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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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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En casos de emergencia en salida de aeropuertos, el avión debe ser capaz de aterrizar casi con la misma configuración que despegó. Por lo tanto, aviones de bajo/medio alcance no tienen problemas al tener que aterrizar con todo el combustible que llevaban (que relativamente es poco). En cambio, los heavies, al llevar mucho combustible (rutas largas) no son capaces, operativamente hablando, de aterrizar con ese peso. Por lo tanto, siguiendo la normativa JAR 25.1001, esos aviones deben llevar a bordo un sistema de vaciado de combustible. Esta determinado que en 15 minutos la aeronave debe haber vaciado suficiente combustible para mantener un gradiente de ascenso de 3,2% en configuración de aterrizaje a 1,15 veces la velocidad de pérdida. Como ejemplo, el B727 expulsa unos 1060 kg de combustible por minuto, con todas las bombas operativas. Las bocas de salida de combustible se producen en el extremo de las alas, para no ocasionar ningún daño al avión.

Fuente: Wikimedia

Aunque este procedimiento puede parecer muy perjudicial para el medio ambiente, la poca frecuencia en la que se lleva a cabo, el poco combustible que se pulveriza y las condiciones en las que se procede, hace que esta práctica no esté muy criticada por otros sectores. Siempre que es posible, el fuel jettison se procede sobre el mar.

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Al inicio de la aviación comercial, en ausencia de una reglamentación que permitiera aeropuertos alternativos a más de 60 minutos, las aerolíneas empezaron a presionar para una modificación, para así poder operar rutas trasatlánticas con bimotores. En ese caso, OACI y la FAA procedieron a modificar esa reglamentación, y crear un tipo de autorización, que permitiera a ciertas aeronaves volar rutas excediendo ese tiempo límite de 60 minutos. Hoy en día, existen diferentes autorizaciones ETOPS según diferentes parámetros. Estos parámetros agrupaban la fiabilidad de motores y sistemas, entrenamiento de tripulaciones, mantenimiento, etc…

B757 certificado como ETOPS –  © Andrés Meneses

Aquí están las diferentes autorizaciones expedidas hoy en día para una aeronave:

• ETOPS-75
• ETOPS-90
• ETOPS-120/138 (138 minutos es un 15% más a 120 minutos, para aprovechar una zona del atlántico que no tenía cobertura con 120 minutos)
• ETOPS-180/207

Una autorización ETOPS es gradual. Eso significa que para llegar a la ETOPS-120 (minutos) la aeronave debe haber sido autorizada a ETOPS-75 (se realizan 200 sectores con fiabilidad del 98%), luego ETOPS-90 (300 sectores con fiabilidad de 98%) y finalmente ETOPS-120. Por ejemplo, para cumplir el certificado de 120 minutos (ETOPS-120), se requieren menos de 0,05 por mil paradas de motor en vuelo (in-flight shut-down). Eso significaría que cada 20000 vuelos, solo se acepta una apagada de un motor en vuelo (obviamente un avión no llega a 20000 vuelos de esas características).

En la aplicación Great Circle Mapper podéis calcular para cada ETOPS su rango máximo desde tierra firme.

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Para hacer la explicación más amena, usaremos el ACAP de Boeing 747-400 como ejemplo para distinguir las diferentes partes y sus explicaciones. El ACAP consiste en 6 secciones principales las cuales explicaré a continuación.

1.- AIRPLANE DESCRIPTION: Describe toda la aeronave refiriéndose a dimensiones tanto exteriores (tamaño, distancia entre ruedas, entre suelo y alas, etc…) como interiores (zonas de carga, cabina, configuración de asientos, etc…). También define todos los pesos operativos (MTOW, MZFW, MLW, etc…) para cada modelo y motorización.

Diagrama de distribución de puertas de embarque de un B747-400 que permite diseñar las pasarelas adecuadas.

2.- PERFORMANCE: Muestra, en forma de gráficas, todas las actuaciones de la aeronave que intervienen en el diseño aeroportuario. Las dos gráficas más importantes son la de carga de pago/alcance y la de distancia de despegue. La primera de ellas, relaciona el alcance máximo para una determinada carga. La segunda relaciona el peso de la aeronave en despegue (TOW) con la distancia necesaria para el despegue en diferentes condiciones (que no hay que confundir con la distancia de la pista, que es mayor).

Diagrama relacionando peso de la aeronave en despegue con la distancia de despegue.

3.- GROUND MANEUVERING: Indica que parámetros se necesitan para el movimiento de la aeronave en tierra de una forma segura. En ello se puede encontrar los radios de giro (con sus distancias), la visibilidad desde cabina y los recorridos al virar en las calles de rodaje.

Recorrido del tren delantero (línea roja) y tren trasero (línea azul) en un giro de 135º.

4.- TERMINAL SERVICING: Nos define como debe ser la asistencia de la aeronave en terminal (handling). Para ello el ACAP te da información estándar sobre tiempos de rotación (desglosados en los diferentes equipos de handling), procedimientos de asistencia en tierra como el retroceso y las fuentes de energía que debe disponer.

Distribución de las diferentes tomas y controles de la aeronave para el servicio en tierra.

5.- JET ENGINE WAKE AND NOISE DATA: Parametriza el ruido y el “chorro” de los motores en tablas. Su utilidad básica es la de evitar, en el diseño, emplazar objetos o personas que puedan salir perjudicadas tanto del ruido como de los gases de los motores.

Esquema de velocidades de los gases de los motores a reacción (en este caso, empuje de despegue)

6.- PAVEMENT DATA:

Detalla las fuerzas ejercidas por el avión sobre el pavimento. Eso condiciona el tipo de pavimento el cual el avión puede rodar (hormigón, asfalto, etc…). Usualmente los datos de los cuales se disponen son presiones en los trenes de aterrizaje, traza de los trenes, etc…

Al final de cada ACAP, la empresa constructora de la aeronave nos informa de las próximas versiones que saldrán al mercado, así como unos planos de los aviones a escala.

Los ACAP de Boeing son públicos y se pueden encontrar para todos los modelos en la página web de Boeing. Airbus optó por una política de más privacidad y no tenemos acceso a ellos.

Por favor, al ser este tema bastante técnico, no dudéis en preguntar cualquier duda que os surge o de cosas que no entendáis (no todo es fácil de entender).

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Empecemos dejando claro a qué nos referimos a asistencia de una aeronave en un aeropuerto. Por ello entenderemos el conjunto de operaciones y servicios que se realizan a la aeronave situada en su posición de estacionamiento desde la puesta de calzos hasta el movimiento autónomo de la aeronave, o lo que es lo mismo, desde que llega al aeropuerto y se calza, hasta que rueda por sus propios medios.

También es de esperar que la asistencia varie dependiendo del tipo de aeropuerto, del tipo de parking ( remoto o con finger) y de la aeronave a la que se le pretenda asistir (no es lo mismo un 747, que un 320 o un cessna C172)

Si concretamos más, los servicios que engloban la asistencia a las aeronaves los podemos detallar de la siguiente manera:

• Desembarque de pasajeros y tripulaciones y acceso del personal de asistencia
• Descarga de equipajes y mercancías
• Suministro de energía eléctrica y aire acondicionado
• Limpieza de la aeronave
• Retirada de los residuos sólidos y de las aguas residuales
• Suministro de agua potable
• Mantenimiento y reparaciones del avión
• Suministro de comidas, prensa, etc
• Carga de combustible
• Embarque de pasajeros y tripulación
• Carga de equipajes y mercancías
• Grupo neumático (solamente en caso de avería de los equipos del avión)
• Tractor de empuje para salida del avión

Para todo ello es necesario un material (tanto humano como mecánico) que debe estar perfectamente dispuesto con tal de aumentar al máximo la productividad y la seguridad de la operación. Hay un montón de criterios, pero algunos de los más básicos y evidentes a su vez son los de colocar los vehículos de baja movilidad (como escaleras, tractores de pushback, …) estarán dispuestos en las inmediaciones del stand, mientras que vehículos más ágiles se encontrarán en áreas libres de plataforma.

Así pues, cada zona del parking tiene sus particularidades.

ERA/ASA. Área de restricción de equipos. Cuando la aeronave se aproxima debe
estar despejada de los equipos que no sean imprescindibles para la maniobra hasta
que la aeronave esté detenida, los motores apagados, las luces anticolisión de la
aeronave estén apagadas y los calzos estén colocados.
ESA. Área de espera de equipos. Todas las posiciones deben disponer este tipo de
zonas con objeto de que la atención a la aeronave sea inmediata
EPA. Área de estacionamiento de equipos. Estas áreas deben dar servicio a un
grupo de aeronaves. Se encuentran los equipos en reposo con acceso a las vías de
servicio en plataforma. El objetivo es de disponer de estas áreas dispersas por
plataforma, evitando desplazamiento largos de los equipos y personal.
NPA. Área de prohibición de estacionamiento de equipos. En estas áreas no se
pueden estacionar equipos debido al barrido que realiza la pasarela. No existen
normalmente en plataforma.

Actualización:

Aquí podéis ver el esquema que os comentaba, cada cosa a su sitio. En este caso el del 747-400/ER publicado en la web de Boeing, Airport Technology

Poco a poco vamos a ir siguiendo esta serie referente a aeropuertos, que sin mi amigo Andreu no sería posible. De ahora en adelante (y si se anima) lo veremos por aquí posteando también.

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