Inversión de empuje

La inversión de empuje, también llamada empuje inverso, es la desviación temporal del empuje del motor de un avión para que actúe contra el avance del avión. proporcionando desaceleración. Muchos aviones a reacción incluyen sistemas de inversión de empuje para ayudar a reducir la velocidad justo después del aterrizaje, reduciendo el desgaste de los frenos y permitiendo distancias de aterrizaje más cortas. Estos dispositivos afectan significativamente a la aeronave y se consideran importantes para las operaciones seguras de las aerolíneas. Ha habido accidentes relacionados con sistemas de inversión de empuje, incluidos algunos mortales.

El empuje inverso también está disponible en muchos aviones propulsados por hélice invirtiendo las hélices de paso controlable a un ángulo negativo. El concepto equivalente para un barco se llama propulsión a popa.

Principio y usos

Una carrera de aterrizaje consiste en aterrizar, llevar el avión a velocidad de rodaje y, finalmente, detenerlo por completo. Sin embargo, la mayoría de los motores a reacción comerciales continúan produciendo empuje hacia adelante, incluso cuando están inactivos, actuando contra la desaceleración del avión. Los frenos del tren de aterrizaje de la mayoría de los aviones modernos son suficientes en circunstancias normales para detener el avión por sí solos, pero por motivos de seguridad y para reducir la tensión sobre los frenos, puede resultar beneficioso otro método de desaceleración. En escenarios de mal tiempo, donde factores como la nieve o la lluvia en la pista reducen la efectividad de los frenos, y en emergencias como despegues interrumpidos, esta necesidad es más pronunciada.

Un método simple y eficaz es 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 directamente hacia adelante. Sin embargo, por razones aerodinámicas, esto no es posible y se adopta un ángulo de 135°, lo que resulta en una efectividad menor de la que sería posible de otro modo. La inversión de empuje también se puede utilizar en vuelo para reducir la velocidad del aire, aunque esto no es común en los aviones modernos. Hay tres tipos comunes de sistemas de inversión de empuje que se utilizan en los motores a reacción: los sistemas de objetivo, de concha y de corriente fría. Algunos aviones propulsados por hélices equipados con hélices de paso variable pueden invertir el empuje cambiando el paso de las palas de sus hélices. La mayoría de los aviones comerciales tienen estos dispositivos y también tienen aplicaciones en la aviación militar.

Tipos de sistemas

Las aeronaves pequeñas normalmente no tienen sistemas de inversión de empuje, excepto en aplicaciones especializadas. Por otro lado, los aviones grandes (los que pesan más de 12.500 libras) casi siempre tienen la capacidad de invertir el empuje. Los aviones con motor alternativo, turbohélice y jet pueden diseñarse para incluir sistemas de inversión de empuje.

Aviones propulsados por hélice

Los aviones propulsados por hélices generan empuje inverso cambiando el ángulo de sus hélices de paso controlable para que las hélices dirijan su empuje hacia adelante. Esta característica de empuje inverso estuvo disponible con el desarrollo de hélices de paso controlable, que cambian 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 llama posición beta.

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

Una aplicación especial del empuje inverso se produce en su uso en hidroaviones y hidroaviones multimotor. Estos aviones, al aterrizar en el agua, no tienen ningún método de frenado convencional y deben recurrir al slalom y/o al empuje inverso, así como a 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 realizar giros cerrados o incluso propulsar el avión en reversa, maniobras que pueden resultar necesarias para abandonar un muelle o una playa.

Avión a reacción

En los aviones que utilizan motores a reacción, la inversión del empuje se logra haciendo que la explosión del reactor fluya hacia adelante. El motor no gira ni gira en reversa; en cambio, se utilizan dispositivos de inversión de empuje para bloquear la explosión y redirigirla hacia adelante. Los motores con una relación de derivación alta generalmente invierten el empuje cambiando solo la dirección del flujo de aire del ventilador, ya que la mayor parte del empuje es generado por esta sección, a diferencia del núcleo. Hay tres sistemas de inversión de empuje de motores a reacción de uso común:

Tipos externos

El inversor de empuje objetivo utiliza un par de puertas tipo cubo o clamshell operadas hidráulicamente para invertir la corriente de gas caliente. 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, y todavía es común hoy en día, dos cubos de inversión estaban articulados de manera que cuando se despliegan bloquean el flujo hacia atrás del escape y lo redirigen con un componente hacia adelante. Este tipo de inversor es visible en la parte trasera del motor durante el despliegue.

Tipos internos

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. En los motores turborreactores y turbofan de derivación de flujo mixto, un tipo utiliza deflectores clamshell operados neumáticamente para redirigir el escape del motor. Los conductos inversos pueden estar equipados con paletas en cascada para redirigir aún más el flujo de aire hacia adelante.

A diferencia de los dos tipos utilizados en los motores turborreactores y turbofan de derivación baja, muchos motores turbofan de derivación alta utilizan un inversor de corriente fría. Este diseño coloca las puertas deflectoras en el conducto de derivación para redirigir sólo la porción del flujo de aire de la sección del ventilador del motor que pasa por alto la cámara de combustión. 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. Los inversores Cascade utilizan una cascada de paletas que queda descubierta por un manguito alrededor del perímetro de la góndola del motor que se desliza hacia atrás mediante un motor neumático. Durante el funcionamiento normal, las paletas de empuje inverso están bloqueadas. Al seleccionarlo, el sistema pliega las puertas para bloquear la boquilla final de flujo frío y redirigir este flujo de aire a las paletas de la cascada.

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. También puede redirigir el flujo de escape central si está equipado con un alerón de flujo caliente. 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 góndolas que albergan motores grandes.

Operación

En la mayoría de las configuraciones de la cabina, el empuje inverso se establece cuando las palancas de empuje están en ralentí tirando de ellas más hacia atrás. El empuje inverso generalmente se aplica inmediatamente después del aterrizaje, a menudo junto con spoilers, 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 'compuerta' de empuje inverso.

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

Una vez que la velocidad del avión ha disminuido, el empuje inverso se apaga para evitar que el flujo de aire inverso arroje desechos frente a las tomas del motor, donde pueden ser ingeridos, causando daños por objetos extraños. Si las circunstancias lo requieren, se puede utilizar el empuje inverso hasta detenerse, o incluso para proporcionar empuje para empujar el avión hacia atrás, aunque los remolcadores o barras de remolque se utilizan más comúnmente para ese propósito. Cuando se utiliza 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 en condiciones de hielo, ya que el uso de empuje inverso en terrenos cubiertos de nieve o aguanieve puede hacer que el aguanieve y los descongelantes de la pista se eleven en el aire y se adhieran a las superficies de las alas.

Si no se desea toda la potencia del empuje inverso, el empuje inverso se puede operar con el acelerador ajustado a menos de la potencia máxima, incluso hasta el ralentí, lo que reduce la tensión y el desgaste de los componentes del motor. A veces se selecciona el empuje inverso en motores al ralentí para eliminar el empuje residual, en particular en condiciones de hielo o resbaladizas, o cuando los motores están en marcha. La explosión del jet podría causar daños.

Operación en vuelo

Algunos aviones, en particular algunos rusos y soviéticos, pueden utilizar de forma segura el empuje inverso en vuelo, aunque la mayoría de ellos son propulsados por hélice. Sin embargo, muchos aviones comerciales no pueden hacerlo. El uso en vuelo del empuje inverso tiene varias ventajas. Permite una rápida desaceleración, permitiendo cambios rápidos de velocidad. También evita el aumento de velocidad normalmente asociado con las inmersiones pronunciadas, lo que permite una rápida pérdida de altitud, lo que puede ser especialmente útil en entornos hostiles como zonas de combate y cuando se realizan aproximaciones pronunciadas a tierra.

La serie de aviones Douglas DC-8 ha sido certificada para empuje inverso en vuelo desde su entrada en servicio en 1959. Segura y efectiva para facilitar descensos rápidos a velocidades aceptables, sin embargo produjo importantes sacudidas en la aeronave, por lo que su uso real fue menos común. en vuelos de pasajeros y más común en vuelos de carga y ferry, donde la comodidad de los pasajeros no es una preocupación.

El Hawker Siddeley Trident, un avión de pasajeros de 120 a 180 asientos, 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 podría utilizar el empuje inverso en el aire para aumentar la velocidad de descenso. Sólo se utilizaron los motores internos, y los motores se colocaron en ralentí inverso sólo en vuelo subsónico y cuando el avión estaba por debajo de los 30.000 pies (9.100 m) de altitud. Esto aumentaría la velocidad de descenso a alrededor de 10.000 pies/min (3.000 m/min).

El Boeing C-17 Globemaster III es uno de los pocos aviones modernos que utilizan impulso inverso en vuelo. La aeronave fabricada en Boeing es capaz de desplegar en el 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 (un descenso de poco más de 170 mph, o 274 km/h). El Lockheed C-5 Galaxy, introducido en 1969, también tiene capacidad inversa en vuelo, aunque sólo en los motores a bordo.

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

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

Efectividad

La cantidad de empuje y potencia generada es proporcional a la velocidad de la aeronave, lo que hace que el empuje inverso sea más efectivo a altas velocidades. Para obtener la máxima eficacia, se debe aplicar rápidamente después del aterrizaje. Si se activa a bajas velocidades, es posible que se produzcan daños por objetos extraños. Existe cierto peligro de que un avión con inversores de empuje aplicados abandone momentáneamente el suelo nuevamente debido tanto al efecto del empuje inverso como al efecto de inclinación del morro hacia arriba de los spoilers. Para aeronaves susceptibles a tal suceso, los pilotos deben tener cuidado de alcanzar una posición firme en el suelo antes de aplicar el empuje inverso. Si se aplica antes de que la rueda de morro entre en contacto con el suelo, existe la posibilidad de que se despliegue asimétricamente y provoque una guiñada incontrolable hacia el lado de mayor empuje, ya que dirigir el avión con la rueda de morro es la única forma de mantener el control de la dirección. de viaje en esta situación.

El modo de empuje inverso se utiliza sólo durante una fracción del tiempo de operación de la aeronave, pero lo afecta en gran medida en términos de diseño, peso, mantenimiento, rendimiento y costo. Las sanciones son importantes pero necesarias, ya que proporciona fuerza de frenado para aumentar los márgenes de seguridad, control direccional durante las carreras de aterrizaje y ayuda en despegues frustrados y operaciones en tierra en pistas contaminadas donde la eficacia normal de frenado disminuye. Las aerolíneas consideran que los sistemas de inversión de empuje son una parte vital para alcanzar un nivel máximo de seguridad operativa de las aeronaves.

Accidentes e incidentes relacionados

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

• El 4 de julio de 1966 un avión de Nueva Zelanda Douglas DC-8-52 con el registro ZK-NZB se estrelló en un vuelo de entrenamiento de rutina desde el aeropuerto internacional de Auckland debido a la inversa empuje aplicado durante un fallo simulado del motor no.4 en despegue. El accidente mató a 2 de los 5 tripulantes a bordo.
• On 11 February 1978, Pacific Western Airlines Flight 314, a Boeing 737-200, crashed while executing a rejected landing at Cranbrook Airport. El reversor de empuje izquierdo no se había inclinado adecuadamente; se desplegó durante la escalada, causando que el avión rodara a la izquierda y golpeara el suelo. De 44 pasajeros y 5 tripulantes, sólo 6 pasajeros y un asistente de vuelo sobrevivieron.
• El 9 de febrero de 1982, Japón Airlines Vuelo 350 se estrelló a 300 metros de distancia de la pista del aeropuerto de Tokio Haneda tras el despliegue intencional de empuje inverso en dos de los cuatro motores de Douglas DC-8 por el capitán mentalmente inestable, lo que dio lugar a 24 muertes de pasajeros.
• On 29 August 1990, a United States Air Force Lockheed C-5 Galaxy crashed shortly after take-off from Ramstein Air Base in Germany. A medida que el avión comenzó a subir de la pista, uno de los inversores de empuje de repente desplegó. Esto dio lugar a la pérdida de control de la aeronave y el posterior accidente. De las 17 personas a bordo, 4 sobrevivieron al accidente.
• El 26 de mayo de 1991, Lauda Air Flight 004, a Boeing 767-300ER, tuvo un despliegue sin contratiempos del reversor de empuje del motor izquierdo, lo que hizo que el aerolineador entrara en una rápida inmersión y terminara en el aire. Los 213 pasajeros y 10 tripulantes fueron asesinados.
• El 31 de octubre de 1996, TAM Linhas Aéreas Vuelo 402, un Fokker 100, se estrelló poco después del despegue del Aeropuerto Internacional Congonhas-São Paulo, São Paulo, Brasil, golpeando dos edificios de apartamentos y varias casas. Los 90 pasajeros y 6 tripulantes, así como 3 personas en el suelo murieron en el accidente. El accidente se atribuyó al despliegue sin compromisos de un inversor de empuje defectuoso en el motor correcto poco después del despegue.
• On 10 February 2004, Kish Air Flight 7170, a Fokker 50, crashed while on approach to Sharjah International Airport. Un total de 43 de los 46 pasajeros y tripulación a bordo fueron asesinados. Los investigadores determinaron que los pilotos habían establecido prematuramente las hélices para invertir el modo de empuje, causando que perdieran el control de la aeronave.
• On 17 July 2007, TAM Linhas Aéreas Vuelo 3054, an Airbus A320 crashed after landing on Congonhas-São Paulo International Airport, São Paulo, Brazil, hitting a Shell Gas station, cars, and finally the TAM Express building, killing a total of 199 people, 187 aboard the plane and 12 on the ground, leaving no survivors. Un inversor de empuje inoperante fue una de las muchas causas del accidente.