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

Por Victor De Los Santos

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.

Por Victor De Los Santos

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

Los aviones comerciales de hoy en día, ya no vuelan con cables de acero moviendo los alerones. Ahora todo se gestiona digitalmente, desde las órdenes del piloto hasta el movimiento de las superficies de control. Este sistema de gestión se llama Fly-by-Wire.

El fly-by-wire (volar por cables) consta de varios ordenadores (5 en los Airbus, 3 primarios y 2 secundarios) que leen la señal que envía el piloto con el sidestick, lo interpreta, y envía una señal modificada a la original hacia los controles. Esto implica que los movimientos de la aeronave no se corresponderán directamente con los movimientos del piloto. Esta filosofía chocó mucho entre pilotos, ya que no se podían imaginar mover un timón de dirección sin un cable, directamente. Al final, se ha demostrado de que este sistema es mucho más eficiente, seguro, y más versátil.

Airbus fue la primera en adoptar este sistema en sus aeronaves (A320 fue la primera) y creó un conjunto de leyes que regirían el Fly-by-wire. Son 4 leyes, ley normal, alternativa, directa y mecánica, según el grado del problema que esté sufriendo el avión.

• Ley Normal: Activa en operación normal. Controla los tres ejes del avión (cabeceo, alabeo y giñada), equilibrando el avión e interpretando los movimientos que el piloto quiere hacer en todo momento. Además, ofrece protecciones en vuelo (en alabeo y en actitud de cabeceo) y alivia el avión de cargas, como la gravedad en giros para un mayor confort.
• Ley Alternativa: Si un fallo leve existe (desacuerdo entre sensores, fallo de un ordenador, desajuste en sistemas hidráulicos, etc) esta ley es activada. Básicamente proporciona el mismo control que la ley normal, pero sin las protecciones. Asimismo, el alabeo pasa a ser igual que en ley directa.
• Ley Directa: Si un fallo grave existe (fallo de radio-altímetro en aproximación, fallo en los 3 sistemas inerciales, etc) esta ley es activada. Así pues, los movimientos del sidestick del piloto se corresponderán con los movimientos de las superficies de control, no existirá auto-compensación, como tampoco existirá ninguna protección esencial (como el alpha-floor para la pérdida).
• Mecánica: Es un respaldo mecánico en caso de pérdida total del sistema eléctrico o del fly-by-wire (alimentado eléctricamente). Entonces, el avión solo se controlará con el compensador para el cabeceo, y los pedales para los virajes.