Inversión del empuje

La inversión de empuje , también llamada empuje inverso , es un modo de funcionamiento de los motores a reacción equipados con un inversor de empuje en el que el empuje se dirige hacia adelante ^{[ 1 ]} para desacelerar una aeronave después del aterrizaje. Ayuda al frenado de las ruedas y reduce el desgaste de los frenos. Se han producido accidentes mortales por el uso inadvertido de la inversión de empuje en vuelo.

Las aeronaves equipadas con hélices también pueden tener un modo de funcionamiento para dirigir su empuje hacia adelante para frenar, conocido como funcionamiento en paso inverso.

La principal aplicación de la inversión de empuje es complementar los frenos de las ruedas al detenerse en la pista. Además, las aeronaves equipadas con inversores de empuje los utilizan para generar resistencia adicional en vuelo y permitir descensos más pronunciados. En tierra, algunos tipos de aeronaves pueden realizar pequeños movimientos de posicionamiento hacia atrás.

Un inversor de empuje funciona cambiando la dirección de los gases de escape al salir del motor a reacción. De esta forma, en lugar de salir directamente por la parte trasera, su recorrido se interrumpe y se desvía parcialmente hacia adelante. Alternativamente, su trayectoria dentro del motor se bloquea y los gases salen por los laterales, desviándose también parcialmente hacia adelante.

El motor ahora actúa en contra del movimiento de la aeronave como un dispositivo de frenado y necesita funcionar a alta velocidad, como durante el despegue, para proporcionar la cantidad necesaria de empuje inverso. ^{[ 2 ]}

Para lograr la máxima eficacia en la desaceleración de la aeronave, se utiliza el empuje inverso mientras aún se encuentra a alta velocidad, inmediatamente después de aterrizar en la pista. A medida que la aeronave disminuye la velocidad, el empuje inverso se cancela porque los gases de escape, que se mueven hacia adelante, serán succionados de nuevo por el motor a velocidades más bajas. ^{[ 3 ]} El frenado de las ruedas toma el relevo. ^{[ 4 ]}

El empuje inverso se utiliza en la mayoría de los aviones civiles, tanto de pasajeros como ejecutivos. Una excepción es el BAe 146 , que cuenta con un freno aerodinámico en la punta del fuselaje . Además, no siempre es necesario para todos los motores de un tipo de aeronave en particular si tiene más de dos. El Airbus A380, de cuatro motores, solo necesita inversores de empuje en dos de ellos, y el Dassault Falcon, de tres motores, solo necesita uno en el motor central.

El empuje inverso se ha utilizado en aviones de combate, como el Tornado y el Viggen.

La FAA no exige inversores de empuje para la certificación de aeronaves, donde se debe demostrar el rendimiento de aterrizaje sin empuje inverso, pero " las aerolíneas los quieren, principalmente para proporcionar fuerzas de frenado adicionales en pistas resbaladizas". ^{[ 5 ]}

Los frenos del tren de aterrizaje son suficientes en circunstancias normales para detener la aeronave, pero por motivos de seguridad y para reducir la tensión en los frenos, ^{[ 6 ]} es necesario otro método de frenado. Esto también se aplica en condiciones meteorológicas adversas, cuando la nieve o la lluvia en la pista reducen la eficacia de los frenos, y en emergencias como despegues abortados . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La inversión de empuje también puede utilizarse en vuelo para reducir la velocidad, aunque esto no es común en las aeronaves modernas. Existen tres tipos comunes de sistemas de inversión de empuje utilizados en los motores a reacción: el sistema de diana, el de concha y el de flujo frío. Algunas aeronaves de hélice equipadas con hélices de paso variable pueden invertir el empuje cambiando el paso de sus palas. La mayoría de los aviones comerciales cuentan con estos dispositivos, y también tienen aplicaciones en la aviación militar. ^{[ 9 ]}

Las aeronaves pequeñas generalmente no cuentan con sistemas de inversión de empuje, salvo en aplicaciones especializadas. Por otro lado, las aeronaves grandes (aquellas que pesan más de 5700  kg) casi siempre tienen la capacidad de invertir el empuje. Las aeronaves con motor de pistón , turbohélice y a reacción pueden diseñarse para incluir sistemas de inversión de empuje.

Aviones propulsados ​​por hélice

Las aeronaves de hélice generan empuje inverso al modificar el ángulo de sus hélices de paso variable, de modo que estas dirijan su empuje hacia adelante. Esta función de empuje inverso se hizo posible con el desarrollo de las hélices de paso variable, que modifican el ángulo de las palas para aprovechar eficientemente 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. ^{[ 10 ]}

Si bien los aviones con motor de pistón no suelen tener empuje inverso, los aviones turbohélice generalmente sí. ^{[ 11 ]} Algunos ejemplos son el PAC P-750 XSTOL , ^{[ 12 ]} el Cessna 208 Caravan y el Pilatus PC-6 Porter .

Avión a reacción

En las aeronaves que utilizan motores a reacción, la inversión del empuje se logra haciendo que el chorro fluya hacia adelante. El motor no funciona ni gira en sentido inverso; en cambio, se utilizan dispositivos de inversión de empuje para bloquear el chorro y redirigirlo hacia adelante. Los motores de alto índice de derivación generalmente invierten el empuje cambiando la dirección solo del flujo de aire del ventilador, ya que la mayor parte del empuje se genera en esta sección, a diferencia del núcleo. Existen tres sistemas de inversión de empuje para motores a reacción de uso común: ^{[ 13 ]}

Tipos externos

El inversor de empuje objetivo utiliza un par de compuertas de tipo concha o de tipo cubo accionadas hidráulicamente para invertir el flujo de gases calientes. ^{[ 14 ]} Para el empuje hacia adelante, estas compuertas forman la tobera de propulsión del motor. En la implementación original de este sistema en el Boeing 707 , ^{[ 15 ]} y todavía común hoy en día, dos compuertas inversoras estaban articuladas de manera que, al desplegarse, bloqueaban el flujo de escape hacia atrás y lo redirigían con un componente hacia adelante. Este tipo de inversor es visible en la parte trasera del motor durante el despliegue. ^{[ 13 ]}

Tipos internos

Los inversores de empuje internos utilizan compuertas deflectoras dentro de la cubierta del motor para redirigir el flujo de aire a través de aberturas en el lateral de la góndola. ^{[ 14 ]} En los motores turborreactores y turbofán de flujo mixto con derivación, un tipo utiliza deflectores de concha de accionamiento neumático para redirigir el escape del motor. ^{[ 13 ] [ 9 ]} Los conductos del inversor pueden estar equipados con álabes en cascada para redirigir aún más el flujo de aire hacia adelante. ^{[ 9 ]}

A diferencia de los dos tipos utilizados en los motores turborreactores y turbofán de bajo índice de derivación, muchos motores turbofán de alto índice de derivación utilizan un inversor de flujo frío . Este diseño coloca las compuertas deflectoras en el conducto de derivación para redirigir solo la porción del flujo de aire de la sección del ventilador del motor que evita la cámara de combustión . ^{[ 8 ]} Motores como las versiones A320 y A340 del CFM56 dirigen el flujo de aire hacia adelante con un inversor de compuerta pivotante similar a la concha interna utilizada en algunos turborreactores. ^{[ 16 ]} Los inversores en cascada utilizan una cascada de álabes que se descubre mediante una funda alrededor del perímetro de la góndola del motor que se desliza hacia atrás mediante un motor neumático. Durante el funcionamiento normal, los álabes de empuje inverso están bloqueados. Al seleccionarse, el sistema pliega las compuertas para bloquear la tobera final de flujo frío y redirigir este flujo de aire a los álabes de la cascada. ^{[ 13 ]}

En los inversores de flujo frío, el escape de la cámara de combustión continúa generando empuje hacia adelante, lo que hace que este diseño sea menos efectivo. ^{[ 14 ] [ 13 ]} También puede redirigir el flujo de escape del núcleo si está equipado con un deflector de flujo caliente. ^{[ 9 ]} El sistema de cascada de flujo frío es conocido por su integridad estructural, confiabilidad y versatilidad, pero puede ser pesado y difícil de integrar en góndolas que albergan motores grandes. ^{[ 17 ]}

En la mayoría de las cabinas de pilotaje, el empuje inverso se activa cuando las palancas de empuje están en ralentí, tirando de ellas hacia atrás. ^{[ 14 ]} El empuje inverso se aplica normalmente inmediatamente después del aterrizaje, a menudo junto con los spoilers , para mejorar la desaceleración al inicio de la carrera de aterrizaje, cuando la sustentación aerodinámica residual y la alta velocidad limitan la eficacia de los frenos del tren de aterrizaje. El empuje inverso siempre se selecciona manualmente, ya sea mediante palancas conectadas a las palancas de empuje o moviendo estas últimas a una posición de empuje inverso.

La desaceleración temprana que proporciona el empuje inverso puede reducir la distancia de aterrizaje en un cuarto o más. ^{[ 9 ]} Sin embargo, las regulaciones exigen que una aeronave pueda aterrizar en una pista sin utilizar el empuje inverso para poder ser certificada para aterrizar allí como parte del servicio regular de una aerolínea .

Una vez que la velocidad de la aeronave disminuye, se cancela el empuje inverso para evitar que el flujo de aire invertido arroje escombros frente a las tomas de aire del motor, donde podrían ser ingeridos y causar daños por objetos extraños . Si las circunstancias lo requieren, el empuje inverso puede usarse hasta detener la aeronave por completo, o incluso para impulsarla hacia atrás, aunque para ello se suelen usar remolcadores o barras de remolque . Cuando se usa el empuje inverso para empujar una aeronave hacia atrás desde la puerta de embarque, la maniobra se denomina retroceso . Algunos fabricantes advierten contra el uso de este procedimiento en condiciones de hielo, ya que usar el empuje inverso en terreno cubierto de nieve o aguanieve puede hacer que el aguanieve, el agua y los descongelantes de pista se eleven y se adhieran a las superficies de las alas. ^{[ 18 ]}

Si no se desea la máxima potencia del empuje inverso, este puede activarse con el acelerador ajustado a una potencia inferior a la máxima, incluso a ralentí, lo que reduce la tensión y el desgaste de los componentes del motor. En ocasiones, se selecciona el empuje inverso en motores al ralentí para eliminar el empuje residual, especialmente en condiciones de hielo o superficies resbaladizas, o cuando el chorro de los motores podría causar daños.

Aviones de combate

El Panavia Tornado estaba equipado con inversores de empuje que le permitían operar desde pistas de 900 m para el despegue, con una carrera de aterrizaje de 370 m. ^{[ 19 ]}

El Saab 37 Viggen (retirado en noviembre de 2005) estaba equipado con empuje inverso para operar desde pistas de aterrizaje de 500 m, ^{[ 20 ]} como tramos rectos de carreteras suecas que servían como pistas de aterrizaje en tiempos de guerra .

Operación en vuelo

La serie de aviones de pasajeros Douglas DC-8 fue certificada para usar el empuje inverso en vuelo desde su entrada en servicio en 1959. Si bien era seguro y eficaz para facilitar descensos rápidos a velocidades aceptables, producía importantes vibraciones en la aeronave, por lo que su uso real era menos común en vuelos de pasajeros y más común en vuelos de carga y traslado, donde la comodidad de los pasajeros no es una preocupación. ^{[ 22 ]}

El Hawker Siddeley Trident , un avión de pasajeros con capacidad para entre 120 y 180 personas, podía 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 de Aerospatiale-BAC podía usar el empuje inverso en el aire para aumentar la velocidad de descenso. Solo se usaban los motores internos, y estos se colocaban en ralentí inverso únicamente en vuelo subsónico . ^{[ 23 ]}

El Boeing C-17 Globemaster III es uno de los pocos aviones modernos que utiliza empuje inverso en vuelo. Este avión, fabricado por Boeing, es capaz de desplegar empuje inverso en vuelo en sus cuatro motores para facilitar descensos tácticos pronunciados de hasta 15 000  pies/min (4600  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 cuenta con capacidad de empuje inverso en vuelo, aunque solo en los motores internos. ^{[ 24 ]}

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

Un de Havilland Otter fue modificado para un programa de investigación STOL dirigido por De Havilland Canada y la Junta de Investigación de Defensa de Canadá. Una de las modificaciones fue la instalación de un turborreactor General Electric J85 en el fuselaje, con la dirección de escape controlable para proporcionar resistencia adicional en descensos pronunciados. ^{[ 25 ]}

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. ^{[ 6 ]} Para una máxima efectividad, debe aplicarse rápidamente después del aterrizaje. ^{[ 14 ]} Si se activa a bajas velocidades, es posible que se produzcan daños por objetos extraños . Existe cierto peligro de que una aeronave con los inversores de empuje aplicados momentáneamente vuelva a despegar del suelo debido tanto al efecto del empuje inverso como al efecto de cabeceo hacia arriba de los spoilers . Para aeronaves susceptibles a tal suceso, los pilotos deben tener cuidado de lograr una posición firme en el suelo antes de aplicar el empuje inverso. ^{[ 6 ]} Si se aplica antes de que la rueda de morro esté en contacto con el suelo, existe la posibilidad de un despliegue asimétrico que cause 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. ^{[ 14 ]}

El modo de empuje inverso se utiliza solo durante una fracción del tiempo de operación de la aeronave, pero la afecta considerablemente en términos de diseño , peso, mantenimiento , rendimiento y costo. Las penalizaciones son significativas, pero necesarias, ya que proporciona fuerza de frenado para márgenes de seguridad adicionales, control direccional durante las carreras de aterrizaje y ayuda en despegues abortados y operaciones en tierra en pistas contaminadas donde la efectividad normal del frenado disminuye. Las aerolíneas consideran que los sistemas de inversión de empuje son una parte vital para alcanzar el máximo nivel de seguridad operativa de la aeronave . ^{[ 17 ]}

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

• El 4 de julio de 1966, un vuelo de entrenamiento de Air New Zealand , operado por un Douglas DC-8-52 con matrícula ZK-NZB, se estrelló durante el despegue desde el Aeropuerto Internacional de Auckland debido a la aplicación de empuje inverso durante una simulación de falla del motor n.° 4. El accidente causó la muerte de dos de los cinco tripulantes a bordo. ^{[ 26 ]}
• El 11 de febrero de 1978, el vuelo 314 de Pacific Western Airlines , un Boeing 737-200 , se estrelló al intentar un aterrizaje abortado en el aeropuerto de Cranbrook . El inversor de empuje izquierdo no se había plegado correctamente; se desplegó durante el ascenso, lo que provocó que la aeronave girara hacia la izquierda y se estrellara contra el suelo. De los 44 pasajeros y 5 miembros de la tripulación, solo sobrevivieron 6 pasajeros y una azafata.
• El 9 de febrero de 1982, el vuelo 350 de Japan Airlines se estrelló a 300 metros (1000 pies) de la pista en el aeropuerto de Haneda, Tokio, luego de que el capitán, mentalmente inestable, activara intencionadamente el empuje inverso en dos de los cuatro motores del Douglas DC-8 , lo que provocó la muerte de 24 pasajeros. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} 
• 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 la aeronave comenzó a ascender, uno de los inversores de empuje se activó repentinamente. Esto provocó la pérdida de control del avión y el posterior accidente. De las 17 personas a bordo, 4 sobrevivieron.
• El 26 de mayo de 1991, el vuelo 004 de Lauda Air , un Boeing 767-300ER , sufrió un despliegue no controlado del inversor de empuje del motor izquierdo, lo que provocó que el avión entrara en picada rápidamente y se desintegrara en el aire. ^{[ 30 ]} Los 213 pasajeros y los 10 tripulantes fallecieron.
• 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 Congonhas-São Paulo , en São Paulo , Brasil , impactando contra dos edificios de apartamentos y varias casas. Los 90 pasajeros, los 6 miembros de la tripulación y 3 personas en tierra fallecieron en el accidente. El siniestro se atribuyó al despliegue involuntario de un inversor de empuje defectuoso en el motor derecho poco después del despegue.
• El 6 de noviembre de 2002, el vuelo 9642 de Luxair , un Fokker 50 , se estrelló durante la aproximación al aeropuerto de Luxemburgo . Un total de 20 de los 22 pasajeros y tripulantes a bordo fallecieron. Los investigadores determinaron que los pilotos habían desactivado los sistemas de seguridad para invertir el empuje de las hélices en pleno vuelo, lo que provocó la pérdida de control de la aeronave.
• El 10 de febrero de 2004, el vuelo 7170 de Kish Air , un Fokker 50 , se estrelló durante la aproximación al Aeropuerto Internacional de Sharjah . Fallecieron 43 de los 46 pasajeros y tripulantes a bordo. Los investigadores determinaron que los pilotos habían activado prematuramente el modo de empuje inverso de las hélices, lo que provocó la pérdida de control de la aeronave.

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• Postquemador
• Vectorización de empuje
• Despegue y aterrizaje vertical

• Reducción de la distancia de aterrizaje
• "Alerón de empuje Power Jets que puede proporcionar empuje negativo para el frenado" : un artículo de Flight de 1945 sobre nuevos desarrollos de motores que muestra un dispositivo de empuje inverso Power Jets.