Frequently Asked Questions (VII) La navegación aérea del futuro

Muchas veces hablando con familiares y amigos surge el tema de la navegación, y cuando les comento que actualmente la navegación aérea se basa en radioayudas terrestres se quedan sorprendidos. Creen, que al igual que los coches hoy en día, los aviones van guiados por GPS. No están diciendo un disparate, pues ya se está investigando sobre ello, y en Japón y Estados Unidos ya existe una infraestructura estable y fiable para tal propósito. Para tratar de explicar la navegación aérea por GPS me basare en el sistema europeo EGNOS.

fuente. ESA

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) es el sistema que adoptará, si todo va bien, la Unión Europea como sistema de navegación aérea en un futuro no tan lejano. Su funcionamiento mediante satélites, redundancias y precisiones es de lo más ingenioso. Partimos de la red actual de GPS y Glonass (el GPS de origen Ruso), el problema principal de estos dos sistemas es que son de origen militar, y si bien para un uso militar tienen precisiones elevadas, no es el caso del canal para uso civil. Por esa razón no nos podemos basar en esos sistemas solos, pues no nos garantizan unos mínimos de seguridad, ni continuidad ni diponibilidad. Para ello hay tres satélites geoestacionarios (los GPS, Galileo y Glonass son de órbita MEO) que sirven como complemento enviando una señal parecida a los sistemas mencionados anteriormente para así poder ofrecer más seguridad operacional.

zona cubierta por los tres satelites que forman EGNOS. Fuente

Estas señales de los tres sistemas se recibe en una de las 34 estaciones terrestres de monitorización situadas alrededor del mundo llamadas RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations). Estas monitorizan la precisión de la señal del GPS y Glonass comparándolas con los tres satélites del sistema EGNOS. Esta información las envían a una de las 3 estaciones MMC (Master Control Center). En estas estaciones se procesa la señal recibida de las RIMS y se calcula el error de señal de los GPS y Glonass y de las derivadas de las imperfecciones añadidas al pasar a través de la ionosfera. Una vez calculados los errores ya podemos suministrar datos fiables y seguros para los aviones. Eso se hace a través de 6 estaciones up-link de enlace con los satélites EGNOS llamadas NLES. Una vez llegada la señal al satélite del sistema, este subministra al receptor situado en el avión una señal con un índice de precisión que puede ser consultado por el piloto y así poder evaluar si puede guiarse o no por el sistema vía satélite mediante un sistema de recepción EGNOS.

Uno de los satelites que forman ENGOS, Inmarsat-3 (AOR-E) . Fuente: Wikipedia

Una vez establecido y probado EGNOS, este formará parte de la primera fase del Sistema Global de Navegación Mundial (GNSS-1), que engloba el WAAS (Wide Area Augmentation System) norteamericano, y el MSAS (MTSAT Satellite Based Augmentation System) japonés.

Este sistema de alta precisión vía satélite esta cofinanciado entre la Unión Europea y la Agencia Espacial Europea (ESA) con 100 y 200 millones de euros respectivamente. Dentro de la Unión Europea, España es una parte bien visible del programa, al ser AENA la primera interesada en empezar a utilizar el sistema. Así pues, nos hemos visto beneficiados con la colocación de una de las 4 estaciones MMC (Torrejón, Madrid), con 4 de las 34 estaciones RIMS (Santiago, Málaga, Gran Canaria y Palma de Mallorca) y con una de las 6 estaciones NLES (Torrejón, Madrid).

Actualmente en España, EGNOS está operativo a modo de experimentación. Los experimentos se llevan a cabo en la flota de Air Nostrum, que los equipan con receptores EGNOS para poder probar su exactitud. Tal es el avance en el sistema, que el 25 de Febrero de este año (2008) un Dash 8 de Air Nostrum efectuó 4 aproximaciones a la pista 04 de San Sebastián utilizando el guiado por satélite con éxito. Esa técnica se denomina LPV (Localizer Performance with Vertical guidance) y es muy similar a las actuales radioayudas como el ILS (Instrument Landing Systems) hasta el punto que a los pilotos se les muestra la información como si de un ILS normal se tratara. Esto ofrece enorme ventajas, pues nos ahorramos en formar a los pilotos respecto al nuevo sistema (pues se les presenta igual que el que había anteriormente) y además no es necesaria ninguna infraestructura terrestre, por lo que nos ahorramos enormes gastos de mantenimiento y construcción. Además este sistema podría ser válido para casi todos los aeropuertos, por lo que haría las aproximaciones más seguras.

Actualmente prosiguen los experimentos en ruta, las cuales son más cortas, se ahorra más combustible (y costes operacionales) y se ahorra en mantenimiento de VORs y demás radioayudas.

Como bonus, podéis ver una entrada que salió ya hace algún tiempo en Landing Short de una aproximación RNP (Required Navigation Performance) dónde el uso del sistema EGNOS (aunque no es este, sino un contemporáneo suyo) está al orden del día.



Enlaces relacionados:
Aena
Presentación flash sobre el sistema (muy interesante)
ESA (inglés)
Apuntes de clase.

Frequently Asked Questions (VI)

La entrada de hoy me viene inspirada en la foto que veis debajo de esta linea.

Tal efecto se produjo este sábado durante la Jornada de Puertas Abiertas a Zaragoza, en la última pasada del F-18 si no recuerdo mal. En ese momento hubo gente que aclamó al cielo "¡¡ha roto la barrera del sonido!!" cosa que ya aprovecho para deciros que no es cierta. Si hubiera sido el caso, todos los asistentes estaríamos ahora mismo en el hospital con sordera profunda producida por la onda de choque, entre otros efectos para nuestros órganos internos.

El efecto, muy espectacular por cierto, se llaman comúnmente "cono de vapor" o, más formalmente, Singularidad de Prandtl-Glauert. En su esencia, no deja de ser la formación espontánea de una nube, y como tal, se crea porque la temperatura del aire desciende por debajo de la temperatura del punto de rocío, haciendo que la humedad del aire pase a ser un conjunto de microgotas de agua suspendidas en el aire.
En el caso que nos ocupa se crean más concretamente por un cambio de presión del aire, pues si que es verdad que el avión se mueve a velocidades próximas a la velocidad del sonido, y a esas velocidades justo antes de pasar de Mach 1, el aire crea una onda de choque, haciendo variar la presión del aire, su viscosidad, entre otras características; pero ahí ya entraríamos en teoría de mecánica de fluido, no precisamente fácil de explicar en un blog de estas características.

Esas ondas de choque que se crean a velocidades transónicas e impiden el paso del aire y aumentan la presión a niveles enormes, así pues, el aire se ve comprimido al paso del avión. Esa capa es de milímetros, y justo detrás el aire sufre una descompresión rapidísima para pasar lentamente a la presión ambiente. Todo esto se produce en un proceso adiabático, es decir, el fluido no intercambia calor con su entorno, o lo que es lo mismo, el aire no intercambia calor con el resto de la atmósfera. Debido a esta condición, el aire se ve obligado a enfriarse rápidamente, creándose el cono de vapor que vemos, y cuando avanza a lo largo del avión retoma su presión normal, adquiriendo también su temperatura estándar y desapareciendo el cono.

El cono puede variar mucho en tamaño, o incluso no producirse. Eso es debido al clima en el que nos encontremos. Dependiendo de la humedad relativa en el ambiente y de la temperatura del punto de rocío, llegaremos a ver conos de mayor o menor tamaño

Como curiosidad, en las explosiones atómicas, la seta de la bomba también se puede explicar por la Singularidad de Prandtl-Glauert.

Frequently Asked Questions (V)

Después del artículo que nos envió Jordi sobre el corazón y los efectos de la diferencia de presión en nuestro cuerpo a grandes alturas, creo que es interesante explicar como se presuriza un avión.

Primero de todo debemos saber por qué necesitamos presurizar el avión.

Un avión comercial acostumbra a volar a una altura de 33.000 pies (más o menos dependiendo del tipo de vuelo, tipo de avión, etc...) A estas alturas, unos 10.000 metros, nos encontramos con un clima hostil, con temperaturas que pueden estar muy por debajo de -40ºC, con una densidad de oxígeno muy baja, que nos haría morir por asfixia si nos dejaran flotar por ahí libremente. Los efectos causados por tal falta de aire no son desconocidos y ni mucho menos inofensivos.
Debido a la baja presión parcial del oxígeno, se produce una mala oxigenación de la sangre que médicamente se llama hipoxia hipobárica. Sus síntomas van desde la pérdida parcial de visibilidad, a perdida de conocimiento, fallo respiratorio, coma o la muerte. Para que os hagáis una idea, ya hará 9 años que un learjet 35 mal presurizado acabo estrellado, con sus 5 ocupantes muertos durante el vuelo (+ info aquí). No todos los síntomas de una mala presurización son tan fatales, pues hay otros más comunes cuando un avión desciende o asciende, como dolor en los oídos, o problemas nasales.

Vemos pues, que el sistema de presurización es más importante de lo que puede parecer a priori.
Pero ¿cómo funciona?

Pues su funcionamiento es algo muy simple, que se puede resumir en "introducir o dejar salir aire". Veremos, no obstante, que el sistema está realmente estudiado.

Para empezar la presurización de un avión necesitamos aire para introducir en su casco hermético. El aire para presurizar el avión se obtiene por sangrado de los motores, en una, dos o tres etapas del propio compresor del avión. Esto es así para evitar carencias en el subministramiento neumático de los elementos básicos del avión, en otras palabras, cuando el motor va a pocas RPM, una sola etapa del compresor no puede subministrar suficiente aire comprimido para todo, y se necesita de otro para alcanzar tal objetivo. Pero este aire no es del todo puro así que necesitamos adecuarlo para las necesidades del pasaje. El aire comprimido está muy caliente, a través de los pack o más comúnmente, sistema de aire condicionado, se enfría más o menos dependiendo de las necesidades de los pasajeros. Esto se hace de forma automática mediante un intercambiador de calor, el propio fan del motor y un deshumificador. Mediante un juego de válvulas, de deja pasar más aire frio o caliente y así obtenemos la temperatura deseada. Ya casi esta presurizado, ahora solo hace falta llenarlo de aire, y como he dicho antes, es hermético (en realidad, es casi hermético) dentro se consigue una presión cómoda para los pasajeros. El aire, no obstante, es algo pobre, y por eso en viajes muy largos nos podemos sentir cansados durante el vuelo, aún no habiendo realizado un esfuerzo físico aparente. Pero cuando se coge demasiada presión, el avión puede estallar. Por ello hay una válvula de escape, llamada Outflow valve que regula la presión, dejando salir aire si es necesario. La regulación se hace de forma automática, aunque en casos de un descenso o ascenso muy rápido, los pilotos pueden abrir de manera manual dichas válvulas, pues a veces el sistema automático no responde con la suficiente celeridad.

outflow valve (link de la página)

Así es como mantiene un avión una presión equivalente a unos 7000~10000 pies.

Me ha quedado algo largo, pero espero que lo encontréis interesante.

Frequently Asked Questions (IV)

¿Alguna vez os habéis preguntado (u os han preguntado) cómo saben los pilotos a la velocidad que van sus aviones?

Tal vez no es la típica pregunta que te hace tu amigo, pero si que tal vez tú te has hecho en alguna ocasión.

Pues esta pregunta tiene fácil respuesta, y se llama tubo Pitot. Henry Pitot fue el inventor del tubito y por suerte para los pilotos de aeronaves, tanto de ala fija como de ala rotatoria, ha existido desde el principio de la aviación.

Actualmente en la mayoría de aviones se utiliza la llamada sonda estática-Pitot y se compone por el tubo Pitot y una toma estática. El tubo Pitot se basa en un principio de la física, y es un sistema muy simple como podemos ver en el esquema.

Mientras que el tubo Pitot se sitúa delante del aeronave, en visión directa al corriente de aire, la toma estática se sitúa en una de las paredes laterales (aunque depende del avión se sitúa en otros lugares) protegida del corriente de aire.

El funcionamiento del sistema es muy sencillo. Por el tubo Pitot entra el corriente de aire derivado del movimiento de la aeronave, esta pues expuesto al aire y por eso se le denomina tubo de impacto, mientras que la toma estática capta la presión ambiental. Ambas tomas van a parar a una cámara equipada con una membrana flexible. Esta membrana se moverá inducida por las presiones que es sometida por ambas partes. Cabe destacar que en la parte donde actúa la presión proveniente del tubo Pitot actúan dos sumandos de fuerza, uno del propio impacto del aire (presión dinámica) y otro de la presión ambiental a la que se desplaza el avión. Esta presión se denomina presión de remanso o presión total. Por la otra parte, proveniente de la toma estática actúa la presión ambiental. Así nos encontramos que en la membrana las fuerzas provenientes de la presión ambiental del aire se anulan, puesto actúan a igual fuerza en cada banda de la membrana, captando esta únicamente la presión dinámica del aire.
Esta membrana a su vez va conectado a un instrumento que detecta dicha presión y lo traduce a una IAS (Indicated Air Speed/ Velocidad del aire indicada) que es mostrada al piloto. Esta velocidad que nos muestra el instrumento no es la velocidad real del avión sino que es la velocidad respecto el viento. Para que esto quede más claro creo que un ejemplo puede ser muy ilustrativo. Si tenemos viento de cara, a parte de la presión producida por el desplazamiento del aire también debemos sumar la presión del viento de cara, así el indicador nos mostrara una velocidad mucho mayor de la velocidad real que llevamos. En cambio si tenemos viento en cola, el tubo solo capta la presión derivada del desplazamiento, obviando el viento de cola, marcando una velocidad algo menor de lo que llevamos.

Otro de los inconvenientes de la IAS es que varía dependiendo de la altitud, puesto que la presión del aire ( y la "cantidad" de aire) que hay a grandes alturas no es la misma que a nivel de mar.

Posteriormente, y gracias al GPS y nuevos sistemas, en los aviones modernos al piloto también se le muestra la TAS (True Air Speed / Velocidad del aire verdadera) y la GS (Ground speed /velocidad en el suelo)

Algunas fotos como esta y esta podemos ver en un cuadrado rojo y circulo plateado la toma estática de los Airbus 320 y rodenando el morro unos "pinchos"que son los tubos Pitot del avión

Frequently Asked Questions (III)

Continuamos con este seguido de artículos sobre aquellas preguntas que nuestros amigos, conocedores de nuestra amplia sabiduría en el mundo aeronáutico, nos hacen de tanto en cuanto y que a veces nos puede pillar por sorpresa

Hoy trataremos el ILS, de sus siglas en inglés Instrumental Landing System. Este sistema, para los que aún no sepan lo que es, se utiliza durante el aterrizaje y permite dejar el avión en el umbral de la pista, listo para que el piloto coja el mando y lo aterrice, incluso muchos de ellos permiten que el avión aterrice solo, como más adelante veremos. Así pues, una frase muy bonita que podéis decir y que vuestros curiosos quedaran asombrados, es que el ILS crea una especia de “pasillo virtual” que guía el avión a un aterrizaje seguro.

Las diversas antenas que forman el sistema ILS dan 4 informaciones esenciales. Las dos más importantes son el Localizador (LOC) y la Glide-Slope (G/S). El primero, se encarga de alinear el avión en el plano horizontal con el eje de pista, mientras que el segundo, en castellano llamado senda de planeo, se encarga de “bajar” el avión para que llegue a la altura necesaria para tomar tierra sin ningún tipo de problema. En el avión, se dibuja una cruz en el horizonte artificial, que recrea muy bien el concepto del ILS. Además del LOC y la G/S, el ILS nos proporciona información DME (Distance Measuring Equipment) que se sintoniza una vez sintonizado el localizador y nos informa de la distancia hasta la pista. Otra información enviada por el ILS son las Radiobalizas, el cuál el ILS tiene :, la exterior (OM) la intermedia (MM) y la interior (IM). Estas dan la información de la posición al avión respecto la aproximación, informando así al piloto si sigue adecuadamente el rumbo de pista, si la altura es la adecuada y para chequeo del material. En la foto podéis ver la antena que da las informaciones de la senda de planeo, y esos tres “conos” blancos se corresponden a las 3 balizas. En esta otra foto podéis observar en la base de la pista justo después del VOR (el circulo a pie de foto) las antenas pequeñas de color rojo que dan la información del LOC.

Cabe mencionar, que el funcionamiento del ILS también va regido a que el piloto esté habilitado para tales procedimientos y que la aeronave disponga de los equipos para interpretar la información de la que lo proviene el sistema ILS.

Dentro de lo que son las aproximaciones de precisión ILS, hay diversas categorías que se rigen por el nivel precisión del sistema, siendo decisivas las distancias uqe el sistema te puede guiar sin tener campo a la vista. Se disponen 3 categorías que en

• CAT I: Permite aterrizajes con una visibilidad mínima de 732m o 549m en caso de que la pista posea luces de APP ILS y un mínimo de techo de nubes de 200 pies.

• CAT II: Permite aterrizajes con una visibilidad mínima de 366m.

• CAT III: Está dividido en:

• CAT III A: Permite aterrizajes con una visibilidad mínima de 200m

• CAT III B: Permite aterrizajes con una visibilidad mínima de 50m

• CAT III C: Categoría sin restricciones meteorológicas. Permite un total aterrizaje en modo automático. (autolanding).

Como ejemplo de CAT III C podéis ver el segundo vídeo que os deje aquí o este que os pongo ahora.



A parte de las aproximaciones de precisión que emplean el ILS, hay otras de no-precisión que utilizan otras radioayudas más sencillas y que por lo tanto son más baratas de mantener. No es necesario que un aeropuerto con poco tráfico disponga de ILS y a veces no sale a cuenta, pues es muy caro de mantener. Para ello hay las aproximaciones empleando VOR o NDB(en inglés) y que dejo la explicación para otra entrada dedicada a las radioayudas a la navegación.

Frequently Asked Questions (II)

Seguimos con esas preguntas que a veces pueden parecer obvias pero que no todo el mundo sabe. La típica pregunta que os preguntan vuestros amigos o familiares como “freaks” de los aviones. Ahora quedareis como unos auténticos ingenieros respondiéndoles esto como respuesta.

¿Qué es eso que le sale de las alas al aterrizar?

Fácil respuesta, esas extensiones que surgen del interior de la estructura alar y que permiten que el avión no caiga a bajas velocidades durante su aproximación son los flaps y los slats. Los primeros, nos sirven para modificar el coeficiente de sustentación y la superficie alar. ¿De qué manera? Pues del interior del ala se extrae una placa que puede ser bajada gradualmente para así complementar el efecto sustentador del ala, que para velocidades bajas, ésta, por si sola, no generaría suficiente sustentación y el avión entraría en pérdida. Analizando el problema, vemos que la velocidad del avión disminuye (obviamente, va a aterrizar) y por lo tanto la fuerza del downwash es menor. Al ser menor disminuye la sustentación. Bajando flaps se hace que la superficie alar aumente y que el ángulo de salida del downwash sea mayor, aumentando así la sustentación. Los más utilizados en la aviación comercial y en grandes reactores son los de tipo ranurados (foto) puesto permiten extender flaps más largos, y al tener ranuras entre fase y fase de flap, permite aligerar la resistencia de estos al paso del aire por el intradós (parte inferior alar).

Los slats (foto a pie de línea) es la superficie móvil situada en el borde de ataque del ala. Mientras en los aviones militares acostumbran a ser automáticas para ayudar a virajes extremos y maniobras a baja velocidad sin preocupar al piloto, en los aviones comerciales van asociados a los flaps. Estos sirven básicamente para una cosa: aumentar el corriente de aire por el extradós (parte superior alar). Eso permite crear mayor sustentación y alcanzar mayores ángulos de ataque sin entrar en perdida (recordemos que a partir de 15º de ángulo de ataque era muy difícil crear sustentación, léase aquí).

Como podemos ver todo esta relacionado con el ángulo de ataque y la sustentación. El slat permite coger ese típico ángulo de aterrizaje, sobretodo visible en aviones grandes y pesados, y así el flap puede desviar el aire más verticalmente y crear así más sustentación.

Puntualizar que estos sistemas se utilizan en la fase de despegue y aterrizaje de la aeronave y durante fases del vuelo con bajas velocidades y con posibilidad de que el avión entre en pérdida no controlada.

Frequently Asked Questions (I)

Seguro que a más de uno que pueda leer estas líneas le ha pasado alguna vez. Como buen aficionado a la aeronáutica, en mi grupo de amigo soy conocido como el loco de los aviones. Eso lleva a que se me hagan varias preguntas, que para mí son bastante obvias, pero que entiendo que para alguien que es nuevo en el tema, o que no está dentro del mundillo, tal vez se le escapan.

Una de las más frecuentes, es la ¿qué son esas estelas blancas que dejan los aviones?

Esto tiene fácil respuesta.

Esas estelas vienen producidas por la condensación del agua que contiene el aire. En las altas capas de la atmósfera, a temperaturas próximas a -50º C, el aire contiene humedad relativa. Cuando un avión pasa, y deja escapar los gases procedentes de la combustión del queroseno a uno 600ºC en la salida del motor, hace que la agüilla que contiene el aire en forma de humedad, llegue a su punto de condensación, creado así esa especie de nube blanca.

Otras muchas veces, los aviones, sobretodo los militares, crean una estelas de menor medida en los vórtices de sus alas, o en superficies de su casco. Esto es debido a las altas temperaturas que se alcanzan en esas puntas, haciendo que se llegue al punto de condensación del aire en ese nivel y que por lo tanto se cree la estela. Es muy habitual verlas en maniobras con virajes pronunciados. También se pueden ver en aviones comerciales, en sus bordes de alas o en los bordes de los flaps, debido a la temperatura que se alcanza en esas puntas con la fricción del aire, junto con un día donde el punto de rocío sea relativamente bajo.

Curiosidades de nuestro clima desde luego.

A medida que me vaya encontrando con más preguntas, las iré colgando por aquí.