Así vuela un avión

…y un helicóptero, y un velero («planeador»), y los pájaros también.
En general, cualquier cosa más pesada que el aire, excepto los cohetes y proyectiles.


El avión más grande del mundo, un Antonov-225 de 640.000 kg MTOW con matrícula UR-82060,
despega del aeropuerto de East Midlands en un día frío y
ventoso de diciembre de 2005.
¿Qué clase de fuerza hace que una maldita cosa de 640 toneladas vuele?
;-D

Circulan por ahí muchas explicaciones de los motivos por los que vuela un avión. Sin embargo, una buena parte son erróneas y otras, incompletas. Las razones por las que un ala (fija o rotativa) genera sustentación parecen bastante oscuras, empezando por el hecho asombroso de que un maquinón de cientos de toneladas vuele como un pájaro… o incluso mejor. Como siempre, trataremos de aportar un poquito de luz al respecto. ;-)

Las fuerzas básicas del vuelo: peso, sustentación, empuje y arrastre.

Las fuerzas básicas del vuelo: peso, sustentación, empuje y arrastre.

De la necesidad de las alas.

Vimos ya en el post sobre los aviones supersónicos que hay cuatro fuerzas básicas del vuelo: peso, empuje, resistencia al avance y sustentación.  El peso está bastante claro y se deriva de la fuerza de la gravedad, que es la atracción natural entre los objetos con masa; la aeronave y la Tierra se atraen entre sí, con una enorme desproporción a favor de la Tierra. Fue Newton quien describió por primera vez esta ley de la gravitación universal, y a Newton le debemos también la segunda y tercera leyes del movimiento que explican el empuje: el empuje es una fuerza reactiva producida cuando un objeto acelera o expulsa masa en una dirección, lo que ocasiona una fuerza proporcional en sentido contrario. La resistencia al avance o arrastre obedece a varios fenómenos a la vez, entre los que se encuentra el rozamiento, y que podríamos resumir como la suma de las fuerzas que actúan en sentido opuesto al empuje.

Nosotros vamos a concentrarnos hoy en la sustentación. La sustentación es una fuerza aerodinámica perpendicular al flujo del aire, que se produce cuando un objeto avanza a través del mismo. Cualquier objeto puede producir sustentación, pero sólo los objetos con un determinado perfil producen más sustentación que arrastre para vencer al peso eficientemente. Este perfil es el denominado perfil alar (airfoil). La eficiencia de un ala se mide mediante la relación sustentación-arrastre (lift-to-drag ratio).

El ala, pues, resulta de gran utilidad para el vuelo porque es capaz de producir mucha sustentación con muy poco arrastre, en un gorrioncillo o en un Airbus A380. Los cohetes no tienen alas porque toda su fuerza ascensional procede del empuje, lo que resulta muy costoso energéticamente (pero muy útil cuando vas a mandar algo a un lugar donde no hay aire, y por tanto no se pueden producir fuerzas aerodinámicas). Para que algo más pesado que el aire vuele con un consumo razonable de energía, necesita un ala o algo que desempeñe la función del ala para generar sustentación. Y ahora, al grano: ¿cómo se produce esta sustentación? ¿Por qué las alas quieren volar?

Partes del ala.

Partes del perfil alar (sección del ala). Utilizaremos los siguientes términos en el texto a continuación: extradós, intradós, cuerda, borde de ataque y borde de salida; si no los conoces, sería conveniente que los localizaras en el gráfico para tener claro de qué hablamos. ;-)

Explicación (incorrecta) de la sustentación por efecto Venturi.

Explicación (incorrecta) de la sustentación por efecto Venturi. El aire acelerara al tener que realizar un recorrido mayor por el extradós que por el intradós; supuestamente, eso actuaría como una «boquilla de Venturi», reduciendo la presión del aire encima del ala. Sin embargo, no hay nada encima del ala que permita contener el aire para que esta «boquilla de Venturi virtual» pueda llegar a producirse: la superficie está «al aire». Si este fuera el principio de funcionamiento de la sustentación, el vuelo invertido no sería posible con un ala simple y los aviones de papel caerían al suelo sin más.

Las explicaciones incorrectas (o incompletas).

Como apunté al principio, hay varias explicaciones muy populares para la sustentación que o son incorrectas, o son incompletas. Una de las más comunes es la que podríamos denominar la «explicación Venturi«, no porque la propusiera Venturi (que obviamente no lo hizo), sino porque se atribuye la sustentación al efecto Venturi. Según esta explicación (recordemos: incorrecta) la parte superior del ala o extradós estaría construida con una curvatura mayor y por tanto mayor longitud que la parte inferior o intradós. Cuando la aeronave pasa a través del aire, cortándolo, eso aceleraría el aire que pasa por la parte superior, reduciendo así su presión como en una boquilla de Venturi. Esta zona de baja presión generada encima del ala actuaría como una «ventosa», produciendo la sustentación.

Esta explicación presenta varios problemas insuperables. El más fundamental, obviamente, es que el extradós de un ala no es una boquilla de Venturi: se trata de una superficie plana, no de ninguna clase de cilindro. Tendríamos sólo una pared de la boquilla y faltaría el resto; por tanto, no puede actuar de ese modo.

Como consecuencia de este error, se derivarían efectos curiosos que no se dan en la realidad. Uno de ellos es que un avión no podría volar boca abajo, puesto que en ese caso el extradós apuntaría hacia el suelo y la sustentación generada apuntaría hacia el suelo también, con lo que esta fuerza se sumaría al peso y el aparato se desplomaría más que como una piedra. Sin embargo, esto evidentemente no es así: los aviones pueden realizar vuelo invertido. Otro efecto curioso sería que la forma del intradós (la parte inferior) sería irrelevante, puesto que toda la sustentación se generaría en el extradós. Esto tampoco es así: la forma del intradós es tan importante como la del extradós y un perfil alar con un intradós de cualquier manera no funciona si intentamos construirlo en la práctica.


Un Sukhoi Su-31 acrobático, pilotado por Jurgis Kairys, pasa por debajo de un
puente en vuelo invertido. Esta maniobra no sería posible si la sustentación del
ala se generase únicamente en el extradós (por efecto Venturi o de cualquier otro modo),
puesto que al invertir el vuelo lanzaría a la aeronave hacia abajo junto con el peso.

Otra explicación parecida, que también supone que la sustentación se genera en el extradós (y por tanto haría igualmente imposible el vuelo invertido) podría denominarse como la conjetura del tiempo de tránsito igual. Esta conjetura se sustenta en la misma idea que la anterior y de hecho constituye una variante de la misma: la parte superior del perfil alar estaría diseñada para ser más larga que la inferior y cuando el ala corta el aire, éste tendría que viajar más deprisa por el extradós que por el intradós para encontrarse de nuevo en el borde de salida. Debido a esta velocidad mayor se produciría una zona de baja presión sobre el extradós, en este caso debida al principio de Bernoulli, lo que originaría la sustentación. Podemos ver que se parece mucho a la anterior, sustituyendo a Venturi por Bernoulli.

Conjetura (débil) de sustentación por efecto Bernoulli.

En la «variante Bernoulli», la zona de baja presión se produciría laminarmente en la superficie del extradós debido a la mayor velocidad del aire que circula por él. Este efecto provoca algo de sustentación, pero mucho menos que la medida en la realidad, y tampoco explicaría ni el vuelo invertido ni el del avioncito de papel.

Tampoco funciona. ;-) Para ser más exactos, no funciona lo suficiente. En realidad, una vez las dos láminas de aire se han separado en el borde de ataque, no hay ningún motivo por el que tengan que encontrarse al mismo tiempo en el de salida y de hecho no lo hacen. En la práctica, ocurre algo curioso: las moléculas de aire que circulan sobre el extradós se aceleran muchísimo más de lo esperado en esta conjetura del tiempo de tránsito igual y escapan por el borde de salida mucho antes de que lo hagan las que circulan bajo el intradós. Se podría pensar: «bueno, pues estupendo, ¿no? ¡Así se magnifica el efecto Bernoulli y aumentará aún más la presión diferencial!».

Lamentablemente, no. :-P De hecho, si se aplica la ecuación de Bernoulli para calcular las presiones así generadas, resulta que la sustentación final sería muchas veces menor que la observada en la realidad a pesar de la diferencia de velocidades. Y si esta fuera la causa fundamental de la sustentación, nos volveríamos a encontrar con que no puede explicar el vuelo invertido (cuando la aeronave se pusiera boca abajo, la fuerza «saliendo del extradós» la empujaría hacia abajo y se desplomaría a gran velocidad).

Ambas suposiciones se basan en principios físicos reales y sobradamente comprobados, lo que contribuye a la confusión porque no están «evidentemente mal», violando las leyes de la física.  Bernoulli y Venturi estaban en lo cierto. Lo que pasa es que estos no son los principios fundamentales que producen la sustentación (y de hecho ninguno de los dos científicos propuso jamás cosa semejante, entre otras cosas porque ambos son muy anteriores al vuelo de máquinas más pesadas que el aire). Por Venturi no se produce ninguna sustentación (no hay boquilla de Venturi) y por Bernoulli se produce muy poquita, prácticamente despreciable en el conjunto del fenómeno.

Las dos explicaciones presentan además el problema del avioncito de papel (o del ala delta, por ejemplo). En un avioncito de papiroflexia, el ala es prácticamente un plano sin diferencia significativa alguna entre su parte inferior y su parte superior (una hoja de papel, vaya…). Si las aeronaves funcionasen por algún mecanismo de acción diferencial entre el intradós y el extradós, un avioncito de papel no volaría porque no hay distinción práctica entre los dos lados del ala. Ni un ala delta, ni ninguna otra cosa por el estilo. No. Nasti. Necesitamos una hipótesis mejor.

Avión de papel

Sí, parece una coña, pero no lo es. Cualquier hipótesis de la sustentación aerodinámica que no explique algo tan aparentemente sencillo como el vuelo de un avioncito de papel es probablemente errónea y con toda seguridad incompleta. En un avión de papel, el perfil alar es plano a efectos prácticos y el intradós y extradós, idénticos; con lo que todas las conjeturas sustentadas estrictamente en mecanismos de presión diferencial entre ambas superficies lo tienen muy mal. Cosas de la ciencia. :-P Pero si no explica el vuelo de un avioncito de papel, ¿cómo pretenderemos que explique el vuelo de un Airbus A380 de 569.000 kilos MTOW? :-D

Modelo (débil) de sustentación por acción-reacción.

La conjetura de sustentación por acción-reacción, producida cuando las moléculas del aire impactan en el intradós, sólo funciona a velocidades y altitudes muy grandes. Para la mayor parte de casos, tampoco basta.

Una tercera conjetura, un poco más correcta pero aún insuficiente, se diferencia de las dos anteriores en que supone que la sustentación se genera en el intradós (la parte inferior) mediante un mecanismo newtoniano de acción-reacción (tercera ley del movimiento). Según esta idea, las moléculas del aire golpean la parte inferior del ala (que está algo angulada sobre su eje transversal) y rebotan como una piedra rebotando sobre el agua; al hacerlo, la «empujan» hacia arriba y con ella al resto del aparato. Parece una proposición maja, ¿eh?

Aquí el problema radica en que también hay aire en la parte superior. Y por tanto, sus moléculas rebotan igualmente sobre el extradós, anulando cualquier sustentación significativa producida por este mecanismo en el intradós (una empuja hacia arriba y la otra hacia abajo). Dar por buena esta explicación supondría también imaginar que dos alas con el mismo perfil inferior y distinto perfil superior generarían exactamente la misma sustentación; en el mundo real, se observa enseguida que esto no va así. Tampoco tendrían sentido dispositivos de conocida utilidad práctica como los spoilers, que actúan completamente sobre la sustentación generada en el extradós (si en la parte superior no se produjera sustentación, entonces, ¿por qué intentar intervenir sobre la misma?). Por otra parte, si sacamos los cálculos de la sustentación producida por este método, tampoco cuadran con los registrados en el mundo real.

Esto tiene una excepción. En vuelo de muy-muy gran altitud y muy-muy alta velocidad, algo así como más de 270.000 pies y más de diez mil kilómetros por hora –vamos, un transbordador espacial reentrando hipersónico en la atmósfera terrestre o cosa parecida–, este efecto parece predecir correctamente la sustentación observada en la realidad. Se debería a que, en condiciones de avance muy rápido y muy baja presión y densidad del aire, la cantidad de moléculas de aire que «aprietan y golpean» sobre el extradós sería significativamente inferior a las que «aprietan y golpean» sobre el intradós (particularmente durante un vuelo descendente, como suele ocurrir en las reentradas…).

Sin embargo, en los vuelos más corrientes –por ejemplo el de un jetliner, típicamente a 30 o 35.000 pies de altitud y 800 a 900 km/h– este efecto se cancela a sí mismo porque las moléculas de aire golpean por igual en el extradós y el intradós y como resultado no genera ninguna sustentación significativa.

Adicionalmente, los dos primeros modelos no explican y el tercero no describe correctamente otro efecto significativo observado en el vuelo real: cuanto más baja es la velocidad y mayor es la carga, más alto debe ser el ángulo de ataque (hasta un cierto límite). El ángulo de ataque es el ángulo entre la cuerda y la dirección del aire incidente. De la «explicación Venturi» y la «explicación Bernoulli», que dependen únicamente de la diferencia de longitud entre extradós e intradós, no se deduce ningún motivo por el que el ángulo de ataque deba variar en el vuelo a baja velocidad y/o con más carga. En la «explicación reactiva» podría encontrarse alguna justificación, pero si sacamos los cálculos, de nuevo resulta que no. Vamos a tener que pensar en algo mejor aún.

La máquina ala.

El elemento esencial para entender la sustentación no es la forma del ala, sino el ángulo de ataque. Acabamos de decir que esto es el ángulo entre la cuerda alar y la dirección del aire. Para que nos quede claro por completo, veámoslo en un dibujín:

Ángulo de ataque

El ángulo de ataque es el formado entre la cuerda alar y la dirección del aire.

¿Y por qué el ángulo de ataque es la clave? Pues porque los tres gráficos de arriba (los de las caritas :-D ) están mal. La parte de la derecha (la correspondiente al flujo de aire detrás del ala) está dibujada incorrectamente. En la realidad, cualquier ala que presente un ángulo de ataque distinto de 0º produce un flujo de aire más parecido al siguiente:

Flujo real de aire en torno a un ala en avance

Flujo real de aire en torno a un ala en avance.

Avión pasando cerca de una capa de nubes, lo que evidencia el downwash y los vórtices.

En esta foto se aprecia muy bien el «downwash» generado por un avión. Al pasar cerca de la capa de nubes, este aire desviado hacia abajo abre una especie de canal tras la aeronave. También se distinguen los vórtices producidos en las puntas de las alas, lo que ocasiona esa especie de «rizos» en la nube.

Puede observarse que al paso del ala hay una gran cantidad de aire que resulta desviada hacia abajo (en adelante, «downwash«). Si el ala está invertida, siempre que se mantenga el ángulo de ataque, el flujo de aire sigue circulando hacia abajo. De hecho, esto es exactamente lo que hace un piloto para volar en invertido: ajustar el ángulo de ataque. Y, por supuesto, el fenómeno también se produce con un ala totalmente plana como la de un avioncito de papel.

De hecho, el perfil alar es esencialmente irrelevante para la sustentación. La importancia del perfil alar está relacionada con el arrastre, y por tanto con la relación sustentación-arrastre (lift-to-drag ratio) que definirá finalmente la eficiencia del ala. Pero la sustentación a secas tiene muy poco que ver con el perfil alar y mucho con este ángulo de ataque y la formación del downwash.

¿Cuánto aire desvía hacia abajo el ala en forma de downwash? ¡Bastante! Una avioneta Cessna 172 de 1.045 kg volando a 220 km/h con un ángulo de ataque alar de 5º desvía unas trescientas toneladas por minuto; un avión grande a velocidades próximas a Mach 1, miles de toneladas por segundo. La manera exacta como se produce semejante fenómeno está muy bien explicada de forma bastante sencilla en este escrito (en inglés, me temo) redactado por David F. Anderson (que, además de físico retirado en el Laboratorio Nacional Fermi y el CERN, es piloto y entusiasta de la aviación) y Scott Eberhard, doctor en tecnología aeroespacial y diseñador para Boeing.

Flujo de aire en torno a un ala Kármán-Trefftz a 8º de ángulo de ataque.

Flujo potencial de aire en torno a un ala con perfil Kármán-Trefftz a 8º de ángulo de ataque.

¿Y por qué la formación del downwash produce sustentación? Cosas de Newton, y específicamente de su tercera ley del movimiento. Recordémosla:

«Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.»

El ala provoca un cambio en el momento del aire que está desviando a razón de cientos o miles de toneladas por segundo (acción) y a cambio se produce en la misma una fuerza igual y opuesta (reacción). Si el aire está siendo desviado hacia el suelo, esta fuerza igual y opuesta empuja hacia el cielo. Eso es, exactamente, la sustentación. Así de simple.

La manera precisa como se desarrollan estos flujos de aire y la sustentación consiguiente es extremadamente compleja y se describe mediante las ecuaciones de Navier-Stokes. A pesar de esta complejidad en el detalle, algunos elementos principales de la sustentación se pueden describir de forma bastante sencilla, pues se derivan directamente de las leyes newtonianas que son centrales al fenómeno. Por ejemplo, los siguientes:

Alphajet y Mirage 2000.

Durante una exhibición en Cambrai, un caza Mirage 2000C acompaña a un avión táctico Alphajet, mucho más lento. Puede observarse cómo el piloto del Mirage ha tenido que aumentar notablemente el ángulo de ataque para mantener la sustentación a una velocidad tan baja (para su diseño). Este fenómeno no tendría sentido si la sustentación no fuera fundamentalmente dependiente del ángulo de ataque. Foto: Ian Older en airliners.net.

  • Hemos quedado en que la sustentación es una fuerza reactiva igual y opuesta a la transferencia de momento al aire ocasionada por el ala. Dado que el momento es igual a la masa por la velocidad, la sustentación es directamente proporcional a la cantidad de aire desviado y la velocidad vertical del mismo: cuanto más aire se desvíe a mayor velocidad vertical, más aumenta la sustentación, y viceversa. Por eso un ala de gran longitud a gran ángulo de ataque genera mucha más sustentación que un ala de poca superficie a poco ángulo de ataque: el ángulo de ataque determina cuál va a ser el componente vertical de la masa de aire desviada, mientras que la superficie alar define cuánto aire se desviará.
  • La masa de aire desviada es directamente proporcional a la velocidad del ala, a su longitud y la densidad del propio aire. Si la densidad del aire es baja (como sucede, por ejemplo, a gran altitud) hace falta un ala más grande o más veloz para desviar la misma masa de aire. Por este motivo, los aviones que deben volar a gran altitud tienen alas muy largas y/o motores muy potentes.
  • La velocidad vertical de la masa de aire desviada es directamente proporcional al ángulo de ataque (como ya hemos dicho) pero también a la velocidad del ala. A mayor velocidad de avance, se puede obtener la misma sustentación con un ángulo de ataque menor. Por eso, a poca velocidad (por ejemplo, durante un aterrizaje) el ángulo de ataque se incrementa mucho.
  • Conforme la carga de la aeronave aumenta, se requiere más sustentación. Eso significa que se requiere más velocidad del ala, más longitud del ala (en la práctica, más área, pues de lo contrario la carga alar será muy elevada y se romperá) y/o más ángulo de ataque.

En la sustentación aerodinámica actúa también otro efecto significativo: los vórtices. En la parte superior del ala la presión suele ser más baja que en la parte inferior. En la punta del ala, el aire tiene libertad para moverse de la zona de alta presión (debajo) a la zona de baja presión (arriba), lo que genera una fuerte turbulencia en espiral que son estos vórtices. Esto produce un componente de downwash adicional, muy intenso en el extremo del ala y más débil hacia el centro de la aeronave, que contribuye significativamente a la sustentación final (a favor o en contra dependiendo del tipo de vuelo; en los aviones, generalmente actúan en contra). Algunas aves ligeras como los colibrís y numerosos insectos son capaces de mantener vuelo estacionario exclusivamente mediante la generación de esta clase de turbulencias, batiendo sus alas (si bien a un coste energético elevado). El vuelo del frisbee es una combinación de efecto Bernoulli y sobre todo vórtices de borde de salida. Los vórtices de extremo alar son también el componente básico de la estela turbulenta que las aeronaves dejan detrás. Los winglets (esas aletitas en las puntas de las alas que llevan los aviones modernos) sirven para optimizar la generación de estos vórtices (minimizándolos, ya que en este caso actúan en contra).

Gráfica de ángulo de ataque frente a sustentación

La sustentación es una función directa del ángulo de ataque. El perfil alar, por su parte, es importante para determinar algunas de las características esenciales del vuelo, como la relación sustentación-arrastre o el ángulo crítico de entrada en pérdida.

Quisiera incidir en una cosa. Estoy diciendo todo el rato que la sustentación es fundamentalmente dependiente del ángulo de ataque, no del perfil alar, y así es. Pero eso no quiere decir que el perfil alar no tenga importancia en la fuerza ascensional final. Como ya apunté, el perfil alar es definitivo para el arrastre, que es la fuerza que se opone al empuje (recuerda el primer gráfico de este post). Si el arrastre aumenta mucho (si la relación sustentación-arrastre se reduce), el avión volará cada vez peor y finalmente no volará en absoluto. También es clave en la formación y desarrollo de la capa límite.

Vinculado con esto último, otro fenómeno de interés en este asunto es la entrada en pérdida (stall), relacionado al mismo tiempo con el ángulo de ataque y con el perfil alar. De lo dicho anteriormente podría pensarse que el ángulo de ataque se puede aumentar de manera ilimitada (hasta los 90º o cerca) para incrementar la sustentación. Sin embargo, esto no es así. La capacidad del ala para desviar el aire y producir el downwash depende de la incompresibilidad y de la viscosidad del aire; incomprensibilidad y viscosidad que tienen un límite. Dicho en términos sencillos, el ala sólo puede desviar el aire si éste se mantiene «adherido» a su superficie; a partir de cierto ángulo de ataque, el aire comienza a «desprenderse» del ala y la sustentación colapsa rápidamente. Este ángulo de ataque máximo a partir del cual el aire se separa significativamente de un determinado perfil alar se llama ángulo de ataque crítico.

La entrada en pérdida se produce habitualmente cuando una velocidad baja obliga a aumentar tanto el ángulo de ataque que éste supera al ángulo de ataque crítico (lo que a veces sucede porque las características de sustentación del ala han variado, por ejemplo mediante la acción –o inacción– de los flaps u otros dispositivos hipersustentadores). Esta velocidad mínima a la que un avión puede volar sin que el obligado ángulo de ataque supere al ángulo de ataque crítico es la velocidad de entrada en pérdida.

Una vez perdida, la única manera de recuperar la sustentación es que el ángulo de ataque caiga otra vez por debajo del ángulo de ataque crítico. Esto puede ser más complicado de hacer que de decir si a consecuencia de la pérdida el avión ha entrado también en barrena.

Un cohete Soyuz se aleja hacia el espacio por el interior de la atmósfera terrestre.

Un cohete Soyuz se aleja hacia el espacio, aún dentro de la atmósfera terrestre. La sustentación de un cohete es en su mayor parte no-aerodinámica, generada a pura fuerza de motores con un alto coste energético. Las naves espaciales sólo deben respetar las leyes de la aerodinámica mientras se encuentran en la atmósfera.

¿Y por qué vuela un helicóptero?

Se desprende de todo lo dicho que la sustentación aerodinámica depende de varias cosas. Una, de que haya un aire, esto es, un fluido gaseoso que desviar con un ala; por ejemplo, este que forma la atmósfera terrestre y que tenemos la costumbre de respirar. (Aún queda por ahí quien cree que el aire es «la nada» o «el vacío», pero esto evidentemente no es así: aunque sea generalmente invisible al ojo, se trata de un gas compuesto por nitrógeno y oxígeno en su 99%) Aquellas naves cuyo propósito es viajar por lugares donde no hay aire, como las naves espaciales, sólo usan los principios aerodinámicos durante el lanzamiento o la reentrada en la atmósfera terrestre; durante el vuelo espacial propiamente dicho, se rigen por otra aplicación muy distinta de las leyes de Newton. Los proyectiles en general se rigen por las leyes de la balística.

Las aeronaves más ligeras que el aire, es decir los globos y dirigibles, no vuelan por sustentación aerodinámica sino por flotabilidad, siguiendo el principio de Arquímedes exactamente igual que un barco o un submarino hacen en el agua. De hecho, en inglés a los dirigibles se les llama airships: los barcos del aire. Del mismo modo, se podría decir que barcos y submarinos son los dirigibles del agua: generalmente flotan y no se van al fondo del mar matarilerilerile por flotabilidad, no por sustentación hidrodinámica. Algunos navíos en los que la sustentación hidrodinámica resulta importante para su funcionamiento son los hidroalas o, simplemente, una tabla de surf. Pero todos los buques, de superficie o submarinos, son esencialmente hidronaves más ligeras que el agua.

Entre unos y otros se encuentran los aerodeslizadores (hovercrafts) y los ekranoplanos. Ambos se comportan técnicamente como aeronaves, si bien su sustentación obedece a un efecto aerodinámico distinto: el efecto suelo. En el caso de los aerodeslizadores, se trata de un colchón de aire producido al disparar este gas directamente contra el suelo, en un efecto acción-reacción. Los ekranoplanos utilizan el efecto suelo de manera mucho más eficaz cuando se desplazan sobre el agua.

La sustentación aerodinámica (e hidrodinámica, que vienen a ser dos caras de la misma moneda) requiere además velocidad. Ya hemos visto por qué: la sustentación aerodinámica es dependiente de la velocidad del ala con respecto al aire. Si no hay velocidad, el aire no se puede desviar, no hay ángulo de ataque, no hay downwash, no hay vórtices y no hay sustentación que valga. Tanto los pájaros como los aviones, ambos más pesados que el aire, vuelan porque avanzan (si bien ya mencionamos que algunos animales muy ligeros, como los colibríes y varios insectos, pueden generar sustentación estática durante largo rato mediante la generación de vórtices de borde de ataque; eso sí, a gran coste energético).

Helicóptero a baja altitud

En este tipo de imágenes se aprecia bien el efecto causado por el «downwash» del ala rotativa («hélice superior») en el agua que hay debajo.

Los helicópteros no son una excepción y también obtienen su sustentación aerodinámica mediante el movimiento de su ala con respecto al aire. ¿Qué ala? Pues la pala o «hélice», claro. Las palas de un helicóptero son sus alas, que se mueven en círculo con respecto al aire mediante un motor rotativo, generando así la sustentación exactamente igual que cualquier otra ala.

De hecho, todas las hélices son alas rotativas; incluyendo, por ejemplo, un ventilador. El airecito que nos da un ventilador no es sino el downwash aerodinámico inducido por el ala rotativa (y es bien sabido lo muy bien y muy peligrosamente que vuelan cuando se sueltan del eje, hasta que pierden velocidad). La primera máquina más pesada que el aire de la humanidad fue también un ala rotativa: el búmeran (boomerang) y diversos tipos de palos lanzables en general, mucho más antiguos que el arco y la flecha, cuyos orígenes se pierden en las sombras de la prehistoria.

De viejo fue sueño humano esto de volar, cosa de locos y visionarios. Y aunque ahora ya nos resulte natural por completo, hace apenas 227 años que los hermanos Montgolfier se elevaron al cielo con su globo, los fundamentos teóricos de la aerodinámica no fueron establecidos hasta 1799 y hubo que esperar hasta 1903 para que los hermanos Wright desarrollaran el vuelo controlado, autopropulsado y sostenido exclusivamente por fuerzas aerodinámicas de una máquina más pesada que el aire. Apenas 107 años después, volar de un lugar a otro parece haberse convertido en cosa corriente e incluso hablamos de las crisis de la aviación, olvidando a menudo que aún vive gente que conoció un mundo donde todavía no habíamos aprendido a volar.

Para más información y detalles:

Anderson, D. y Eberhardt, S. (2009), A physical description of flight, revisited (ex-Fermi National Laboratory / Boeing, resumen de  Understanding flight de McGraw-Hill, por los mismos autores). Disponible en inglés aquí.

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¿Por qué ya no tenemos aviones civiles supersónicos?

Hace treinta años, había más de veinte aviones civiles supersónicos surcando los cielos.
Hoy, no queda ninguno y no se prevé que vuelva a suceder pronto. ¿Por qué?

Primer avión civil supersónico

Este Tupolev Tu-144, matrícula CCCP-68001, fue el primer avión civil supersónico del mundo. Todavía un prototipo, realizó su vuelo inaugural el 31 de diciembre de 1968 desde la base aérea de Zhukovsky (URSS), dos meses antes que el prototipo inicial del Concorde F-WTSS. La primera ruta comercial supersónica fue establecida con Tu-144 entre Moscú y Almá-Atá el 26 de diciembre de 1975, seguida por las del Concorde a partir del 21 de enero de 1976.

Último aterrizaje de un avión civil supersónico

Los últimos segundos de la historia del vuelo civil supersónico: el Concorde matrícula G-BOAF de British Airways aterriza en Filton (Reino Unido) a las 14:08 del 26 de noviembre de 2003, completando así el último viaje de este tipo de transporte hasta la actualidad.

Siempre se dice que es por el dinero. Sin embargo, varias líneas supersónicas resultaron ser rentables, al menos marginalmente. British Airways, por ejemplo, le sacaba veinte millones de libras anuales a sus vuelos Londres-Nueva York y Londres-Barbados en Concorde; y se dice que al final recuperaron mil setecientos millones en total frente a una inversión de mil millones. Ya en 1984, algunos medios afirmaban que el avión supersónico anglo-francés había logrado romper la barrera del beneficio (aunque Air France no se enteró mucho).

Pero las ganancias intangibles en forma de prestigio, desarrollo de tecnologías avanzadas y oportunidades empresariales fueron mucho mayores: se puede decir que difícilmente Airbus habría salido adelante si el Concorde no hubiese despegado jamás (sobre todo teniendo en cuenta el fracaso del Mercure y la precaria situación política que rodeaba al A300 en aquellos momentos). Fue el Concorde quien demostró que la cooperación intereuropea podía funcionar y crear grandes innovaciones frente a gigantes como Boeing; su emblemática silueta surcando los cielos fascinó a millones de personas, atrayendo incontables clientes a las compañías que los operaban y elevada reputación a sus países durante muchos años.

El Tu-144, aún más ambicioso (entre otras cosas, volaba significativamente más rápido y podía llevar más carga, aunque con menor alcance), estuvo plagado de problemas que limitaron enormemente su operación comercial y finalmente lo conducirían a una temprana cancelación. Sin embargo, las tecnologías derivadas permitieron a la URSS el desarrollo de grandes aviones supersónicos militares como el bombardero nuclear estratégico Tu-160, así como un número de avances de gran interés para otros aparatos militares, lanzadores espaciales mejorados en su tramo atmosférico y distintos tipos de misiles aéreos. Por no mencionar su reutilización como laboratorio volante para Rusia y la NASA norteamericana.

Por otra parte, los aparatos civiles supersónicos también se cobraron algunas vidas: 113 en el caso del Concorde (el único desastre de toda su carrera) y 16 en los dos accidentes del Tu-144 (los siniestros del Tupolev ocurrieron durante un vuelo de pruebas y otro de exhibición, con lo que el número de víctimas fue reducido).

Cabe reseñar aquí un dato frecuentemente olvidado a la hora de evaluar sus posibilidades: tanto el Concorde como el Tu-144 representaban la primera generación de aviones comerciales supersónicos (y última por el momento). En mi opinión, juzgar al transporte comercial supersónico por los resultados de estas dos aeronaves se parece mucho a juzgar las posibilidades de los aviones a reacción por los resultados del De Havilland Comet o el Avro Jetliner: una tragedia y un fracaso, respectivamente. Si después del Comet y el Avro no hubieran llegado el Tupolev Tu-104 (el primer avión comercial a reacción con éxito) o el Boeing 707, quizá ahora mismo pensaríamos que eso de los aviones a reacción es un fiasco. Y si el Tupolev Tu-124 no hubiera demostrado la eficacia de los turboventiladores frente a los turborreactores para limitar el consumo de combustible, igual hoy estaban también todos retirados del servicio por insostenibles económica y ecológicamente.

Pero detrás del Tu-144 y del Concorde no vino nadie; y por tanto nunca hubo una segunda generación de aviones comerciales supersónicos que superara los problemas y limitaciones de la primera, abriendo así la posibilidad de reducir significativamente los costes operacionales. La URSS retiró del servicio activo al Tu-144 debido a sus deficiencias, mientras British Airways y Air France operaban su reducida flota de Concordes casi como una reliquia de otros tiempos; lo que por supuesto encarecía enormemente el mantenimiento, no permitía reducir el coste por economía de escala y no dejaba beneficios que pudieran ser reinvertidos en I+D para esta segunda generación.

Cabina de pasajeros del Tu-144 y el Concorde

Cabina de pasajeros del Tu-144 (izda.) y el Concorde (dcha.)

Los Estados Unidos, por su parte, ni siquiera lograron construir un transporte civil supersónico de ninguna clase, ni bueno ni malo: tras años de trabajo y unas inversiones económicas que casi acaban con Boeing (junto a otras cancelaciones), el B-2707 fue descartado en 1971 a pesar de que ya tenía 115 pedidos de 25 aerolíneas. Es la época del famoso cartel pagado por los sindicatos que decía «por favor, la última persona en Seattle, que apague la luz», en referencia a la catástrofe que esta cancelación representaba para el mercado laboral local.

¿Y por qué nunca hubo una segunda generación?

Sólo el Reino Unido, Francia, la URSS y los Estados Unidos (estos últimos en el ámbito exclusivamente militar) han sido capaces de crear aeronaves supersónicas pesadas, lo que ya nos da una idea de la enormidad del problema al que nos enfrentamos. La construcción de esta clase de aviones es una labor extremadamente difícil que exige importantes inversiones económicas y un plazo de tiempo suficiente para cometer errores y corregirlos antes de prometer alguna rentabilidad. En el estancado estado actual de la tecnología necesaria y con un mercado potencial tan inmaduro, por tanto, el riesgo empresarial es muy alto. Demasiado para que se sientan cómodos los accionistas de las empresas privadas, hoy en día dominantes en las actividades creativas y productivas de una mayoría de países. Digamos que ninguna de esas agencias de calificación que fallan más que una escopeta de feria –excepto cuando se dedican al negocio de la profecía autocumplida– concedería a esta inversión alguna «A».

Tanto el Concorde como el Tu-144 fueron proyectos esencialmente estatales o de financiación estatal, al igual que el vuelo espacial, la energía nuclear o los de exploración y ciencia muy avanzadas, por poner otros ejemplos. Para la empresa privada, es muy difícil –cuando no directamente inviable– realizar semejantes inversiones, correr tales riesgos y además con un plazo indeterminado de rentabilización; a menos, claro, que disponga de acceso extensivo al dinero de todos garantizado por el estado. Conforme los modelos económicos sustentados fundamentalmente en la iniciativa privada, el crédito y la reducción del gasto público fueron ganando terreno a lo largo de las últimas décadas, toda una serie de desarrollos científico-técnicos entre los que se encuentra el transporte civil supersónico fueron alejándose cada vez más. No es sólo una cuestión de capitalización, sino también de riesgo, expectativas de los mercados y plazos de rentabilización.

Para ser justos, lo cierto es que las dificultades a las que se enfrenta quien pretenda desarrollar un transporte comercial supersónico son varias, y complejas; si yo fuera uno de esos inversores, no creo que me metiese sin ponderar mucho la cuestión. Pero mucho. La primera de estas dificultades está, por supuesto, en los motores. Desarrollar un motor para velocidades supersónicas que sea ecológicamente sostenible y económicamente competitivo (resumiendo mucho: que sea de moderado mantenimiento, gaste poco combustible y así de paso contamine poco) representa un desafío formidable. Adicionalmente, el diseño de un motor supersónico varía notablemente con respecto al de uno subsónico, con lo que una parte sustancial de la experiencia existente para mejorar la eficiencia en motores de aviación civil no resulta aplicable.

Cabinas de pilotaje del Tu-144 y el Concorde

Cabinas de pilotaje del Tu-144 (izda.) y el Concorde (dcha.)

No obstante, hay aproximaciones posibles. Una característica poco conocida de los motores supersónicos es que, aunque su consumo específico de combustible es mayor cuando operan a altas velocidades, en realidad son más eficientes que los motores subsónicos por kilómetro recorrido. Esto se debe a un hecho sencillo: sin tener en cuenta los demás condicionantes, podrían recorrer más distancia en menos tiempo, con lo que la cifra de litros por kilómetro debería ser mejor que en los subsónicos hasta bastante por encima de Mach 2. Dicho de una manera simplificada: aunque gastan más combustible por segundo, tienen que estar muchos menos segundos en el aire para completar el mismo viaje.

Sin embargo, en la práctica esto no ocurre así: las aeronaves supersónicas son enormemente tragonas en comparación con las subsónicas. El Concorde, por ejemplo, consumía hasta 166 mililitros de combustible por pasajero y kilómetro recorrido. Esta es una cifra sólo levemente superior a la de un jet privado subsónico de largo alcance como el G-550 (148 ml por pasajero y kilómetro), pero se halla a enorme distancia de los grandes jetliners intercontinentales: entre 26 y 44 ml, según las distintas fuentes, para modelos como el Airbus A330, el Boeing-747 o el Airbus A380. El abismo competitivo resulta, a todas luces, importante. Y sin embargo, el problema principal no está en los motores. El problema radica en lo que tienen que mover esos motores. Más técnicamente: en la aerodinámica general, en la resistencia aerodinámica en particular, en el rendimiento aerodinámico máximo («lift-to-drag ratio»), el peso en vacío por pasajero, el coste extra de I+D y el coste de los materiales y procesos productivos especiales para la construcción del aparato, junto a otros asuntos menos técnicos pero también relevantes. Veámoslo.


Despegue del Tupolev Tu-144 con sus característicos
canards desplegados.

Fuerzas aerodinámicas básicas a velocidad subsónica y supersónica

Las fuerzas aerodinámicas básicas: peso, sustentación, empuje y resistencia. A velocidades supersónicas se reduce la sustentación y aumenta la resistencia, con lo que el empuje debe ser mucho mayor para mantener la altitud y velocidad.

Los desafíos de construir un avión supersónico.

El comportamiento aerodinámico de una nave supersónica resulta radicalmente distinto al de un aparato subsónico. En todo objeto que se mueva por dentro del aire, la fuerza de resistencia aerodinámica (que se opone al avance del aparato) es directamente proporcional al coeficiente de resistencia aerodinámica Cd, a la densidad del aire y al cuadrado de la velocidad. Esto significa que en cuanto la velocidad aumenta, la resistencia aerodinámica aumenta mucho más, lo que tiene el efecto de frenar el aparato (y, con ello, reducir la sustentación). Como esto es una ley física inevitable, los diseñadores de aviones muy rápidos tienen que jugar con los otros dos factores: la densidad del aire y el coeficiente de resistencia aerodinámica. Es decir, hay que crear un avión que vuele lo más alto posible (para reducir la densidad del aire circundante) y que tenga un coeficiente de resistencia aerodinámica lo más bajo posible. Esto obliga a darle una forma muy determinada y unas características muy específicas, que limitan el resto del diseño.

Lamentablemente, cuando el aparato se aproxima a la velocidad del sonido, surge otro fenómeno: la resistencia de onda. Entre Mach 0.8 y Mach 1.2, el coeficiente de resistencia aerodinámica Cd llega a multiplicarse por cuatro. Después, a velocidades claramente supersónicas, esta resistencia de onda desaparece y Cd es ya sólo un 30% a 50% más elevado que durante el vuelo subsónico. Sin embargo, este paso por la región transónica obliga a diseñar la aeronave con la potencia motriz y las características aerodinámicas necesarias para vencerla, aunque ambas sólo se vayan a usar durante unos momentos: de lo contrario, nunca lograría superarla. Tal exigencia constriñe aún más el diseño del aparato y sus motores.

A velocidades supersónicas, el rendimiento aerodinámico (lift to drag ratio) cae muy significativamente y con él la sustentación generada por las alas. Típicamente, a Mach 2 se reduce a la mitad: el Concorde, por ejemplo, presentaba un rendimiento aerodinámico de 7,14 mientras que el Boeing 747 lo tiene de 17. Esto obliga a diseñar unas alas muy especiales, con características muy distintas a las alas corrientes en los aviones subsónicos, que se comportan peor durante el vuelo a baja velocidad (sobre todo, en los despegues y aterrizajes); y, al mismo tiempo, hay que dotar al aparato de mayor empuje para que logre mantener su velocidad y altitud cuando está supersónico. O sea: más limitaciones al diseño y más potencia (y consumo) en los motores. Además, debido a todas estas razones el alcance queda reducido.

El vuelo a esas velocidades produce otro problema adicional: un enorme incremento de temperatura en las superficies y bordes de ataque por rozamiento y debido a la compresión adiabática del aire frente a la aeronave. Cuando volaba a Mach 2, el pico del Concorde se ponía a 127 ºC y el borde de ataque de las alas, a unos 105 ºC. En este rango de temperaturas, algunos materiales comúnmente usados en aviación por su coste y conveniencia como el aluminio comienzan a perder su templado y debilitarse. No ocurre de inmediato, pero sí con el uso. Por encima de estas temperaturas, hay que recurrir necesariamente a otros metales como el titanio, más pesados y con un coste mucho mayor. Como el Concorde estaba hecho con duraluminio, usando aleaciones de acero al titanio únicamente en algunos puntos, su velocidad efectiva quedaba limitada a Mach 2.02. El Tu-144, equipado con componentes de titanio en todas las zonas críticas, llegó a alcanzar Mach 2.26. Una curiosidad bastante famosa es que, debido a estas temperaturas, el Concorde se alargaba por dilatación hasta veinticinco centímetros; cosa que también hay que tener en cuenta durante el diseño.

Temperaturas estructurales del Concorde a Mach 2

Temperaturas estructurales del Concorde a Mach 2.

Otra peculiaridad menos conocida es que el color predominantemente blanco del Concorde y el Tu-144 no obedecía a una razón caprichosa: era para evitar el sobrecalentamiento adicional de la estructura en unos 10 ºC. Es decir, la misma razón por la que las casas suelen ser blancas en las regiones cálidas. Los aviones supersónicos pintados de negro por razones militares (como el SR-71 Blackbird) lo hacen a cambio de pagar una penalización térmica.

Estos regímenes térmicos obligan a una refrigeración adicional del avión y sus sistemas. El Concorde lo hacía utilizando el combustible almacenado en los depósitos y el Tu-144 mediante un sistema específico. Además, fuerzan a proteger las áreas interiores frontales –como la cabina de mandos– contra el calor. Como consecuencia de todo esto, las aeronaves supersónicas exigen diseños más afilados y estrechos, motores más potentes, sistemas adicionales de refrigeración y otras peculiaridades de diseño, lo que en su conjunto eleva el peso en vacío por asiento, antes incluso de considerar la carga de combustible. Es decir: hay que mover más avión para desplazar a un pasajero. En el Concorde, el peso en vacío por asiento era de 655 kg y en el Tu-144, de 607 (lo que daba al avión soviético una mejor capacidad de carga). Pero en aviones subsónicos, esta masa por asiento es muy inferior: 341 kg para el Boeing 747-400, 296 para el Airbus A380 y apenas 220 para el Airbus A321-200. Esto es: para transportar a un pasajero en Concorde hay que mover casi el triple de avión que para hacerlo en un Airbus A321. Eso, de manera prácticamente automática, significa que el coste va a ser como mínimo tres veces más caro.

En la práctica, un billete en Concorde de ida y vuelta para el vuelo Londres-Nueva York a finales de los años ’90 venía a estar en torno a los diez mil dólares, aunque a veces había ofertas y promociones (y en otras ocasiones te clavaban algo más). Eso equivale a unos trece o catorce mil dólares de hoy. En estos momentos, British Airways cobra exactamente eso mismo por un billete de primera clase en Boeing 747. Air France pide más de diez mil euros por el mismo viaje desde París en la première: casi quince mil dólares. Y se venden, al menos algunos, a pesar de que ahora cada vuelo dure siete u ocho horas en vez de tres. (Como curiosidad, el vuelo I/V Moscú-Almá Atá en business –no hay imperial para esa ruta– cuesta hoy unos 1.300 euros.)

Torpedo-cohete ruso VA-111 Shkval

Torpedo-cohete ruso VA-111 Shkval. Provisto con un sistema de supercavitación, que genera una capa de burbujas de aire a su alrededor y lo convierte en una especie de "avión submarino", puede alcanzar más de 370 km/h bajo el agua. Un sistema análogo para su uso en el aire, posiblemente usando tecnologías magnetohidrodinámicas, convertiría a un avión o un misil en una "nave espacial aérea" capaz de volar a velocidades hipersónicas.

Las dos soluciones hipotéticas para liberarse radicalmente de un buen número de estos problemas son un nuevo tipo de motor y/o combustible junto a una nueva aproximación aerodinámica. En este segundo caso, hay diversos estudios en curso en torno a la magnetohidrodinámica (que podría producir en el aire un fenómeno análogo a la supercavitación utilizada en el agua por el torpedo-cohete VA-111 Shkval); entre las instituciones que estudian esta cuestión se encuentran el Centro Marshall de la NASA (Estados Unidos), MBDA-France (antes Aerospatiale Matra Missiles, Francia), el Instituto de Investigación de Sistemas Hipersónicos (San Petersburgo, Rusia) y el Instituto de Investigación de Hidrodinámica Aplicada (NII-PGM, Rusia).

En Rusia, además, existe un proyecto de testbed tecnológico llamado Ayaks (Ajax), dependiente del Instituto de Investigación de Sistemas Hipersónicos y construido por Leninets. Se cree que saben cómo crear el efecto de «supercavitación aérea», mediante el uso de unos inyectores de spray catalítico sobre un sistema de generación de ondas termohidrodinámicas (¡yeah!), pero aún no han logrado solventar el problema de control de flujo del mismo. El aparato iría propulsado por un cohete o un estatorreactor scramjet y alcanzaría el rango de Mach 6 a 10 en la primera fase y de 12 a 20 en la segunda sin necesidad de abandonar la estratosfera. Como ocurriera con el Shkval, es muy probable que su primera aplicación sea misilística.

El proyecto francés se llama PROMETHEE, y su sistema de propulsión PREPHA (un ramjet avanzado de modo doble y geometría variable). Está a cargo de MBDA-France (Chatillôn) y ONERA (Palaiseau), con fondos del Ministerio de Defensa. Públicamente, empezaron en 1999 y muy probablemente tengan estrechas relaciones con el proyecto ruso: se sabe que utilizan el concepto Ayaks. Su pimer objetivo es el Mach 12. Pratt&Whitney (EEUU) y Snecma (Francia) colaboran en tecnología de materiales. La fase de propulsión está muy avanzada, pero no se sabe cómo andan en el control de flujo magnetohidrodinámico que parece traer locos a los rusos (si es que no dependen de ellos para resolverlo).

En cuanto a los norteamericanos, es posible que se haya estado trabajando en un concepto del que el X-41, el X-43, el X-51 y el recientemente fallido HTV serían prototipos tecnológicos diseñados para operar a velocidades entre Mach 6 y 20. Su sistema de propulsión estaría constituido por diversos tipos de scramjet o cohetes y no parece utilizar el efecto magnetohidrodinámico inducido activamente del Ayaks o el PROMETHEE, sino aprovechar eficientemente el efecto que se produce de manera natural a velocidades superiores a Mach 7. Esto limitaría el concepto tecnológico a velocidades máximas en torno a Mach 15 o lo obligaría a permanecer fuera de la estratosfera. Los australianos tienen un proyecto llamado HyShot, conceptualmente similar al norteamericano. Vamos, que aproximaciones aerodinámicas revolucionarias no faltan… aunque, de momento, todas ellas están orientadas al uso militar.

Otro problema notorio de las aeronaves supersónicas (e hipersónicas, vaya) es el estampido sónico, que obligaba al Concorde a acelerar únicamente cuando ya se hallaba sobre el océano (con la consiguiente ralentización de las operaciones y también su encarecimiento, pues como ya hemos dicho los aviones supersónicos vuelan poco eficientemente por debajo de la velocidad del sonido). Este es asunto de mucha enjundia para las organizaciones ciudadanas y ecologistas, lo que se traduce en fuertes presiones políticas y termina convirtiéndose en otra cuestión técnica a resolver. La NASA ya ha logrado reducir este problema a la mitad, y se sabe que ciertas formas del fuselaje producen ondas sonoras que tienden a cancelarse entre sí, con el resultado de ocasionar un estampido mucho más leve o ninguno en absoluto. Finalmente, cabe considerar que los aviones supersónicos –por su propia sofisticación y singularidad tecnológica– son más costosos en general de desarrollar, construir, mantener y operar.


Concorde volando a velocidad supersónica y gran altitud sobre el mar.
Se puede distinguir el característico estampido doble.

¿Y entonces…?

Seguramente, tras leer todo este post estarás pensando –como he hecho yo muchas veces– que, eh, bueno… pues después de todo, esas empresas y estados tienen buenos motivos para no invertir en una segunda generación de transporte comercial supersónico. Ya te lo dije más arriba: así es, los tienen. Bajo la lógica económica actual, yo mismo pondría de patitas en la calle a quien se le ocurriera meter mi dinero en aventuras semejantes.

El problema es que, bajo esa lógica económica, nada tiene sentido a menos que proporcione un beneficio a corto plazo y venza los miedos de los siempre temerosos inversores. Si se hubiera trabajado pensando en la cuenta de resultados del próximo trimestre, seguiríamos anclados a principios del siglo XX y aparatos como un TAC serían pura ciencia-ficción. A ver si nos entendemos: yo no estoy proponiendo meter dinero público o privado a lo loco en la primera chaladura que se nos pase por la cabeza. Pero el extremo contrario, que es donde estamos ahora y además con visos de profundizarse, nos estanca. Si todo ha de ser rentable a pocos meses o años vista y razonablemente seguro, mientras al mismo tiempo se siguen recortando los presupuestos públicos en I+D, entonces los avances revolucionarios nos están vedados porque éstos son intrínsecamente impredecibles, inseguros y arriesgados. Y, a menudo, caros.

Sukhoi Gulfstream S21

Diseño conjunto de Sukhoi y Gulfstream para un jet privado supersónico totalmente exclusivo: el S-21.

Estoy tratando de imaginarme ahora mismo a Enrico Fermi y Léo Szilárd intentando convencer a un banco de inversiones de que es posible crear una cosa llamada reactor nuclear que producirá grandes cantidades de energía y puede que algún día llegue a ser rentable (cosa que sigue siendo dudosa). O a Sergei Korolev explicando a una empresa de capital-riesgo que necesita una montaña de dinero para –no se rían, señores, por favor– poner a un hombre en el espacio, mandar varias naves a Venus y quizás –en algún indeterminado futuro– lograr que todo eso tenga algún sentido económico. Tampoco parece muy probable que los inversores hagan cola en la puerta para financiar Grandes Observatorios, aceleradores de partículas, reactores de fusión, estaciones espaciales o en general ninguna de las ciencias y desarrollos de donde luego emergen las tecnologías que las empresas usarán. Ni tampoco aviones supersónicos de segunda generación. Y sin embargo, si no fuera por todo esto –que fue sentando y decantando las bases de la tecnología actual– a buenas horas estarías tú ahora leyéndome por Internet o gozando de medicina avanzada en los hospitales, entre otras mil cosas. La verdad, cada día tengo más la sensación de que este siglo XXI vive de las rentas del siglo XX… y que estas rentas se están agotando a toda velocidad.

Pero no será por falta de propuestas. En el tema que nos ocupa, ahí están –o estuvieron– prototipos experimentales como el Sukhoi-Gulfstream S-21, el Tupolev Tu-444, el Aerion SBJ o el QSST; todos ellos concebidos como jets privados (más que nada porque algunas personas muy ricas podrían estar dispuestas a pagar por esta clase extraordinaria de exclusividad) pero también con una función evidente como bancos de pruebas tecnológicos. Con dinero público, la NASA mantiene un pequeño programa de investigación llamado Quiet Spike, dirigido a reducir el estampido sónico; y antes de eso, mantuvo otro que equipaba Tu-144, pero fue cancelado en 1999. Hay incluso algunos proyectos más ambiciosos como el hipersónico A2 de Reaction Engines.

Aquí ya no estamos hablando de construir naves interplanetarias tripuladas ni nada por el estilo, sino de actualizar un tipo más rápido de avión que ya poseíamos hace cuarenta puñeteros años. Tampoco tengo claro que, en un mundo cada vez más globalizado, no exista un mercado (a medio plazo, eso sí) para reducir la duración de todos esos larguísimos viajes Londres-Nueva York, Nueva York-Tokyo, Los Angeles-Seúl, San Francisco-Tokio o Hongkong-Seúl, por no mencionar cosas como Nueva York-Singapur (el famoso vuelo SQ-21, actualmente operado mediante Airbus A340), Dubai-Los Angeles, Atlanta-Johannesburgo o Vancouver-Sydney. Estas son, respectivamente, algunas de las rutas intercontinentales más transitadas y más largas del mundo; que podrían ser mejoradas y abreviadas mediante una nueva generación de aviones supersónicos con alcance extendido (¡hasta haciendo escalas sería mucho más rápido!). ¿Realmente no hay público al que le vendría bien hacer Nueva York-Singapur en menos de ocho horas, en vez de las casi diecinueve actuales? (Sobre todo si tenemos en cuenta que este vuelo, por ejemplo, ya es íntegramente premium: sólo hay business, no dispone de asientos en clase económica). El chiste de todo esto es que aquí ni siquiera se propone una aventura revolucionaria, sino meramente actualizar, rentabilizar y hacer económica y ecológicamente sostenible algo que ya existe hace décadas, que operó durante largos años y que se usa con normalidad en el ámbito militar. Pues ni por esas, oiga.

Aeropuerto de "París-Disney".

Aeropuerto de "París-Disney". ¿Dónde está París? ¿Y Eurodisney? Yo te lo diré: a 150 y 176 km, respectivamente. Estamos en medio del campo, entre Reims y Troyes.

Es que el mantra en el mundo de la aviación, ahora mismo, es low cost. Pero low cost a saco matraco, al centimeo mezquino y navajero. Desde bastante antes de que llegara la crisis, se viene diciendo que el público lo que quiere es pagar menos aunque vuele más incómodo, más despacio y entre aeropuertos remotos con nombres que dan risa como Londres-Stansted (que podría llamarse Cambridge-Sur: está más cerca), París-Disney (más exactamente, Reims-Sur o Troyes-Norte), Fráncfort-Hahn (que también podríamos denominar Luxemburgo-Este) y el cachondísimo Düsseldorf-Weeze (más bien Eindhoven-Weeze o Arnhem-Weeze, ¿por qué no?). Si tal cosa es cierta aunque sea sin llegar a esos extremos, y según algunos números parece que sí, desde luego no queda espacio ninguno para fomentar avances revolucionarios desde el ámbito privado. (Por cierto: en último término, ¿hasta dónde se puede seguir abaratando costes?)

Otra afirmación común es que los trenes de alta velocidad asfixian al sector aéreo. Pero esto sólo vale para las rutas regionales, por debajo de quinientos o como mucho mil kilómetros (y, por cierto, demuestra que la gente paga dinero por viajar más rápido mientras la diferencia no sea desmesurada). Las propuestas de transporte supersónico se ven tan afectadas por estos ferrocarriles como el superjumbo A380: nada en absoluto. Estos tipos de aeronaves son para largas distancias, no para vuelo regional.

Finalmente, podríamos citar como desmotivador definitivo la crisis generalizada del sector aéreo, que no está para aventuras de ninguna clase. Si el colapso de Pan Am en 1991 y la lenta agonía de TWA entre 1992 y 2001 ya representaron un cambio radical de modelo (mis lectores con alguna veteranía recordarán que esas compañías eran enormes, «las alas de los Estados Unidos»), a lo largo de la última década han quebrado aerolíneas emblemáticas a porrillo: Sabena (2001); Swissair (conocida como «el banco volante» por su tradicional fortaleza financiera, en 2002); United Airlines (2002, fusionada posterioremente con Continental); US Airways (2004, fusionada con la también quebrada America West); Alitalia (2009); Mexicana de Aviación (2010); Japan Airlines (2010) o la compleja doble bancarrota y fusión de Northwest y Delta (2005-2010). Todo esto sin mencionar a cientos de compañías pequeñas y medianas. El mal no acaba ahí: actualmente, varios monstruos de la industria aérea anuncian grandes pérdidas. Por ejemplo: British Airways (casi 13.000 millones de euros de pérdidas en 2009-2010), Air France-KLM (1.550 millones de euros) o Delta (1.240 millones de dólares).

Más allá de la crisis económica occidental, los factores que afectan a esta crisis de la industria aérea son complejos y profundos. Muchas veces se achaca la culpa a los atentados del 11-S, pero eso es una simpleza: tuvo su influencia, y su influencia ya pasó. Los problemas de este sector vienen de antes y se han ido ahondando con el paso de los años, en forma de ciclos de expansión y contracción que se remontan a los inicios de la desregulación.

Tabla de horarios y precios para el Concorde en torno a 1980

Tabla de horarios y precios para el Concorde, en torno a 1980.

El incremento de los precios del combustible a partir de la crisis de 1973 y sobre todo en el periodo 2003-2008 suele citarse como el elemento de mayor importancia. Veámoslo. En 1970, un barril de petróleo costaba 3,18 dólares, que en dólares ajustados a la inflación para 2010 equivale a $8,43. Ayer sábado, el Brent Spot se cotizaba a $82,35. Bien, ciertamente es un incremento enorme: unas diez veces más. El incremento del precio del petróleo no es algo que vaya a detenerse con facilidad, por lo que cabría plantearse el problema desde el otro lado: desarrollar sistemas de propulsión que consuman mucho menos. Sin embargo, el consumo específico de los motores de aviación apenas ha descendido en estos treinta años. Uno de los primeros turboventiladores de alto índice de derivación, el CF6-6D fabricado en 1971 por General Electric para el DC-10 original, tenía un consumo específico de 0,624 lb/lbf h en vuelo de crucero . Del mismo fabricante, el GE90-85B de 1995 para el Boeing 777 presenta un consumo específico en crucero de 0,52 lb/lbf h: apenas un 20% mejor, casi un cuarto de siglo después. Motores de reciente desarrollo como el GEnx o el Trent 1000 aseguran mejorar el consumo en «un 15%» sobre la generación precedente. Evidentemente, ninguna de estas cifras se acerca ni remotamente a compensar el incremento de los costes de combustible en este mismo periodo. La industria aérea necesita con urgencia un avance revolucionario en sistemas de propulsión si quiere regresar a algo siquiera remotamente parecido a los «buenos tiempos».

Ya dijimos que existe otra forma de combatir contra estos costes del combustible: las mejoras aerodinámicas. Como vimos más arriba, cuanto mejor sea la aerodinámica de una aeronave, menor es su resistencia al avance y menor será su consumo total. Por ejemplo: determinadas formas de las wingtips (esas aletitas que hay en la punta de las alas) reducen el consumo total entre en un 3,5 y un 5,5%. Ciertas modificaciones en las góndolas de los motores hacen lo propio, y así con todo. Sin embargo, de nuevo, las cifras son enormemente inferiores a lo necesario para compensar el incremento de los precios del combustible. Sin avances revolucionarios en aerodinámica, como los explicados para el desarrollo del vuelo hipersónico u otros análogos, la industria aérea tampoco hallará ninguna forma de minimizar el impacto de estos precios.

El conjunto de los costes operacionales, y no sólo el del combustible, se mencionan como otros factores coadyuvantes a la crisis del sector aeronáutico. Sin embargo, estos costes ya están extremadamente estirados a la baja, con las conocidas consecuencias laborales y sociales. Preguntaba arriba cuánto más se pueden rebajar. El de Ryanair habla de quitar al copiloto y no hace mucho sugerían la posibilidad de embutir pasajeros de pie como en un autobús en hora punta. Sin llegar a estos extremos, toda la industria del aire trabaja en un estrechísimo margen que cualquier novedad desafortunada puede tirar por tierra. Para disponer de márgenes más amplios, se necesitan más avances revolucionarios en automatización, economía de materiales y nuevos materiales para la construcción de piezas y repuestos, mil cosas.

En el contexto presente de crisis internacional, con la consiguiente reducción de la demanda (especialmente de la demanda premium) y una fuerte presión para bajar precios, las únicas soluciones que se proponen a las compañías aéreas son la reducción de costes y la reducción de capacidad. Es decir: hacerse más pequeñas y baratas, menos potentes. Esto es muy realista en la lógica económica presente, pero también un circulo vicioso. En ausencia de milagritos del tipo de un repentino periodo de expansión económica unido a un descenso radical del precio de los combustibles (una combinación extremadamente improbable: si la economía se recuperara con fuerza, es de suponer que el precio de los combustibles lo haría también), se trata de una senda que conduce a la decadencia.

Avión hipersónico Reaction Engines A2

Proyecto de avión hipersónico A2 de Reaction Engines.

Y sin embargo, todas estas cosas –avances radicales en la propulsión, en la aerodinámica, en materiales, en procesos fabriles, en mantenimiento, en automatización, en tecnologías aeroportuarias y de control de tráfico aéreo– son exactamente las mismas cosas que permitirían una segunda generación de aviones supersónicos. La posibilidad de construir nuevos aviones supersónicos y el despegue del sector aeronáutico más allá del estancamiento presente constituyen dos caras de la misma moneda, con los evidentes beneficios –también– para la clientela. Tiendo a pensar que un programa Apolo para la creación de nuevas aeronaves comerciales más rápidas que el sonido constituye una de las pocas posibilidades que permitirían el desarrollo rápido de estas tecnologías aunque fracasara.

Sin un revulsivo de ese o similar alcance, algo parecido al surgimiento del reactor, me cuesta imaginarme a la aviación saliendo de su estancamiento actual. Esta es la situación exacta en que o una industria encuentra la manera de reinventarse a sí misma, o está condenada a languidecer lentamente entre miserias y estrecheces cada vez mayores hasta su reducción a unos nichos irrelevantes. O el sector aeronáutico halla maneras de desarrollar tecnologías radicalmente nuevas con recursos públicos o privados como hacía en el pasado, que le permitan recuperar un amplio margen de acción, o ahí se queda y ya nunca volverá a despegar por mucho coste y capacidad que reduzca. Así, al menos, opino yo; el tiempo me dará o me quitará la razón.

Tu-144 y Concorde en Simshein

Un Tu-144 (CCCP-77112) y un Concorde (F-BVFE) en el Auto & Technik Museum Sinsheim, Alemania. Hubo un tiempo, cada vez más remoto, en que estas dos naves supersónicas surcaban los cielos a la vez.

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