italia, Japón y Holanda también crearon sus propios radares, sobretodo durante la 2ª Guerra Mundial. El Reino Unido construyó en 1939 un radar de 200MHz capaz de interceptar aviones especialmente de noche y en condiciones de mala visibilidad. Pero el gran avance llegó un año después con el invento de un magnetrón de alta potencia de microondas. Esto sirvió para utilizar frecuencias muy altas en el radar.

Después del gran avance tecnológico de la 2ª Guerra Mundial se ha ido evolucionando en este campo obteniendo radares tan precisos como por ejemplo el NSSL, radar meteorológico de alta precisión.

Funcionamiento básico del Radar

El radar es un sistema electromagnético utilizado para la detección y la localización de objetos reflectantes como por ejemplo aviones. Funciona mediante el envío de una señal electromagnética al espacio y la detección de ésta reflectada por el objeto. La señal reflectada que recibe el radar no solo nos indica la presencia del objeto. Comparando la señal recibida con la transmitida por el radar, podemos determinar su posición, velocidad en caso de que se mueva, dirección de movimiento, etc. Sirve tanto para distancias largas o cortas y puede utilizarse tanto en la oscuridad, como con niebla, lluvia y nieve. La capacidad de medir distancias con gran precisión y la de poder trabajar bajo condiciones climáticas muy duras es uno de sus mejores atributos.

El funcionamiento es el siguiente:

1. Un transmisor genera una señal electromagnética que es emitida al espacio mediante una antena.



2. Una parte de la energía transmitida es interceptada por el objeto y reflectada a todas direcciones.



3. La energía reflectada en dirección al radar es recogida por la antena, la cual se lo envía al receptor.



4. Una vez en el receptor, la señal será procesada para detectar la presencia del objeto y determinar su posición, distancia.

La distancia al objetivo se determina calculando el tiempo en que tarda la señal en viajar hasta el objeto y volver al radar. La posición angular del objeto se determina simplemente mirando hacia donde apunta la antena cuando la señal recibida tiene su máxima amplitud. Si el objeto esta en movimiento, habrá un cambio de frecuencia en la señal recibida debido al efecto Doppler, este cambio de frecuencia es proporcional a su velocidad radial (es decir la velocidad relativa al radar). Aunque los radares modernos pueden dar más información a parte de medir la distancia al objeto, ésta función sigue siendo la más importante.

Hoy en día no hay ningún aparato tecnológico capaz de medir tan largas distancias con tal precisión, ya sea en clima despejado como adverso, como el radar.

Material facilitado por mi amigo Víctor, estudiante de Ing. Aeronáutica. Gracias chavalote

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