Despegues calientes

La NASA señaló en Mayo de 2016 como el mes en el que se alcanzó un récord mundial de calor, con un incremento de la temperatura global de 0,93ºC sobre la media de los años 1951-1980. También 2016 fue el año donde se alcanzó de forma estable una concentración de CO₂ de 400ppm, respecto al valor preindustrial (antes de 1750) de 280 ppm.

Los 17 años más calurosos desde que se tienen registros termométricos (1880) han ocurrido desde 1998. En este siglo XXI, los años más cálidos a nivel global han sido 2017, 2016, 2015,2014, 2013, 2010, 2009 y 2005. A esta situación de aumento progresivo de calor se le ha dado el nombre de Cambio Climático, aunque no es solo esto, sino también la aparición de fenómenos meteorológicos extremos, olas de calor, sequías, inundaciones, subida del nivel de los océanos, etc.

Existe evidencia científica muy sólida que la situación descrita anteriormente ha sido producida por la emisión de gases invernadero, principalmente CO₂ aunque no solo éste gas, debido a la combustión de combustibles fósiles para la producción de energía. En este escenario la participación de la industria del transporte aéreo, presentada por el IPPC, se cifra en 0,14 Gt C/año.

La industria del transporte aéreo es parte responsable de la emisión de gases invernadero, pero también sufre sus consecuencias. El cambio climático ha incrementado las temperaturas medias en todos los aeropuertos. A título de ejemplo, la evolución de las condiciones ambientales, en cuanto a temperatura se refiere, durante los meses de Mayo a Septiembre en los aeropuertos de Barcelona y Madrid han sido las siguientes:

• En el primero de ellos, en la década 1961-1970, el 38% de los días la temperatura estuvo entre 28-34ºC, en la década de 2001-2010 el número de días en el mismo intervalo de temperaturas pasó a ser el 56% , y en 2011-2017, en el 65% de los días la temperatura fue de 30-36ºC.
• En el Aeropuerto de Madrid ocurrió algo similar, en la década de 1961-1970, en el 33% de los días la temperatura estuvo entre 34-42ºC, que en la década 2001-2010 pasó a ser del 40% y en los años 2011-2017 llegó a ser el 44% de los días.

Parece que, en ambos aeropuertos, habrá un incremento importante de días con altas temperaturas, durante el verano de los próximos años.

La temperatura y la elevación del aeropuerto influyen en el peso máximo que un avión puede levantar del suelo, a través de la densidad, que afecta directamente a la fuerza de sustentación producida por las alas y al empuje generado por los motores. Para una longitud de pista dada, tipo de avión y configuración de despegue (ángulo de slats/flaps), hay una temperatura por encima de la cual el avión no puede despegar a su máximo peso. Entonces, la carga de pago o el combustible deben ser restringidos, lo cual afecta al radio de acción. Esto lo veremos con más detalle en la 2º parte. Adicionalmente, la velocidad del viento puede actuar a favor o en contra.

En el caso de las alas, la fuerza de sustentación, L, para una superficie alar, S, y un coeficiente de sustentación, C_L, dados, depende de la densidad del aire ambiental y del cuadrado de la velocidad, según la conocida ecuación.

Si la densidad disminuye, este decremento tiene que ser compensado con un aumento de la velocidad, para conseguir la misma sustentación, lo cual lleva a una prolongación de la carrera de despegue en tierra. En la figura 1 se muestran las velocidades de referencia más importantes en el despegue.

Analicemos estas velocidades de referencia
V_SR es la velocidad de referencia de entrada en pérdida. Viene dada por la expresión:

Cuando la temperatura aumenta, la densidad, ρ, disminuye y, por lo tanto, V_SR crece para la misma carga alar W/S (W: peso, S: superficie alar).
V_R es la velocidad de rotación, aquella a la que la rueda de morro se separa del suelo.
A esta velocidad se cumple: porque el peso todavía es mayor que la sustentación.
Si ρ disminuye, el término derecho de la inecuación se hace más pequeño y debe aumentarse VR para mantener la diferencia con W/S.
VLOF es la velocidad a la que se separan del suelo las ruedas del tren principal. A esta velocidad la sustentación vence al peso y se cumple:

Si ρ disminuye, el término derecho de la ecuación se hace más pequeño y debe aumentarse V_LOF para mantener la igualdad con W/S. Esta velocidad no puede aumentarse tanto como se necesite pues está limitada por la velocidad máxima que pueden soportar las ruedas, V_TIRE, de forma que, V_LOF < V_TIRE.
V_2min es la velocidad de seguridad a 35 ft de altitud. Las normas JAR establecen la relación V_2min myor o igual que 1,13V_SR. Hemos visto V_SR aumenta cuando la densidad disminuye, luego V_2min también aumenta.
V₂ es la velocidad de comienzo del 2º segmento de subida. Aquí la sustentación es mayor que el peso y el avión presenta una clara velocidad ascendente. Así pues:

Si ρ disminuye, el término derecho de la ecuación se hace más pequeño y debe aumentarse V₂ para mantener la diferencia con W/S y así asegurar que la velocidad ascensional es suficiente para mantener un ángulo de subida, γ, superior al marcado por las normas JAR/FAR.

De todo lo visto anteriormente se deduce que en todas las fases de despegue la disminución de densidad ambiental implica un aumento de las velocidades de referencia correspondientes, lo cual lleva a un incremento de las longitudes de despegue. Viceversa, si la longitud de pista no permite incremento de longitudes de despegue, debemos mantener las velocidades, lo cual lleva a una disminución de la carga alar W/S, o sea, disminución del peso a elevar. En la figura 2 se ven dos perfiles de despegue, uno (azul) a temperatura estándar y otro (rojo) a temperatura superior a la estándar.

En cuanto a los motores, el empuje producido por estos es directamente proporcional al gasto másico de aire a través del mismo. Éste, a su vez, es proporcional a la densidad, por lo que una disminución de ésta conduce a una disminución de aquel. El empuje también es proporcional a la diferencia entre la velocidad de entrada del aire y la velocidad de escape del mismo. Cuanto menor es esta diferencia, por incremento de la velocidad del avión, menor es el empuje, por consiguiente el incremento de velocidad para conseguir fuerza de sustentación da lugar a una disminución del empuje.
Adicionalmente, hay otro factor limitador del empuje, relacionado con el control del mismo. El empuje de los motores modernos se controla de acuerdo con una curva como la de la figura 3.

En esta curva se aprecian dos regiones bien diferenciadas: Una región donde la presión de descarga del compresor permanece constante. A medida que la temperatura se incrementa la densidad del aire disminuye por lo que el control de combustible incrementa el flujo de combustible para mantener el empuje constante. La temperatura de entrada a la turbina (TET, Turbine Entry Temperature) también se incrementa. Asimismo lo hacen las velocidades de los compresores de alta y baja (N1 y N2, respectivamente). Esto es así hasta una temperatura de referencia llamada Flat rate temperature. Esta temperatura de referencia señala el comienzo de la segunda región. Por encima de ésta, el flujo de combustible se controla para prevenir que la temperatura de entrada a la turbina sobrepase su límite. Esto da como resultado una disminución del empuje que, dependiendo de los motores, puede ser del 20%. La temperatura de referencia está entre 30-33ºC.

Por otro lado, los despegues se planifican teniendo en cuenta una posible emergencia que haga abortar el mismo. La emergencia más peligrosa es aquella en la que se produce el fallo del motor más crítico. El fallo de un motor conlleva la desaparición del empuje de dicho motor y la aparición de una resistencia de molinete provocada por el paso del aire a través del mismo. Esta resistencia da lugar a un par de guiñada que debe compensarse con el timón de dirección.

En relación con esta emergencia se calcula una velocidad llamada velocidad de decisión, nominada como V₁. Si el fallo del motor se produce antes de alcanzar esta velocidad la decisión del piloto debe ser la de detener la aeronave. La elección de la V₁ garantiza que el avión podrá pararse en la pista remanente. En una temperatura ambiente extrema, digamos 40-45ºC, la temperatura a 60 cm de altura sobre una pista recalentada por el sol puede esperarse que exceda de aquella temperatura. La misión de los frenos es disipar en forma de calor la energía cinética del avión, por lo que el estado de los mismos debe ser tal que garantice esa disipación en esas condiciones. De lo contrario, la parada del avión puede saldarse con reventones de uno o más neumáticos, lo cual dificultará que el avión se detenga en la distancia establecida.

Si la emergencia se produce después de V₁, la decisión será continuar con el despegue. Con un motor menos y con el otro motor con empuje disminuido, el piloto deberá conseguir la velocidad adecuada a costa de recorrer más pista. En aeropuertos con pistas cortas esto nos lleva, a una reducción del peso a elevar.

Por todo lo visto anteriormente, la reducción del peso a elevar es uno de los efectos consecuencia del Cambio Climático. Aeropuertos con pistas largas tendrán más defensa frente a este efecto, pero aquellos con pistas cortas harán que los aviones que despeguen de ellos se vean mermados en sus prestaciones. En este último caso la solución será alargar la pista, pero esto no siempre será posible.