Velocidades, Distancias y Actuaciones en el Despegue en Bimotores

Introducción

En este capítulo analizaremos las primeras fases de operación de las aeronaves que involucran despegue y ascenso inicial considerando los criterios de seguridad necesarios para el despeje de obstáculos.

Todos los conceptos expresados tienen en cuenta las normas internacionales FAR, JAR y OACI de las cuales se rigen las fábricas de aviones para diseñar sus aeronaves con los criterios establecidos por éstos entes de manera de poder ser certificadas bajo sus normas.

Además, no solo se contempla la operación normal sino que se hace especial hincapié en la falla de motor porque las aeronaves deben tener la capacidad de poder respetar las normas de operación a pesar de haber perdido uno de sus motores. Para lo cual, iniciaremos el capítulo describiendo las velocidades en el despegue para proseguir con los criterios de operación y distancias de pista y finalizar con el ascenso inicial (empuje y segmentos de despegue).

Actuaciones en el despegue

Las fuerzas que actúan en un avión en el despegue se pueden resumir en peso, sustentación, empuje o tracción, resistencia y en este capítulo es momento de introducir a la Fuerza de rozamiento (Fr).

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El peso, puede considerarse constante, pero la sustentación ira aumentando a medida que la velocidad del avión vaya creciendo al igual que la resistencia. Tanto CL como CD se mantienen constantes porque la actitud del avión permanece invariable (distinto sería en aviones de tren convencional en donde su actitud presenta un ángulo de ataque diferente).

La fuerza de rozamiento, dependerá del coeficiente de rozamiento µ y la fuerza que existe entre el suelo y las ruedas  (W-L). Por ende, la fuerza de rozamiento quedará definida por:

Fr = µ.(W-L)

Y como el coeficiente de rozamiento y el peso se mantienen constantes, el aumento de sustentación hará que Fr vaya disminuyendo. Quedando definido que la fuerza que permite que el avión adquiera un movimiento acelerado viene definida por:

F= m.a
F= T – D – Fr – W.φ

luego

En donde W. φ es la componente del peso en la dirección de la pista debido a la pendiente de la misma.

El coeficiente de rozamiento depende del tipo de construcción y estado de la pista y puede tener valores que van desde 0,02 (asfalto y hormigón) hasta 0,10-0,30 (tierra suelta).

En conclusión se puede decir que tanto la resistencia como la sustentación varían de acuerdo al cuadrado de la velocidad (V2) y lo mismo ocurre con Fr que depende únicamente de L.

Otros factores de suma importancia a tener en cuenta en la carrera de despegue son:

  • Peso: influye directamente en la carrera de despegue porque disminuye la aceleración al ser la masa mayor y porque la fuerza de rozamiento W.µ aumenta. Para lo cual se necesitará una sustentación mayor para contrarrestar el peso, por ende, mayor velocidad.
  • Viento: velocidad relativa respecto del aire. El despegue con viento de frente la carrera de despegue será menor y viceversa.
  • Pendiente de pista φ: disminuye la aceleración en el caso de que sea positiva. Ejemplo: un avión con un peso de 100.000 lbs y una pendiente de pista de 1% por la relación W. φ = 100.000 x 0.01= 1000 lbs. Lo que quiere decir que su empuje se reduciría unas 1000 libras (considerando la aceleración).
  • Altitud de densidad: al aumentar la densidad el rendimiento de los motores es menor y en consecuencia se pierde aceleración.

Todos estos factores deben ser conocidos por el piloto perfectamente. Aquí se involucra en cierta manera las condiciones atmosféricas, del escenario (estado de la pista, pendiente, etc.) y del propio avión (empuje, peso, etc.). Estas variables se contemplan en los manuales de vuelo del fabricante para diversas condiciones de operación, siempre teniendo en cuenta las limitaciones propias de la aeronave y su utilidad.

Velocidades asociadas al despegue

Cuando hablamos de velocidades asociadas al despegue, estamos haciendo referencia a valores de energía que experimentará el avión durante la carrera de despegue y que dependerán de los factores descriptos anteriormente. Es importante tener referencia de los mismos porque nos permite conocer la actuación de la aeronave ante ciertas circunstancias o fallas durante la trayectoria de despegue. En este apartado, definiremos las velocidades más importantes que se emplean operativamente y que son calculadas por los pilotos para tomar como puntos de chequeo en caso de pérdida de un motor.

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Velocidad Mínima de Control en Tierra (VMCG): es la mínima velocidad a la cual el avión es controlable en tierra. Este control debe ser asumido por un comando de vuelo (timón de dirección) y no la rueda de nariz.

Si un avión pierde un motor durante la carrera de despegue, algunas de las consecuencias serán:

  • Guiñada del lado del motor inoperativo. El motor operativo genera un momento respecto del inoperativo
  • Pérdida de aceleración
  • Carrera de despegue más amplia

Al generarse un momento M, deberá existir un momento M´ que contrarreste esa fuerza para que el avión pueda volver a mantener el rumbo de pista y despegue. El criterio para establecer esa fuerza es que en el caso de fallo de motor, el momento generado por el motor operativo debe ser compensado por una fuerza de pedales que no exceda 150 libras sin exceder 30 pies (9 metros) de desvío entre en punto en el que el motor crítico (aquel más alejado del centro de gravedad) ha fallado y el punto en el que se consigue una trayectoria paralela al eje de pista.

Las condiciones que establecen esta velocidad son:

  • Configuración de despegue (un valor para cada configuración)
  • Empuje de despegue
  • Posición del c.g más desfavorable
  • Peso más desfavorable para el despegue
  • Avión compensado para despegue

Con estos criterios y a través de las fórmulas podemos decir:

  • Al fallar el motor n°2 se genera un momento que depende del empuje y la distancia en la que esté ubicado en c.g
M = F2.d
  • La fuerza que debe hacer el timón de dirección una vez que se mueva para contrarrestar M debe ser capaz de generar M´
F = 1/2.r0.Ve2.S.CL
  • M´ debe ser igual a M y no se deberá exceder 30 pies (9 metros) desde el momento de la falla de motor hasta que nuevamente se coloca al avión en una trayectoria paralela el eje de pista.
M´ = F.h
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La VMCG es mayor a medida que la temperatura y altitud disminuyen. En la siguiente tabla de B-737 se puede apreciar lo descripto.

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Velocidad mínima de control en el aire (VMCA): análogamente al análisis de la VMCG existe una velocidad a partir de la cual el avión es controlable en el aire cuando falle un motor. En el caso de que esto ocurriera la inclinación no debe ser superior a 5° (ala del motor parado arriba) y además se deben tener en cuenta ciertos criterios:

  • Flap de despegue, tren adentro (2do segmento)
  • Posición más desfavorable del c.g
  • La fuerza necesaria, sobre el pedal, para contrarrestar la guiñada no debe ser superior a 150 lbs y no deberá ser necesario reducir el empuje del motor operativo
  • No se necesitará una gran destreza para realizar cambios de rumbo de más de 20°.
  • VMCA <= 1,2 Vs

Es decir, al igual que VMCG el avión debe tener la capacidad de mantener la línea de vuelo sin grandes desvíos laterales y el piloto deberá poder controlar la aeronave sin grandes esfuerzos. Esta velocidad está calculada para el momento en el que el avión despega del suelo antes de llegar a V2.

Velocidad de decisión (V1): velocidad de referencia a la cual se decide abortar o continuar el despegue. Es un parámetro de suma importancia durante la carrera de despegue ya que permite determinar un criterio de decisión para resolver una emergencia. Para el cálculo de V1 se tiene en cuenta el tREC o tiempo de respuesta del piloto una vez que detecto la falla. Este tiempo se toma basándose en estudios estadísticos y entrenamiento de pilotos en simuladores y situaciones reales, de los cuales se ha estimado en base a las regulaciones internacionales un tiempo no menor a 1 (uno) segundos. Es por ello que la velocidad de decisión se toma del sumando entre la velocidad a la cual falla el motor (VEF) más la velocidad adquirida durante el tiempo tREC.

V1 = VEF + (ΔV).tREC

Si se decide continuar el despegue, el piloto debe ser capaz de controlar el avión durante la trayectoria recorrida en el suelo. Es por ello que VEF debe ser mayor o igual que VMCG.

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Velocidad de máxima energía de frenado (VMBE): La energía cinética (peso y velocidad) del avión es absorbida por el sistema de frenos y se transforma en calor.

Por cada peso existe una VMBE que también dependerá de la presión, temperatura, viento, pendiente de pista, flaps, etc. Si la velocidad fuera superior a la VMBE (Maximun Brake Energy) el sistema de frenos no podría absorber el calor generado por la frenada con la consecuencia que puede traer reventar un neumático, aumentando la distancia de frenado y ocasionando además, daños estructurales al avión al impactar las partes de caucho con el avión. Se puede originar también fuego por excesiva fricción o en el peor de los casos, contacto con algún fluido que esté perdiendo el avión (combustible, hidráulico, aceite, etc.)

Es por ello que la VMBE debe ser mayor a V1. En algunos casos de mucho peso y pocos grados de flaps esta diferencia puede estar invertida debiendo realizar las consideraciones operativas pertinentes. Recordemos que a mayor energía cinética mayor transformación de calor.

Luego de un aborte de despegue a alta velocidad con suerte el avión deberá esperar en tierra hasta que se enfríen los frenos, pero lo más seguro es que requiera una inspección del conjunto de frenos y tren luego de haberse enfriado.

También existe una velocidad denominada Velocidad Máxima de Neumáticos porque los mismos están construidos para soportar una velocidad máxima. Si esta velocidad está por debajo de la VR se deberá modificar el peso de la aeronave para que VR sea menor y no se exceda la velocidad de neumáticos. Exceder la velocidad de neumáticos puede ocasionar un exceso de presión y reventón del mismo.

Velocidad de rotación (VR): es la velocidad a la que se debe hacer girar el avión sobre el tren principal. Debe respetar:

  • No ser menor a V1
  • 1,05 VMCA (con un motor inoperativo)
  • Alcanzar el valor de V2 antes de los 35 pies de altura respecto de la pista

Esta velocidad es muy importante y operativa ya que todos los cálculos de distancias de los manuales de vuelo o lo que entregue la FMC están basados en una rotación del avión en VR (ni antes ni después). Rotar con otra velocidad afectará tanto la carrera de despegue como la trayectoria inicial de ascenso. Rotar con menor velocidad implicará que el avión trate de buscar su óptima actitud y la trayectoria de ascenso sea inferior a la adecuada. En el caso de efectuar la rotación con velocidad superior la carrera de despegue será mayor y también lo será la trayectoria inicial de ascenso.

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Velocidad de despegue (VLOF): velocidad a la que el avión despega el tren principal del suelo. No tiene un empleo operativo ya que lo que se utiliza como referencia es VR.

Velocidad de seguridad (V2): es la velocidad que debe alcanzar el avión antes o al llegar a los 35 pies de altura. Depende de la VR o viceversa ya que a un incremento de VR le corresponderá un incremento en V2.

  • V2 >= 1,2 Vs
  • V2 >= 1,1 VMCA

V2 es la velocidad con la cual debe efectuarse el ascenso con un motor inoperativo. Con todos los motores operativos el avión asciende a V2 + ΔV (variación de la velocidad que ronda los 15 a 25 kts). Pero con un motor inoperativo ese ascenso debe efectuarse entre V2 y V2 + ΔV para garantizar el ángulo óptimo de ascenso.

En los manuales de vuelo de los aviones generalmente se establece que ante la falla de un motor, si la velocidad en ese momento es V2 + ΔV, se deberá mantener esa velocidad. Pero en el caso contrario, se deberá ascender con V2 (si la velocidad es menor a V2, se deberá buscar la velocidad de V2 para el ascenso). Recordemos que en esta condición (motor inoperativo) la aceleración y R/C del avión caen bruscamente y es necesario mantener una velocidad que garantice el R/Cmax en esa condición de emergencia.

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 Criterios de operación en pista

Antes de comenzar el análisis de operación durante la fase de despegue y ascenso, mencionaremos las definiciones que identifican el empleo de la pista y alrededores y que deben tenerse en cuenta para los procedimientos de carrera de despegue, despegue y aceleración-parada:

  • TODA (Take off Distance Available): la distancia disponible para alcanzar V2 a 35´. Además de la pista, puede incluir zona de parada y libre de obstáculos (stopway / clearway).
  • ASDA (Acelerate Stop Distance Available): la distancia disponible para acelerar la aeronave hasta V1 y luego detener el avión en la pista. Además de la pista, puede incluir la zona de parada (stopway).
  • TORA (Take off Run Available): la pista disponible para acelerar el avión.
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Estas distancias contemplan el uso de umbral desplazado, zona de parada y libre de obstáculos. Dependiendo de las dimensiones de la pista y las velocidades asociadas al despegue de la aeronave se hablará de criterio de pista compensada o no.

La definición del criterio de pista compensada y no compensada viene determinado únicamente por el valor que se haya elegido de V1.

Si en la carrera de despegue se decide abortar el mismo en V1 o si se decide continuar con el despegue con un motor menos (distancia a 35 pies) y tanto la distancia de aceleración parada (a.p) y a 35 pies es la misma estamos operando con criterio de pista compensada. Tanto para detener el avión como para salir al aire, las distancias recorridas son las mismas.

Si el valor de V1 seleccionado difiere de la V1 para pista compensada se dice que se está operando con criterio de pista no compensada. En este caso, las distancias de aceleración parada y 35 pies no son iguales.

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Los valores que representa el gráfico son para unas condiciones dadas de:

  • peso
  • viento
  • pendiente y longitud de pista
  • temperatura
  • altitud de presión
  • entre otros

Es así que para para dos pesos diferentes, la V1 de pista compensada sería diferente. Igualmente queda claro que tanto el valor de V1 como el criterio de operación de pista, dependerán de todos los factores enumerados anteriormente. Otro tema importante a tener en cuenta, es que los cálculos de parada (inicio del frenado) se realizan sin contemplar el uso de reversores. Recordemos que ante una falla de motor o ambos será imposible disponer de esta fuerza de empuje para detener el avión en la pista. Es por ello que todos los estudios y cálculos se hacen sin contemplarlos.

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Distancia de aceleración-parada (Ds): aquí se definen dos criterios que se deben cumplir para definir ASD (Acelerate Stop Distance), con motor inoperativo y con todos los motores operativos.

  • Motor inoperativo:

– el avión comienza a acelerarse desde la suelta de frenos hasta VEF.

– desde VEF hasta V1 la aceleración continúa y debe continuar hasta V1 + 2 (dos) segundos.

-detener completamente el avión luego de V1 + 2´´ considerando que no hubo acción del piloto (frenos, spoilers, etc.) antes de V1 + 2´´.

Es decir, para mantener los márgenes de seguridad en el cálculo de la parada, se contempla un excedente de 2 (dos) segundos por encima de V1. Seguramente el piloto actuará antes (más si está bien entrenado), pero las FAR y JAR establecen que el punto que divide la aceleración de la desaceleración es V1 + 2´´.

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  • Todos los motores operativos:
  • iniciar la aceleración hasta V1 + 2´´.
  • detener completamente el avión luego de V1 + 2´´ considerando que no hubo acción del piloto (frenos, spoilers, etc.) antes de V1 + 2´´.

En este caso, la diferencia con lo anterior es que no se contempla VEF.

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Distancia de despegue (DTO): es la distancia recorrida desde la suelta de frenos hasta alcanzar los 35 pies de altura. Podemos distinguir:

  • Motores operativos DTO(n): es el 115% de la distancia desde que se sueltan los frenos hasta que se alcanzan los 35 pies de altura.
  • Motor inoperativo DTO(n-1): la distancia recorrida desde que falla el motor en V1 y se prosigue con el despegue hasta alcanzar los 35 pies de altura.

Cuando se habla de criterios de pista compensada estamos considerando la operación con motor inoperativo en donde recordemos que la aceleración parada (Ds) es igual la distancia de despegue a los 35 pies de altura.

DS = DTO (n-1)

                Obsérvese que este es el valor para el 100% de la distancia calculada, ya que si la distancia es igual a DTO(n) estaríamos hablando de que habría una reducción del 15% de la distancia respecto del despegue con falla de motor DTO (n-1) entendiéndose que todos los márgenes son calculados con fallo de motor.

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Operación con criterio de pista no compensada

Cuando hablamos de operar con un criterio diferente al compensado, válgase decir que por seguridad tanto las operaciones de líneas aéreas como los cómputos que se realizan a través de la FMC (Flight Management Computer) son para operar con criterio de pista compensada, aquí será necesario que definamos dos conceptos que permiten prolongar la distancia de despegue:

  • Zona de parada (Stop Way): área de prolongación de la pista que al menos tiene el ancho de la misma. Tiene la capacidad de soportar el peso de la aeronave sin causarle daños estructurales pero debe emplease solamente para frenar en el caso de aborte de despegue. Es por ello que la Stop-Way prolonga la distancia de frenado solamente.
  • Zona de despeje de obstáculos (Clearway): área en la prolongación del eje de pista que está libre de obstáculos lo que proporciona un espacio adicional para el ascenso. Inicia al final de la pista y debe tener un ancho no inferior a 150 metros y los obstáculos que existan no pueden sobrepasar una pendiente de 1,25% (aceleración de 12,5 pies cada 100 pies. Ejemplo: una aeronave que asciende con 120 nudos debe en una pendiente de 5% obtendrá un R/C de 1000 pies/minuto aproximadamente).
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Habiendo definido las zonas, podemos considerar tres escenarios posibles:

  • Pista con zona de parada: recordemos que para respetar el criterio de pista compensada Ds = DTO (n-1) y que si cambiábamos el valor de V1 para ese criterio de pista, ocurrirían desigualdades y en ese caso pasaríamos a operar con criterio de pista no compensado. Si se desea utilizar la zona de parada para frenar el avión al seleccionar una V1 de 140 kts veremos que la Ds = 2600 metros y DTO (n-1) = 2300 metros. Esto es lógico porque al aumentar la velocidad el avión tiene más energía, por ende la carrera de frenado será mayor (contemplar el esfuerzo del sistema de freno) y también se estará más cerca de obtener los parámetros de V2.

Al utilizar solo zona de parada la V1 aumenta respecto al valor que tendría con criterio de pista compensada.

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  • Pista con zona de despeje de obstáculos: recordemos que se define carrera de despegue a aquella que se inicia desde la suelta de frenos hasta alcanzar los 35 pies de altura. Como requerimientos mínimos se exige que las dimensiones de la pista sean de al menos una distancia que esté entre VLOF y V2 (avión ya en el aire) y el resto puede comprender la zona de despeje de obstáculos.
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Por ejemplo: analicemos este caso. La pista tiene una dimensión de 2200 metros. Si quisiéramos operar con criterio de pista compensada (130 nudos) sería necesario 2400 metros. Como esto no ocurre, se deberá seleccionar un valor de V1 que permita al menos detener el avión en la pista en el caso de falla porque si se decidió continuar el avión ya estará en el aire. Al seleccionar V1 120 nudos se respeta la longitud de aceleración parada que debe tener como máximo el valor de la longitud de pista (2200 metros), además si se decide continuar cuando el avión llegue al final de la pista estará en el aire (altura entre VLOF y V2) necesitando 300 metros más de zona libre de obstáculos para alcanzar la altura de 35 pies.

La distancia libre de obstáculos no debe ser mayor que la mitad de la distancia entre VLOF y 35 pies con un motor inoperativo o 1,15 con todos los motores. Esta distancia ronda los 200 metros.

Cuando se utiliza la zona libre de obstáculos el valor de V1 disminuye respecto del valor que tendría para pista compensada.

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  • Zona de parada + zona libre de obstáculos:
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En este caso, en que se combina zona de parada y libre de obstáculos se puede utilizar la velocidad V1´ de criterio de pista compensada para ello la zona libre de obstáculos y la longitud de la zona de parada deben ser iguales.

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Segmentos de despegue

La senda de despegue o Take off path comienza desde el momento en que se sueltan los frenos hasta que el avión a alcanzado al menos 1500 pies de altura con la velocidad de ascenso.

A los fines de poder determinar ciertas variables que pueden presentarse ante posibles contingencias, como una falla de motor por ejemplo, la senda de despegue se divide en 4 (cuatro) segmentos a saber:

  • 1° Segmento: desde soltar los frenos hasta los 35 pies de altura con tren afuera.
  • 2° Segmento: inicia con el tren arriba y con velocidad V2.
  • Termina como mínimo a los 400 pies de altura
  • Altura máxima de vuelo nivelado: se define como aquella a la cual el avión ya no tiene la capacidad de seguir ascendiendo, acelerar para desconfigurar flaps y slats y seguir acelerando hasta la velocidad de segmento final con el límite de empuje de despegue que ronda los 5 a 10 minutos (limitaciones del motor en máximo continuo. Generalmente se usa 5 minutos para dos motores y 10 en el caso de falla de motor).
  • 2° Segmento extendido: es la altura máxima que puede obtenerse subiendo dentro del tiempo que se permite disponer de empuje de despegue (5 a 10 minutos). Como el factor importante para determinar la finalización del 2° segmento es el despeje de obstáculos, en ocasiones es necesario sobrepasar obstáculos sin penalizar el peso cuando estos son más altos que la altura de vuelo nivelado. Hay que asegurarse de que el avión tenga la capacidad de poder acelerarse para desconfigurar y luego acelerar hasta la velocidad de segmento final teniendo en cuenta que esta altura está por encima de la altura máxima de vuelo nivelado. Aquí se utiliza empuje máximo continuo (MCT) en vez de máximo de despegue.
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  • 3° Segmento (aceleración): parte en la que el avión comienza a acelerarse en vuelo nivelado para iniciar la desconfiguración de flaps y slats y luego seguir acelerándose a la velocidad del segmento final. Inicia al finalizar el segundo segmento (dependiendo la selección que se haya hecho), es por ello que dependerá del despeje de obstáculos. Como mínimo será a los 400 pies de altura y como máximo la altura máxima de vuelo nivelado siempre y cuando no se esté utilizando el 2° segmento extendido. El empuje que suele utilizarse es para despegue, pero dependiendo el caso puede usarse MCT (Maximun Continuous Thrust). La velocidad nunca puede ser menor a 1,2 VS1 (velocidad de pérdida en configuración específica).
  • Segmento Final: desde que se retrajo los flaps y se aceleró hasta la velocidad de segmento final hasta 1500 pies de altura como mínimo. El empuje es MCT y la velocidad debe ser mayor o igual a 1,25 VS1. En el caso de que el 3° segmento finalice a una altura superior a 1500 pies este segmento no existe y la senda de vuelo termina al final del 3° segmento.
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Senda neta de despegue

El avión debe ser capaz de sortear los obstáculos con un motor operativo. Existe una senda que es la que realmente vuela el avión que se llama neta. Empieza al final DTO, a los 35 pies, y se obtiene calculando la senda que sigue el avión reduciendo en cada punto la pendiente de ascenso en un porcentaje que depende del número de motores. En el caso de bimotores es 0,8%.

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Así, tenemos que la distancia horizontal en el primer y segundo segmento es igual, pero a partir del tercer segmento (aceleración) la trayectoria neta es mayor que la real porque se supone que existe un déficit de 0,8%. Igualmente esta distancia horizontal debería ser corregida por viento ya que su distancia dependerá de la GS (Ground Speed).

Según las FAR, la senda neta debe tener la capacidad de sortear todos los obstáculos a una altura de al menos 35 pies verticalmente o 200 pies horizontalmente dentro de los límites del aeropuerto y 300 pies fuera del mismo. Luego del despegue no se deberá comenzar ningún viraje hasta que la distancia de los obstáculos sea de al menos 50 pies de altura respecto de la senda neta y la máxima inclinación a colocar será menor a 15°.

En el caso de que la senda neta no permita sortear los obstáculos con al menos 35 pies de altura, se deberá reducir el peso de despegue lo que modificará la carrera de despegue y luego la senda neta.

En el caso de la selección de flaps para el despegue, dependerá de las condiciones particulares de operación de cada aeródromo y operador, se debe considerar que como concepto general menor cantidad de grados de flaps implica una mayor distancia en tierra pero una mejor pendiente de ascenso y en el caso de mayor grados de flaps lo contrario. En definitiva, si existen problemas con las dimensiones de la pista se seleccionan más grados de flaps, mientras que si existen problemas en la pendiente de ascenso (2° segmento) se seleccionaran pocos grados de flaps.

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