Inversión de empuje

La inversión de empuje , también llamada empuje inverso , es la desviación temporal del empuje del motor de una aeronave para que actúe en contra del avance de la aeronave, lo que proporciona desaceleración . Los sistemas de inversión de empuje se incluyen en muchos aviones a reacción para ayudar a reducir la velocidad justo después del aterrizaje, lo que reduce el desgaste de los frenos y permite distancias de aterrizaje más cortas. Estos dispositivos afectan significativamente a la aeronave y las aerolíneas los consideran importantes para las operaciones seguras . Ha habido accidentes que involucraron sistemas de inversión de empuje, incluidos algunos fatales.

En muchos aviones propulsados ​​por hélice también se puede invertir el empuje invirtiendo las hélices de paso variable a un ángulo negativo. El concepto equivalente para un barco se denomina propulsión de popa .

El aterrizaje consiste en tocar tierra, llevar la aeronave a la velocidad de rodaje y, finalmente, detenerse por completo. Sin embargo, la mayoría de los motores a reacción comerciales continúan produciendo empuje en la dirección hacia adelante, incluso cuando están en ralentí, actuando contra la desaceleración de la aeronave. ^[1] Los frenos del tren de aterrizaje de la mayoría de las aeronaves modernas son suficientes en circunstancias normales para detener la aeronave por sí mismos, pero por razones de seguridad y para reducir la tensión en los frenos, ^[2] otro método de desaceleración puede ser beneficioso. En escenarios que involucran mal tiempo, donde factores como la nieve o la lluvia en la pista reducen la efectividad de los frenos, y en emergencias como despegues abortados , ^[3] esta necesidad es más pronunciada. ^[4]

Un método simple y eficaz consiste en invertir la dirección de la corriente de escape del motor a reacción y utilizar la potencia del propio motor para desacelerar. Lo ideal sería que la corriente de escape invertida se dirigiera en línea recta hacia adelante. ^[5] Sin embargo, por razones aerodinámicas , esto no es posible y se adopta un ángulo de 135°, lo que da como resultado una menor eficacia de la que sería posible de otro modo. La inversión del empuje también se puede utilizar en vuelo para reducir la velocidad aerodinámica, aunque esto no es habitual en los aviones modernos. ^[6] Hay tres tipos comunes de sistemas de inversión de empuje utilizados en los motores a reacción: el sistema de objetivo, el de concha y el de corriente fría. Algunos aviones propulsados ​​por hélice equipados con hélices de paso variable pueden invertir el empuje modificando el paso de las palas de la hélice. La mayoría de los aviones comerciales tienen este tipo de dispositivos, y también tiene aplicaciones en la aviación militar. ^[5]

Los aviones pequeños no suelen tener sistemas de inversión de empuje, excepto en aplicaciones especializadas. Por otro lado, los aviones grandes (aquellos que pesan más de 12.500 libras) casi siempre tienen la capacidad de invertir el empuje. Los aviones con motor alternativo , turbohélice y a reacción pueden diseñarse para incluir sistemas de inversión de empuje.

Los aviones propulsados ​​por hélice generan empuje inverso modificando el ángulo de sus hélices de paso variable para que dirijan su empuje hacia adelante. Esta característica de empuje inverso se hizo disponible con el desarrollo de las hélices de paso variable, que modifican el ángulo de las palas de la hélice para hacer un uso eficiente de la potencia del motor en una amplia gama de condiciones. El empuje inverso se crea cuando el ángulo de paso de la hélice se reduce de fino a negativo. Esto se denomina posición beta. ^[7]

Si bien los aviones con motor de pistón tienden a no tener empuje inverso, los aviones turbohélice generalmente sí lo tienen. ^[8] Los ejemplos incluyen el PAC P-750 XSTOL , ^[9] Cessna 208 Caravan y Pilatus PC-6 Porter .

Una aplicación especial del empuje inverso es su uso en hidroaviones y barcos voladores con varios motores . Estas aeronaves, al aterrizar en el agua, no tienen un método de frenado convencional y deben depender del eslalon y/o del empuje inverso, así como de la resistencia del agua para reducir la velocidad o detenerse. Además, el empuje inverso suele ser necesario para maniobrar en el agua, donde se utiliza para hacer giros cerrados o incluso para propulsar la aeronave en reversa, maniobras que pueden resultar necesarias para abandonar un muelle o una playa. ^{[ cita requerida ]}

En los aviones que utilizan motores a reacción, la inversión de empuje se logra haciendo que el chorro de aire fluya hacia adelante. El motor no gira ni gira en sentido inverso, sino que se utilizan dispositivos de inversión de empuje para bloquear el chorro y redirigirlo hacia adelante. Los motores con una relación de derivación alta generalmente invierten el empuje cambiando la dirección únicamente del flujo de aire del ventilador, ya que la mayor parte del empuje se genera en esta sección, en lugar del núcleo. Hay tres sistemas de inversión de empuje de motores a reacción de uso común: ^[6]

El inversor de empuje de destino utiliza un par de puertas tipo cubo o concha operadas hidráulicamente para invertir la corriente de gas caliente. ^[1] Para el empuje hacia adelante, estas puertas forman la tobera de propulsión del motor. En la implementación original de este sistema en el Boeing 707 , ^[10] y todavía común hoy en día, dos cubos inversores estaban articulados de modo que cuando se desplegaban bloqueaban el flujo hacia atrás del escape y lo redirigían con un componente hacia adelante. Este tipo de inversor es visible en la parte trasera del motor durante el despliegue. ^[6]

Los inversores de empuje internos utilizan puertas deflectoras dentro de la cubierta del motor para redirigir el flujo de aire a través de aberturas en el costado de la góndola. ^[1] En los motores turborreactores y turbofán de derivación de flujo mixto, un tipo utiliza deflectores de concha operados neumáticamente para redirigir el escape del motor. ^{[6] [5]} Los conductos del inversor pueden estar equipados con álabes en cascada para redirigir aún más el flujo de aire hacia adelante. ^[5]

A diferencia de los dos tipos utilizados en los motores turborreactores y turbofán de bajo bypass, muchos motores turborreactores de alto bypass utilizan un inversor de corriente fría . Este diseño coloca las puertas del deflector en el conducto de bypass para redirigir solo la parte del flujo de aire de la sección del ventilador del motor que pasa por alto la cámara de combustión . ^[4] Los motores como las versiones A320 y A340 del CFM56 dirigen el flujo de aire hacia adelante con un inversor de puerta pivotante similar a la cubierta interna utilizada en algunos turborreactores. ^{[11] Los inversores} en cascada utilizan una cascada de álabes que está descubierta por una manga alrededor del perímetro de la góndola del motor que se desliza hacia atrás por medio de un motor de aire. Durante el funcionamiento normal, los álabes de empuje inverso están bloqueados. Al seleccionarlo, el sistema pliega las puertas para bloquear la boquilla final de corriente fría y redirigir este flujo de aire a los álabes en cascada. ^[6]

En los inversores de corriente fría, el escape de la cámara de combustión continúa generando empuje hacia adelante, lo que hace que este diseño sea menos efectivo. ^{[1] [6]} También puede redirigir el flujo de escape del núcleo si está equipado con un alerón de corriente caliente. ^[5] El sistema de cascada de corriente fría es conocido por su integridad estructural, confiabilidad y versatilidad, pero puede ser pesado y difícil de integrar en las góndolas que albergan motores grandes. ^[12]

En la mayoría de las configuraciones de cabina, el empuje inverso se establece cuando las palancas de empuje están en ralentí tirando de ellas más hacia atrás. ^[1] El empuje inverso se aplica típicamente inmediatamente después del aterrizaje, a menudo junto con alerones , para mejorar la desaceleración al principio del recorrido de aterrizaje cuando la sustentación aerodinámica residual y la alta velocidad limitan la efectividad de los frenos ubicados en el tren de aterrizaje. El empuje inverso siempre se selecciona manualmente, ya sea usando palancas unidas a las palancas de empuje o moviendo las palancas de empuje hacia una "puerta" de empuje inverso.

La desaceleración temprana proporcionada por el empuje inverso puede reducir el recorrido de aterrizaje en una cuarta parte o más. ^[5] Sin embargo, las regulaciones dictan que una aeronave debe poder aterrizar en una pista sin el uso de la inversión de empuje para ser certificada para aterrizar allí como parte de un servicio aéreo programado .

Una vez que la velocidad del avión se ha reducido, se apaga el empuje inverso para evitar que el flujo de aire inverso arroje escombros frente a las entradas del motor, donde pueden ser ingeridos y causar daños por objetos extraños . Si las circunstancias lo requieren, se puede usar el empuje inverso hasta detenerse por completo, o incluso para proporcionar empuje para empujar el avión hacia atrás, aunque los remolcadores de aviones o las barras de remolque se usan más comúnmente para ese propósito. Cuando se usa el empuje inverso para empujar un avión hacia atrás desde la puerta, la maniobra se llama powerback . Algunos fabricantes advierten contra el uso de este procedimiento durante condiciones de hielo, ya que el uso del empuje inverso en un terreno cubierto de nieve o aguanieve puede hacer que el aguanieve, el agua y los descongelantes de la pista se eleven por el aire y se adhieran a las superficies de las alas. ^[13]

Si no se desea utilizar toda la potencia del empuje inverso, se puede utilizar el empuje inverso con el acelerador ajustado a menos de la potencia máxima, incluso a ralentí, lo que reduce la tensión y el desgaste de los componentes del motor. A veces se selecciona el empuje inverso con los motores en ralentí para eliminar el empuje residual, en particular en condiciones heladas o resbaladizas, o cuando el chorro de aire del motor podría causar daños. ^{[ cita requerida ]}

Algunas aeronaves, en particular algunas aeronaves rusas y soviéticas , pueden utilizar con seguridad el empuje inverso en vuelo, aunque la mayoría de ellas son impulsadas por hélices. Sin embargo, muchas aeronaves comerciales no pueden hacerlo. El uso del empuje inverso en vuelo tiene varias ventajas. Permite una rápida desaceleración, lo que permite cambios rápidos de velocidad. También evita la acumulación de velocidad normalmente asociada con los picados pronunciados, lo que permite una rápida pérdida de altitud , lo que puede ser especialmente útil en entornos hostiles como zonas de combate y al realizar aproximaciones pronunciadas para aterrizar. ^{[ cita requerida ]}

La serie de aviones de pasajeros Douglas DC-8 ha sido certificada para el empuje inverso en vuelo desde su entrada en servicio en 1959. Si bien es seguro y eficaz para facilitar descensos rápidos a velocidades aceptables, producía, no obstante, sacudidas significativas en la aeronave, por lo que su uso real era menos común en vuelos de pasajeros y más común en vuelos de carga y transbordadores, donde la comodidad de los pasajeros no es una preocupación. ^[14]

El Hawker Siddeley Trident , un avión de pasajeros con capacidad para 120 a 180 pasajeros, era capaz de descender a una velocidad de hasta 10.000 pies/min (3.050 m/min) mediante el uso de empuje inverso, aunque esta capacidad rara vez se utilizaba.

El avión supersónico Concorde podía utilizar el empuje inverso en el aire para aumentar la velocidad de descenso. Solo se utilizaban los motores internos y estos se ponían en ralentí inverso solo en vuelo subsónico y cuando el avión se encontraba por debajo de los 30.000 pies (9.100 m) de altitud. Esto aumentaría la velocidad de descenso a unos 10.000 pies/min (3.000 m/min). ^{[ cita requerida ]}

El Boeing C-17 Globemaster III es uno de los pocos aviones modernos que utiliza empuje inverso en vuelo. El avión fabricado por Boeing es capaz de desplegar en vuelo el empuje inverso en los cuatro motores para facilitar descensos tácticos pronunciados de hasta 15.000 pies/min (4.600 m/min) en entornos de combate (una velocidad de descenso de poco más de 170 mph, o 274 km/h). El Lockheed C-5 Galaxy , introducido en 1969, también tiene capacidad de retroceso en vuelo, aunque solo en los motores internos. ^[15]

El Saab 37 Viggen (retirado en noviembre de 2005) también tenía la capacidad de utilizar el empuje inverso tanto antes del aterrizaje, para acortar la pista necesaria, como durante el rodaje después del aterrizaje, lo que permitió que muchas carreteras suecas sirvieran también como pistas de aterrizaje en tiempos de guerra .

El avión de entrenamiento del transbordador , un Grumman Gulfstream II altamente modificado , utilizó el empuje inverso en vuelo para ayudar a simular la aerodinámica del transbordador espacial para que los astronautas pudieran practicar aterrizajes. Se empleó una técnica similar en un Tupolev Tu-154 modificado que simulaba el transbordador espacial ruso Buran . ^{[ cita requerida ]}

La cantidad de empuje y potencia generada son proporcionales a la velocidad de la aeronave, lo que hace que el empuje inverso sea más efectivo a altas velocidades. ^{[2] [ ¿ Fuente autopublicada? ]} Para lograr la máxima efectividad, debe aplicarse rápidamente después del aterrizaje. ^[1] Si se activa a bajas velocidades, es posible que se produzcan daños por objetos extraños . Existe cierto peligro de que una aeronave con inversores de empuje aplicados vuelva a dejar el suelo momentáneamente debido tanto al efecto del empuje inverso como al efecto de cabeceo de morro hacia arriba de los spoilers . En el caso de aeronaves susceptibles a tal suceso, los pilotos deben tener cuidado de lograr una posición firme en el suelo antes de aplicar el empuje inverso. ^[2] Si se aplica antes de que la rueda de morro esté en contacto con el suelo, existe la posibilidad de un despliegue asimétrico que provoque una guiñada incontrolable hacia el lado de mayor empuje, ya que dirigir la aeronave con la rueda de morro es la única forma de mantener el control de la dirección de viaje en esta situación. ^[1]

El modo de inversión de empuje se utiliza sólo durante una fracción del tiempo de funcionamiento de la aeronave, pero la afecta en gran medida en términos de diseño , peso, mantenimiento , rendimiento y coste. Las penalizaciones son significativas pero necesarias, ya que proporciona fuerza de frenado para márgenes de seguridad adicionales, control direccional durante los aterrizajes y ayuda en despegues interrumpidos y operaciones en tierra en pistas contaminadas donde la eficacia normal de frenado se ve disminuida. Las aerolíneas consideran que los sistemas de inversión de empuje son una parte vital para alcanzar un nivel máximo de seguridad operativa de la aeronave . ^[12]

El despliegue del empuje inverso en vuelo ha contribuido directamente a los accidentes de varias aeronaves de transporte:

• El 4 de julio de 1966, un Douglas DC-8-52 de Air New Zealand con matrícula ZK-NZB se estrelló durante el despegue en un vuelo de entrenamiento de rutina desde el Aeropuerto Internacional de Auckland debido a que se aplicó el empuje inverso durante una falla simulada del motor n.° 4 en el despegue. El accidente mató a 2 de los 5 tripulantes a bordo. ^[16]
• El 11 de febrero de 1978, el vuelo 314 de Pacific Western Airlines , un Boeing 737-200 , se estrelló mientras realizaba un aterrizaje fallido en el aeropuerto de Cranbrook . El inversor de empuje izquierdo no se había guardado correctamente; se desplegó durante el ascenso, lo que provocó que el avión se inclinara hacia la izquierda y golpeara el suelo. De los 44 pasajeros y 5 miembros de la tripulación, solo sobrevivieron 6 pasajeros y un asistente de vuelo.
• El 9 de febrero de 1982, el vuelo 350 de Japan Airlines se estrelló a 300 m de la pista del aeropuerto Haneda de Tokio tras el despliegue intencional del empuje inverso en dos de los cuatro motores del Douglas DC-8 por parte del capitán mentalmente inestable, lo que provocó la muerte de 24 pasajeros. ^{[17] [18] [19]}
• El 29 de agosto de 1990, un Lockheed C-5 Galaxy de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos se estrelló poco después de despegar de la base aérea de Ramstein en Alemania . Cuando el avión comenzó a ascender por la pista, uno de los inversores de empuje se desplegó de repente. Esto provocó la pérdida de control del avión y el posterior accidente. De las 17 personas a bordo, 4 sobrevivieron al accidente.
• El 26 de mayo de 1991, el vuelo 004 de Lauda Air , un Boeing 767-300ER , tuvo un despliegue no comandado del inversor de empuje del motor izquierdo, lo que provocó que el avión entrara en una rápida caída y se rompiera en el aire. ^[20] Los 213 pasajeros y 10 tripulantes murieron.
• El 31 de octubre de 1996, el vuelo 402 de TAM Linhas Aéreas , un Fokker 100 , se estrelló poco después de despegar del Aeropuerto Internacional de Congonhas-São Paulo , São Paulo , Brasil , y chocó contra dos edificios de apartamentos y varias casas. Los 90 pasajeros y los 6 miembros de la tripulación, así como las 3 personas que se encontraban en tierra, murieron en el accidente. El accidente se atribuyó al despliegue no comandado de un inversor de empuje defectuoso en el motor derecho poco después del despegue.
• El 10 de febrero de 2004, el vuelo 7170 de Kish Air , un Fokker 50 , se estrelló mientras se aproximaba al Aeropuerto Internacional de Sharjah . Murieron 43 de los 46 pasajeros y tripulantes a bordo. Los investigadores determinaron que los pilotos habían puesto las hélices en modo de inversión de empuje de forma prematura, lo que les hizo perder el control de la aeronave.

• Postcombustión
• Vectorización del empuje
• Despegue y aterrizaje verticales

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Inversores de empuje .

• Reducción de la distancia de aterrizaje
• "Spoiler de empuje Power Jets que puede dar empuje negativo para frenar": un artículo de Flight de 1945 sobre nuevos desarrollos de motores que muestra un dispositivo de empuje inverso Power Jets