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José María Rebés

Balance, centrado de la carga (1)

Topic started
1-5-2013 15:32:37
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Permitidme que antes de entrar en la parte más aburrida de cómo se carga un avión me pasee brevemente por la física básica en la que se sustenta el centrado de la carga.

He ido a un supermercado y he comprado algunas latas de bebidas. En casa he localizado un listón de unos 10cm de ancho y 1m de largo y me he puesto a experimentar con todo ello (con las latas vacías para facilitar los experimentos). He puesto el listón en horizontal centrado sobre una lata (la cual estaba de pie porque tumbada se complica el ejemplo, aunque los principios físicos son los mismos) a la que llamaré "A" (de "apoyo"). Medio listón a cada lado, el listón se aguantaba perfectamente. Luego he puesto una lata sobre el listón en un punto cercano al centro (pero no muy alejado) y en el lado derecho con respecto a la lata central, que he ligado para que no se moviera. A esta lata le llamo "P" (de "peso"). El listón ha caído, claro, ninguna sorpresa. He probado a poner otra lata vertical bajo el extremo opuesto del listón (le llamaré "S" por "apoyo secundario"), para que el listón tuviera dos apoyos, pero el listón se empeña en caer igualmente. Estoy trabajando con una "palanca de primera clase", en la que la potencia y la resistencia se deben equilibrar para permitir que el listón se mantenga horizontal (véase http://es.wikipedia.org/wiki/Palanca ).

Entonces he ido desplazando la lata "A" hacia la "P" hasta que he encontrado un punto en el que el listón no caía: el peso a cada lado de la lata "A" era el mismo (por eso utilizo latas vacías, para poder compensar su peso con el del listón). La lata del extremo "S" no afecta para nada al balance, puesto que no introduce ninguna fuerza hacia abajo del listón, no ayda a la resistencia. Pero sirve para otra cosa: si la lata "A" la coloco justo debajo de la "P", o simplemente más allá del punto en el que se equilibraban los pesos, entonces el listón no cae porque se apoya en la "S". Lo que sucede es que el peso del listón y de la lata "P" caen ahora del lado donde se encuentra "S", que impide que caiga el listón y empieza de verdad a ser un punto de apoyo.

Además, si utilizo más de un objeto "P", sé que los objetos situados sobre el listón a un lado y a otro de "A" (en ausencia de "S") no se equilibran simplemente porque pesen lo mismo, sino que la distancia a la que los sitúe de "A" forma parte de las leyes que gobiernan el equilibrio (véase el artículo de la palanca).

Física elemental, cierto, pero hay un problema: si el listón lo conviertes en un avión en vuelo entonces la carga ya no tiene como puntos de apoyo los trenes de aterrizaje, y todo lo que has previsto como equilibrado de cargas en tierra ya no tiene aplicación. Ahora el avión se sustenta en las alas (básicamente) y en los estabilizadores, estén donde estén situados. Pero no nos adelantemos, sigamos con los aviones en tierra.

En tierra hay dos puntos de apoyo (simplificando sin tener en cuenta las 3 dimensiones de un avión): el tren principal y el tren secundario (sea de morro o de cola). Esos dos puntos de apoyo se asemejan perfectamente a los "A" y "S" y los principios de estiba se basan en los mismos conceptos explicados más arriba. El avión no debe caer del lado en el que no hay apoyo secundario mientras se carga, por lo que la carga no se debe iniciar ni acumular de ese lado.

A diferencia de mi ejemplo con las latas el punto de apoyo secundario pesa como si estuviera sobre el listón, al estar firmemente sujeto al mismo y tirar hacia abajo de él, aunque ese peso no es muy sustancial.

Todo lo que lleva un avión, estructura incluida, por encima de los trenes de aterrizaje (sus apoyos) es carga que hay que equilibrar, todo pesa y el diseño de un avión debe tener en cuenta que el avión estará vacío de carga útil en tierra en muchos momentos de su vida (carga útil es igual a pasajeros y sus maletas más el resto de carga en bodega). El tren principal está, habitualmente, bajo las alas, por lo que la posición de las alas en el avión obliga al uso de un apoyo secundario situado en el lado opuesto al que se encuentren las alas. Si las alas están adelantadas (como en un DC-3) entonces el apoyo secundario consiste en una rueda bajo la cola. Si las alas están retrasadas con respecto al centro del fuselaje, entonces el apoyo secundario se convierte en una rueda de morro.

El uso de ruedas de morro en aviones de cierto tamaño se sistematizó en torno a la Segunda Guerra Mundial, con excepciones, por supuesto. La rueda trasera era mucho más útil y menos peligrosa al aterrizar en terrenos rugosos, la delantera es mucho más útil al aterrizar en asfalto. La trasera obliga a despegar levantando primera esa rueda del suelo, mientras el tren principal se mantiene en contacto todavía con el suelo, para evitar que en la rotación el peso del avión recaiga en un único punto de apoyo, lo que podría producir desequilibrios laterales y el toque del extremo de un ala con el suelo. Para poder levantar la rueda trasera antes del despegue los aviones necesitan sustentarse sobre los estabilizadores traseros, que deben ser suficientemente grandes.

Si nos fijamos en el diseño de un DC-3 nos daremos cuenta de que es avión muy dificil de tumbar por estiba, la zona de carga está atrás sobre la rueda de cola:

En cambio el DC-4 pasa a tener rueda de morro:

Y su variante Carvair, usada por Aviaco también:

En el DC-4 el peso del fuselaje tras las alas se compensa fundamentalmente con el de los motores, que están por delante del tren de aterrizaje principal. En este modelo de avión se ve claramente que no se puede cargar por detrás sin compensar con peso por delante del tren. La variante Carvair tenía por eso la zona de carga por delante del tren principal, y sobre la rueda de morro. Una zona de carga similar sobre cola no habría sido viable.

Los inconvenientes de la rueda trasera, a pesar de la ventaja aparente en el caso del DC-3 en lo que respecta al balance de carga, obligaron al cambio de estrategia. Esos inconvenientes son:

- Dificultad de observación de la pista en las operaciones de carreteo antes del despegue.
- En caso de frenada brusca el avión puede tocar con el morro en tierra, eventualidad posible incluso durante el aterrizaje. Aquí podemos ver un caso de ese tipo en el accidente de un Northrop Delta en 1938:

- Dificultad superior a la rueda delantera en los giros en tierra, al ser la rueda directriz la atrasada hay que adelantarse al giro para no sacar el morro del centro de la pista. Con una rueda trasera es más fácil hacer un trompo.
- Dificultades con viento cruzado. Al estar la rueda directriz bajo la cola, que soporta mayormente el empuje del viento cruzado, la ruta en tierra se ve enormemente dificultada con respecto a la misma situación pero con rueda delantera.
- Problemas de empuje desigual en tierra de los motores, porque el punto de ataque (el punto al que se dirige el avión) se mueve contiuamente. Este problema se minimiza con el timón, que compensa la deriva de la rueda directriz, lo que significa que los timones deben ser más potentes (grandes) de sus equivalentes con rueda de morro.
- Imposibilidad de utilizar el 100% de la potencia en despegues, por los problemas descritos anteriormente.

El aterrizaje con rueda trasera tiene dos técnicas posibles: las tres ruedas tocando a la vez (aterrizaje "en tres puntos") o la rueda trasera tocando después del tren principal. La primera técnica puede no ser posible en según qué condiciones de viento, pero tiene la ventaja de minimizar la longitud de pista necesaria para la frenada.

Para terminar esta primera entrega sobre la estiba, debemos recordar que el combustible forma parte fundamental en el equilibrio de un avión. En los aviones comerciales actuales los depósitos de combustible se sitúan en las alas, por lo tanto sobre el punto de apoyo del tren principal, lo que permite cargar el avión de combustible en tierra con independencia de la estiba de las demás cargas. Pero existen además otros depósitos fuera de ese eje, que ayudan al equilibrado del avión en vuelo. Conocido es el caso del Concorde, cuyas operaciones de trasvase de combustible en ruta ilustran muy bien la necesidad de equilibrar cargas en todo momento.

El Concorde era un avión con ala en Delta y de gran superficie. Contaba con 14 tanques de combustible, distribuidos en la práctica totalidad del ala salva uno de ellos, que se situaba justo bajo la cola, muy por detrás de las alas, en el cono posterior del avión.

En la imagen podemos apreciar el cono final del fuselaje: allí se encuentra ese vital depósito de combustible. El resto de los tanques se sitúan por delante o encima del tren de aterrizaje principal.

La velocidad supersónica del Concorde obligaba a retrasar el centro de gravedad del avión un par de metros desde el centro de gravedad en tierra, lo que se conseguía trasvasando combustible a ese depósito de cola una vez en vuelo. Ese combustible desplazado tenía su origen en los depósitos más adelantados, los de la zona en la que las alas mueren en el fuselaje.

En el momento de la desaceleración para el aterrizaje se procedía en contrario: el peso del combustible en cola se trasladaba a los tanques más adelantados. Estos procesos eran controlados por el ingeniero de vuelo.

Bien, hasta aquí esta primera aproximación a la estiba de un avión, que espero sea de vuestro agrado. En la próxima entraremos en la carga actual de aviones comerciales actuales.

Saludos,

José María Rebés
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Modificado el 05/01/2013 17:59:31

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