¿Por qué las alas de los aviones eléctricos son tan largas y estrechas?

Seguro que habéis comprobado que siempre que hablamos de aviones eléctricos son aviones con alas muy esbeltas, esto es, de gran alargamiento, casi más próximas en diseño a las de un velero o un motovelero que a las de un avión de aerolínea o un avión ligero.

Para ello vamos a empezar por presentar la ecuación del alcance de Bréguet.

La ecuación se puede derivar de forma sencilla teniendo en cuenta que el avión vuela la mayor parte del tiempo en crucero, que se puede asimilar a un movimiento rectilíneo y uniforme, y por tanto la sustentación es igual al peso (L=W), la resistencia igual al empuje (D=T), que sustentación y resistencia se relacionan a través de la polar y que la potencia necesaria para volar en crucero es P=T·v·nu, siendo v la velocidad de vuelo y nu el rendimiento del grupo motopropulsor (el rendimiento del motor multiplicado por el de la hélice, por ejemplo).

Si alguien está interesado en el desarrollo matemático de la ecuación, puede encontrarlo en muchas fuentes, como la que hemos enlazado atrás, esta o esta otra.

Básicamente nos dice que el alcance (R de Range) depende del rendimiento motopropulsor, el consumo de combustible específico (SFC), la fineza aerodinámica y la relación entre la masa inicial y la final (y por tanto el combustible que puede consumir).

Esta sencilla ecuación permite comparaciones rápidas entre distintos diseños con parámetros sencillos y que pueden obtenerse fácilmente de los fabricantes, o al menos pueden estimarse con relativa facilidad. Asi que se pueden comparar diseños de forma teórica antes siquiera de haber empezado un desarrollo de detalle.

Se puede realizar un ejercicio similar para derivar esta ecuación para aviones híbridos, o para aviones eléctricos. Nosotros nos centraremos en la ecuación derivada para aviones eléctricos.

Donde Cb es la densidad energética de las baterías (en unidades de energía/masa kW·h/kg, por ejemplo), g es la aceleración de la gravedad, CL/CD es su fineza aerodinámica (la relación entre el coeficiente de sustentación y el de resistencia), Wbatt es el peso de las baterías, WTO es el peso al despegue, y ηi,ηm,ηp son los rendimientos del inversor, del motor y de la hélice.

Una versión aún más simplificada fue la que dio Archer en su web:

R=Ebatt· η·(CL/CD)/MTOW

ó

R=Cb·Wbatt· η· L/D / (MTOM · g)

Donde Ebatt es la energía en la batería y η el rendimiento motopropulsor.

Lo que nos quiere decir que el alcance del avión está definido básicamente por su aerodinámica, la densidad energética de sus baterías y la masa de baterías. En el avión eléctrico no entra en juego el peso final y el inicial, puesto que al no consumir combustible la masa al despegue y al aterrizaje serán la misma (lo que, por cierto, hará que el tren de aterrizaje sea más pesado que en un avión convencional, que no soporta el mismo peso en el aterrizaje que en el despegue).

Sobre el rendimiento motopropulsor apenas tendremos capacidad de decisión, puesto que el rendimiento del motor eléctrico rondará el 90% mientras que el de las hélices está entorno al 85%, así que este rendimiento motopropulsor se puede considerar como constante e igual a un 76.5%.

Nos quedan pues dos parámetros, el de la densidad energética de las baterías, que también se puede considerar constante y dependiente del estado del arte del momento, y la fineza aerodinámica.

Es decir, que si queremos optimizar nuestro diseño, realmente tan sólo podemos actuar sobre un parámetro que dependa de nosotros y no de los proveedores: la fineza aerodinámica.

Para maximizar esa fineza aerodinámica, no queda otra que recurrir a alas de gran alargamiento, tipo motovelero y planeador. Y es por esto que todos los aviones eléctricos cuentan en sus diseños con alas de gran alargamiento, puesto que es un parámetro con el que sí pueden «jugar» los diseñadores con facilidad, siempre teniendo en cuenta que el alargamiento del ala viene limitado por el ancho de la pista, de los aparcamientos, de los hangares… que limitan la envergadura, u obligan a soluciones ingeniosas como alas plegables. ¡Ah! Y si alguno os lo preguntabais, sí, estas ecuaciones de atrás son las que explican de forma sencillael desarrollo del nuevo Boeing con ala arriostrada.

Por finalizar, las densidades energéticas reales hoy en día rondan los 400W·h/kg, aunque se espera alcanzar los 600, e incluso se han llegado a alcanzar cotas superiores, pero siempre en condiciones de laboratorio, no de mundo real.

Y como la densidad se puede considerar también constante, esto nos lleva a una interesante conclusión (que no vamos a desarrollar mucho más porque ya lo hicieron Calin Gologan y Raphael Giesecke): Con la mejor tecnología de baterías que se espera tener, el alcance de los aviones eléctricos estará limitado a unos 500km, 800km en los casos más optimistas. Ésto sin consideraciones de cálculo de desvíos a aeropuertos alternativos. Lo que explica el por qué desde el comienzo los grandes constructores nunca han apostado por los aviones eléctricos, y en este blog siempre hemos defendido que, en el mejor de los casos, quedarán limitados a vuelos recreativos, de entrenamiento o —a lo sumo— operaciones comerciales tipo aerotaxi-vuelo regional-conmuter-evacuaciones médicas entre pequeños aeródromos municipales o entre éstos y algún gran hub central. Y por qué se juzga poco realista cualquier propuesta de diseño que vaya más allá de estos límites.

Por qué los motores de los aviones son tan grandes, y los eVTOL tan ineficientes

Parecen dos temas totalmente independientes, pero en el fondo están íntimamente relacionados, y todos se pueden explicar con la misma simplificación matemática de cómo funciona un grupo moto-propulsor de una aeronave.

Una de las teorías más sencillas de cómo se produce el empuje en un avión, sea de motor de pistón más hélice, sea un motor a reacción, sea un turbofan, es la teoría de la cantidad de movimiento.

En esta teoría, se reemplaza todo el grupo  motopropulsor por un «disco» que tiene el área de la hélice, o del fan, y que proporciona al aire «aguas arriba» un salto de velocidad y un incremento de presión, lo que genera un empuje.

De esta manera nos permite expresar el empuje obtenido y el rendimiento del grupo motopropulsor de formas muy sencillas.

La teoría tomta tantas hipótesis tan imposibles de cumplir en la realidad, que hace que sea una teoría poco representativa de la realidad. Sin emabargo es MUY simple, y nos da una cota superior del rendimiento del grupo motopropulsor. Esta cota superior del rendimiento sería el rendimiento teórico máximo. Por eso nos permite comparar de forma sencilla y rápida distintas configuraciones, y sabemos que si una configuración es mala con esta teoría —que es en exceso benévola—, en la realidad la configuración será malísima.

No vamos a entrar a desarrollarla, puesto que hay muchos apuntes en internet que la explican, incluso en la Wikipedia, y  nos vamos a quedar sólo con las ecuaciones que nos interesan, la de la tracción generada por el grupo motopropulsor (T), y la del rendimiento (potencia util/potencia generada).

T=2·ro·S·(V+vi)·vi

Siendo T la tracción, ro la densidad del aire, S la superficie del disco, V la velocidad de la corriente libre y vi la velocidad que se induce al aire en el disco.

De la primera deducimos que:

  • Cuanta más densidad de aire, mejor (y por tanto tendremos problemas los días de mucho calor o a gran altitud no solo porque el término de la densidad del aire aparece en la expresión de la sustentación, sino porque también aparece en el de la tracción).
  • Cuanto más grande sea el disco de la hélice (o del fan), más tracción tenemos. Pero esto nos limitará la velocidad en aviones de hélice muy rápidos, al alcanzar antes la velocidad supersónica en punta de pala que en una hélice de menor radio.
  • Cuanto mayor es el salto de velocidades antes del disco y después del disco, más tracción tenemos también.

R=1/(1+(vi/V))

Y ahora vamos a por la ecuación del rendimiento. Lo que nos dice es que cuanto mayor sea el salto de velocidades entre la corriente libre (o aguas arriba) y la velocidad que se imprime al aire en el disco, menor será el rendimiento.

Así que para conseguir mucho empuje con un gran rendimiento, hay que mover mucha cantidad de aire (disco con superficie muy grande), dándole un salto de velocidad lo más pequeño posible.

Así pues…

  • Los aviones de hélice que vuelan relativamente lentos tendrán palas de hélices largas (pero cuanto más rapido tenga que volar el avión, más habrá que recortar la pala)
  • Los aviones de turbofan procuran dar un salto pequeño de velocidad a mucha cantidad de aire, con motores de muy alto índice de derivación
  • En tamaño radio control, un helicóptero será más eficiente que un multicóptero, que suelen tener muchas hélices pero pequeñas y su área total rara vez alcanza la del helicóptero de misma masa.
  • Todos los eVTOL que han optado por configuraciones con un disco pequeño (o suma de discos pequeños, porque casi todos usan mútiples hélices pequeñas) serán mucho menos eficientes que cualquier ala rotatoria tradicional, sea helicóptero sea autogiro
Ya archi-conocida imagen explicando cómo varía la eficiencia del un VTOL volando a punto fijo en función de la carga del disco, proveniente del libro de la NASA: The History of the XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft: From Concept to Flight (PDF)

Y, dicho sea de paso, esto también explica por qué los resultados sobre viento producido aguas abajo de los rotores de los eVTOL medidos por la FAA, calculados por la CAA  y esperados por la EASA sean incluso mayores que en los  helicópteros.

La llegada de los helicópteros anti-incendios a España

España, con su clima mediterráneo, enfrenta un problema recurrente de incendios forestales, y el fuego forma parte de su ecología. Sin embargo, la reducción de la explotación de sus montes (sin animales que pasten y ramoneen y limpien el exceso de vegetación), el aumento de las temperaturas medias, la expansión urbana hacia zonas boscosas que antes quedaban retiradas de las poblaciones ha hecho que estos incendios proliferen y/o se vuelvan más peligrosos.

Desde los años 30 se habían desarrollado aeronaves y técnicas para combatir el fuego desde el aire. Pero hasta los años 70 no llegan a España, al 404 Escuadrón. Los helicópteros no llegarían hasta los 80. Inicialmente utilizados para observación y control, estos proporcionaron una perspectiva aérea inédita, permitiendo a los equipos de extinción evaluar la magnitud y controlar la progresión del fuego.

A mediados de la década, la incorporación de helicópteros con capacidad de lanzamiento de agua, mediante heli-baldes o depósitos ventrales. Esta innovación permitió una respuesta más rápida y eficiente, contribuyendo a un control más efectivo de la propagación del fuego.

La introducción de los medios aéreos representó un desafío para la gestión de estos eventos, se hizo necesaria la creación de una doctrina totalmente inexistente de combate contra el fuego desde el aire. Los fuegos seguían (y siguen) extinguiéndose desde tierra. Pero el apoyo aéreo se hizo imprescindible para su supervisión y para atacar zonas críticas. Y se plantearon varios retos:

  • Coordinación: Se requirió una coordinación eficaz de los nuevos medios aéreos, entre ellos y con tierra, ya que la experiencia previa en extinción desde el aire era limitada.
  • Descontrol inicial: La falta de experiencia inicial llevó a un período de descontrol y diversidad en las estrategias de extinción dependiendo de la comunidad autónoma.
  • Transferencia de competencias: La gestión de la extinción de incendios forestales estaba siendo transferida a las comunidades autónomas, lo que añadió otra capa de complejidad.

La década de los 90 en España se caracterizó por un crecimiento exponencial de los medios aéreos para combatir incendios forestales. Aunque se contaba con una flota importante, la falta de normativa específica para su empleo eficiente representaba un gran desafío. Si bien existía una Circular Operativa de Aviación Civil que describía los trabajos aéreos, no se incluía ninguna mención específica a los incendios forestales. A pesar de esta carencia normativa, España logró orquestar a mediados de la década la operación aérea de helicópteros más grande de Europa para combatir incendios, demostrando su eficacia.


Este éxito sentó las bases para una incorporación masificada de los helicópteros a la lucha contra incendios en España, impulsada por la evidencia de su gran utilidad. Sin embargo, la falta de una normativa específica para su utilización seguía siendo una preocupación importante.

En los inicios de la utilización de helicópteros en la lucha contra incendios en España, la falta de medios y la presión por la temporada corta de incendios (tres meses) llevaron a la importación de helicópteros de procedencia y seguridad dudosa. Los accidentes ocurridos en esa época, con la pérdida de vidas, dejaron claro la necesidad de una normativa específica para la seguridad. La falta de descanso para las tripulaciones y la carencia de infraestructuras adecuadas, también fueron problemas que se enfrentaron. Las bases que se utilizaban en esta época, tampoco estaban sujetas a ninguna regulación, por lo que era habitual operar desde una era, o cualquier superficie despejada, y alojar a la tripulación en cualquier sitio. A pesar de las dificultades, la convicción de la eficacia de los helicópteros en la lucha contra incendios impulsó a trabajar por una mayor seguridad y una normativa específica.

Hasta 1995 no la Circular Operativa 16B, que establece los tiempos de descanso de las tripulaciones, hasta entonces los descansos no existían. ¡Pero esta Circular Operativa sólo cubría a los pilotos y tripulaciones de aerolínea!

A principios del nuevo milenio, la lucha contra incendios en España dio un gran paso hacia la profesionalización.

  • Normativa: En el 2001, se publicó una normativa específica para el descanso de las tripulaciones aéreas, lo que significó un avance importante en la seguridad y el bienestar de los pilotos.
  • Mejora de los medios: Se incorporaron helicópteros modernos con sistemas de lanzamiento de agua de última generación, incluyendo bombas de aspiración, mezcla de espuma y depósitos que permitieron una mayor velocidad y maniobrabilidad. La introducción del Kamov, capaz de lanzar 5000 litros de agua, marcó un hito en la lucha contra incendios, aunque desde el inicio de la invasión de Rusia a Ucrania no se puede contar con ellos y ha habido que sustituirlos.

Sin embargo, la resistencia al cambio y la mentalidad de «siempre se ha hecho así» generaron tensiones con los operadores y clientes, quienes no estaban acostumbrados a la aplicación de normas sobre el descanso de las tripulaciones.

En 2002, la normativa para la lucha contra incendios en España da un gran salto hacia adelante con la publicación de la Resolución de 5 de julio, que establece procedimientos operativos específicos para trabajos aéreos y agroforestales. Esta normativa incluye:

  • Manual de Operaciones: Los operadores tienen tres meses para presentar propuestas de modificación de sus manuales, según los procedimientos establecidos en el anexo 2.
  • Habilitación de Piloto Agroforestal en Incendios: Se crea una nueva habilitación específica para los pilotos que trabajan en la lucha contra incendios.
  • Coordinador Aéreo: Se reconoce la necesidad de un coordinador aéreo para la gestión de las operaciones en incendios con múltiples medios aéreos, garantizando la seguridad y eficiencia de las operaciones.
  • Dos Pilotos: Se reconoce la importancia de tener dos pilotos en la cabina para repartir las tareas y reducir el estrés del piloto, aunque aún se espera una normativa específica para implementarlo. La figura del operador de vuelo, especialmente si es piloto habilitado, es un paso intermedio hasta que se implemente la nueva normativa.

El Real Decreto 750/2014, un hito en la lucha contra incendios, establece un marco normativo que garantiza la seguridad de las operaciones aéreas, incluyendo la obligatoriedad de tener dos pilotos en la cabina. Este reglamento se basa en los mismos criterios y estándares que se aplican en el transporte aéreo comercial, asegurando un nivel de seguridad óptimo.

Las operaciones de lucha contra incendios se realizan con una amplia gama de métodos, desde la observación y vigilancia hasta el transporte de cuadrillas y el lanzamiento de agua, todo ello regulado por este nuevo reglamento.

Hemos recorrido un largo camino hasta alcanzar este punto de progreso. Hoy contamos con máquinas modernas y seguras, normativa actualizada y tripulaciones altamente capacitadas. Sin embargo, la experiencia es un factor fundamental en la lucha contra incendios. Para garantizar la continuidad de esta experiencia, es fundamental la formación continua de los pilotos y reducir su temporalidad.

Fuentes:

Sistemas de lanzamiento de agua de las aeronaves anti-incendios

Hemos contado la historia de cómo nacen las aeronaves anti-incendios en Canadá, Estados Unidos y Rusia, y hemos desgranado cómo nacen los helicópteros anti-incendios. Y ya que se suele hablar de guerra contra el fuego, me vais a permitir que diga que nos falta tratar de los sistemas que emplean estos «bombarderos de agua» para soltar su «carga bélica» sobre las llamas.

Foto de CL-215 que realicé en Torrejón

Y quien dice agua dice agua con retardante, espumante o gel… que pueden cargarse bien en tierra, bien recargar directamente desde alguna zona con agua (lago, embalse, mar, alberca, piscina).

Tras la llegada de la aeronave sobre la zona objetivo asignada, viene el ataque propiamente dicho, liberando el agua sobre la zona objetivo (que no tiene por qué ser directamente a la llama). ¿Qué sistemas hay para liberar el agua desde la «bodega del bombardero»?

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WTF: Wheel and Tire Failure (análisis de riesgos particulares)

Panel de la Belly Fairing justo sobre el pozo del tren dañado por un fallo de una rueda

El 1de julio aterrizaba un A-380 sin un panel de la Belly Fairing (literalmente, carenado ventral), que no fuselaje. La Belly Fairing es un carenado que cuelga bajo el fuselaje y tapa sistemas o el tren y no tiene responsabilidad estructural.

Ubicación de la Belly Fairing Fig 1 (2) y vista esquemática en perspectiva Fig2
Esquema de cómo va colgada la Belly Fairing del fuselaje (109) a travñes de barras (211)

Éste tipo de fallos requiere lo que se denomina PRA (particular risk analysis – análisis de riesgos particulares). Consiste en analizar todas las trayectorias posibles del proyectil y analizar los daños y por tanto fallos que puede producir,y su impacto en la seguridad.

Arcos de trayectorias que pueden seguir los restos desprendidos tras el fallo

El trozo desprendido puede ser un trozo de neumático, un trozo de llanta, o ambos. La masa de estos trozos puede llegar a los 2kg, y la velocidad a los 100m/s (360km/h), así pues su energía cinética es muy alta, ¡la equivalente a dejar caer esos dos kg desde 510m de alto!

El análisis consiste en verificar todos los elementos que se pueden interponer en el camino del proyectil en el que se ha convertido el trozo de neumático o de llanta y analizar qué ocurre.

Normalmente se rellenan muchas tablas con datos, como el ángulo de salida del proyectil, parte impactada por el mismo, efectos en caso de perder ese conjunto impactado y criticidad del fallo.

De este análisis pueden surgir modificaciones de diseño, como apantallar bombas hidráulicas o realizar análisis estructurales adicionales para ver si las piezas que se encuentra,ej herrajes de cogida o del flap, aguantan el impacto o no, o si el daño puede ser admisible por no causar un fallo estructural, por ejemplo en el caso de impactar solo en un panel de un carenado.

Estadísticas de WTF desde 1966 a 2005

Como véis, nada se deja al azar en la aviación, y los análisis de seguridad son de los procesos más importantes que existen durante el diseño y certificación de las aeronaves.

Fuentes

La imagen de los daños en el 380 viene de esta noticia, las tablas y gráficos explicando qué es el WTF vienen de esta presentación, y las imágenes descriptivas de la belly fairing vienen de esta otra presentación. Lo que os cuento acerca de este tipo de fallos y su análisis vienen de que trabajé en ello una temporada.

PD: Sí estuve una temporada con WTF, aunque para que el censor de tacos del correo no nos diera problemas lo solíamos abreviar como W&TF, Wheel and tire failure.