Combustibles y la seguridad de las operaciones

Nueva columna de Augusto De Santis Investigador de Accidentes de Aviación Civil de la Autoridad Aeronáutica de la República Argentina. Un pequeño análisis de los Combustibles y la seguridad de las operaciones en la industria aeronáutica.

Los motores utilizados en la industria aeronáutica utilizan hidrocarburos como combustibles; dentro de ellos se pueden diferenciar dos grandes grupos: los destilados de naftas o gasolinas destinados a los motores alternativos, o recíprocos y los destilados de keroseno; destinados a los motores a reacción (turbofan, turbohélice y turboeje).

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Todos los fabricantes de motores certifican sus productos para un tipo elegible de combustible y en muchos casos uno o dos más; las certificaciones y performances conocidas de los sistemas propulsores son considerados a través de la utilización de combustibles en condiciones óptimas de calidad.

La realidad indica que; durante las operaciones normales, no siempre se da esta condición, durante el proceso de investigación; es frecuente hallar combustibles contaminados, fluidos que no cumplen con las especificaciones del fabricante; o bien utilización de combustibles no elegibles al tipo de motor.

Para poder determinar si el combustible ha sido una variable que pudo haber afectado el funcionamiento de un determinado motor; se deberá tener en cuenta un estudio del mismo para determinar: propiedades del combustible elegible al tipo de motor, tipo y especificaciones de la elegibilidad; estado y calidad del combustible en cuanto a la contaminación (sólidos en suspensión, agua, otros elementos químicos ajenos a la composición del fluido y/o agentes de contaminación microbiológica).

Con el objetivo de conocer las características de los combustibles, primero debe hacerse una diferencia por su origen y destilación. Para el caso de las gasolinas o naftas las principales características dependen de la estructura molecular de los hidrocarburos que contiene y del método de obtención.

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Para poder considerar la calidad y características de las naftas, deben considerarse los siguientes aspectos:

  • Volatilidad: es la cualidad del fluido que cuantifica la facilidad de una sustancia para pasar del estado líquido al gaseoso. Es importante destacar que, la volatilidad de las gasolinas signan proporcionalmente el comportamiento del motor durante la puesta en marcha y las aceleraciones.

  • Poder antidetonante: es la propiedad que expresa la característica del combustible a reaccionar o detonar de modo irregular.

  • Octanaje: la detonación o índice de octano representa el fenómeno de inflamación súbita que se produce dentro del cilindro. En la industria aeronáutica se toma como valores dos niveles de octanaje; el que se obtiene con mezcla pobre (RON – Research Octane Number); y el que se obtiene con mezcla rica (MOM – Motor Octane Number).

  • Número de potencia mecánica: es el porcentaje de potencia máxima (libre de detonación) que se obtiene del motor con una determinada gasolina; comparado con la máxima potencia que se genera a través del uso de una gasolina de 100 octanos.

  • Condición de tapón de vapor (vapor lock): es la tendencia que tiene una gasolina para generar una excesiva evaporación en las tuberías del sistema de alimentación de combustible. Esto se produce por la formación de burbujas de gas (suspendidas en la gasolina); hecho que dificulta el paso normal del fluido, debido a la presión y espacio que ocupan las burbujas de gas.

Si bien la aviación actual utiliza el combustible AVGAS 100LL para todos los motores alternativos; es útil conocer las siguientes particularidades físicas y químicas de las naftas:

Combustibles y seguridad operacional

En relación a lo expuesto vinculado al fenómeno de tapón de vapor; debe tenerse en cuenta que los combustibles y motores aeronáutico (recíprocos); tienen en cuenta la tendencia a formar burbujas a través del concepto de vapor raid.

Las gasolinas para uso en aviación deben contar con un valor mínimo y máximo de tendencia al vapor raid. El valor mínimo (0,38 kg/cm2 = 5,5 psi) es cuantificado con el objetivo de controlar la puesta en marcha y el período de calentamiento.

Durante este proceso; debe asegurarse que la presión de vapor mínima es superior a la que pueda desarrollarse en vuelo en los depósitos, tuberías y sistemas asociados a la administración del combustible.

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Cuando la presión en el sistema es inferior al valor de vapor raid del combustible, este comienza a volatilizarse; con el riesgo de obstaculizar áreas de movimiento del fluido. Debido a este fenómeno físico es que es necesario que, conforme aumente la altitud de vuelo; los tanques de combustible y sistema se encuentren presurizados con una presión conocida y constante.

El valor máximo de la presión de vapor raid para una gasolina de uso aeronáutico es de 0,5  kg/cm2 = 7 psi). Este valor determina el exceso o tope de volatilidad en las tuberías y sistema de combustible.

Los combustibles destilados de queroseno utilizados en motores a reacción; poseen cadenas de hidrocarburos de entre 9 a 16 átomos de carbono; con un rango de puntos de evaporación de entre 145 a 300° C. El 70 % de las cadenas de hidrocarburos con las que están formados poseen parafinas y naftas; lo que les genera la capacidad de retardo de ignición. Se trata de un tipo de combustible de una volatilidad inferior a las gasolinas; posee una ventaja cualitativa debido a su poder calórico de aproximadamente 42.800 Kj/kg.

El principal producto derivado del queroseno para la aviación es el combustible JET A-1. Se trata de un destilado incoloro (o levemente dorado o amarillento) que posee una densidad media de 0,8 kg/l; es inflamable a temperaturas superiores a 38° C con presencia de llama o chispa de ignición.

En toda operación de modo independiente al porte de la aeronave; es fundamental considerar los siguientes aspectos con relación a la gestión del combustible:

  • Cargas y manejo del combustible: En la aviación comercial es menos factible encontrar deficiencias en los procesos de cargas, manipulación y conservación del combustible; sin embargo, en la aviación general, muchas veces, estos procesos dependen de procedimientos no estandarizados. La gestión inadecuada del combustible en tierra es un factor determinante en la contaminación del fluido; la acumulación de agua y los procesos de carga deficiente. Es fundamental que todo piloto que realice carga fuerza de aeródromos con procesos certificados verifique in situ la calidad del proceso y manipulación del combustible.

  • Vehículos y dispositivos de carga: en los aeródromos que carezcan de procesos certificados; es conveniente asegurarse el correcto estado y limpieza de todos los dispositivos utilizados para realizar las cargas.

  • Tapas de tanque: en aviación general el piloto; siempre deberá verificar el correcto cierre y traba de cada una de las bocas de carga de combustible antes de iniciar al vuelo.

  • Drenaje de tanques: todos los tanques deberán ser drenados periódicamente; y así extraer los remanentes de agua acumulados y verificar empíricamente el estado general del combustible.

Opinión: Peso y balance, variable fundamental en la seguridad de las performances

Augusto De Santis Investigador de Accidentes de Aviación Civil de la Autoridad Aeronáutica de la República Argentina; nos comparte esta columna en análisis del accidente ocurrido al Boeing 747-244BSF 9G-MKJ de MK Airlines.

Para comprender la influencia del peso, su balance y el efecto que ello provoca en una aeronave es conveniente repasar algunos conceptos básicos; antes de entrar de lleno en el tema. Por eso es necesario refrescar los siguientes conocimientos básicos de física:

  • Brazo: es la distancia desde un punto de referencia (datum) hasta un punto de aplicación de fuerza o posición del peso. El brazo representa la distancia horizontal que existen entre el datum y el centro de gravedad de un cuerpo.

  • Datum: es la línea imaginaria de referencia a partir del que se miden todas las distancias para los cálculos de peso y balance.

  • Momento: representa a la fuerza de palanca que ejerce una fuerza o peso. El momento de una fuerza se representa como el producto del peso por su brazo.

A los efectos del presente libro, no se hará un desarrollo del modo de cálculo del peso y balance de una aeronave, simplemente se menciona; que en la actualidad, los cálculos se realizan de tres modos:

  • Básico: cálculo simple de cada uno de los brazos de palanca que ejercen los distintos pesos en una aeronave; con respecto a la posición inicial de su centro de gravedad (posición del CG con peso vacío).

  • Cálculo a través de gráficos: los AFM de cada aeronave contemplan las condiciones de peso y carga de la aeronave, y los representan en gráficos cartesianos de fácil interpretación.

  • Cálculos de tablas: al igual que en el caso anterior, al fabricante de una aeronave expresa los pesos pre establecidos (máximos y mínimos) y los momentos (máximos y mínimos) permitidos para cada caso en particular. A través del análisis de los valores y las posiciones dentro de la aeronave, es posible determinar de modo preciso la ubicación del centro de gravedad.

Ahora bien; ¿por qué es tan importante determinar los pesos y la posición del centro de gravedad en una aeronave? Existen varias limitaciones que deben considerarse y que afectan directamente la estabilidad y performances de una aeronave en vuelo; por ende, la condición de vuelo seguro.

El primer aspecto que considerar es el aumento del peso. Cómo es sabido, dentro de las fuerzas que intervienen en el vuelo de la aeronave; el peso y la sustentación poseen un rol fundamental. Existe una relación directa primordial, cuanto mayor es el peso de la aeronave, mayor fuerza de sustentación es requerida para que esta vuele.  Por otro lado, también debe tenerse en cuenta que; cuanto mayor es el peso (masa) de la aeronave, mayores serán las fuerzas de inercia que intervienen en las actuaciones; de igual manera, la aeronave será más difícil de controlar conforme se vayan excediendo los pesos certificados como seguros. Esto debe recordarse siempre que:

El criterio de pesos máximos posee dos tipos de limitaciones: las estructurales y las aerodinámicas. Entonces, cada vez que se opere excediendo alguno de ellos, la aeronave quedará expuesta a condiciones aerodinámicas desfavorables y a probables condiciones de deterioro de las características de estabilidad dinámica y estática.

Con respecto al centro de gravedad de la aeronave, puede definirse como el punto de aplicación de la resultante de todas las fuerzas de gravedad que actúan sobre las distintas partes de un cuerpo dado.

Se considera que el centro de gravedad (CG) es el punto nulo de actuación de las distintas fuerzas gravitatorias que actúan sobre un elemento con masa propia. El CG es considerado también, como un punto de equilibrio. El CG de una aeronave se expresa con relación a la cuerda aerodinámica media (CAM) del ala (ver Figura 1), por lo tanto, el rango seguro de posicionamiento también está expresado en un porcentaje de la CAM:

Figura 1

La importancia de la situación del CG está dada por su carácter determinante en cuanto a la estabilidad. Un avión con su CG dentro de los límites tabulados responde a los mandos en la forma prevista y vuela por tanto con seguridad; mientras que, el desplazamiento del CG más allá de los límites puede volverlo inestable o producir problemas de controlabilidad. Con respecto a los efectos adversos que produce el corrimiento del centro de gravedad, durante la investigación de un suceso inseguro deberán tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

Centro de gravedad retrasado

  • Durante la operación de despegue, el avión puede tender a rotar prematuramente (por debajo de la velocidad necesaria de rotación).

  • Durante la fase de ascenso, la aeronave tiende a adoptar una mayor actitud de cabreo; lo que puede inducir a una condición de pérdida de sustentación.

  • Durante el vuelo recto y nivelado, la aeronave tiende a volar con un ángulo de ataque mayor al normal.

  • Durante la fase de aproximación y aterrizaje, la aeronave puede tornarse inestable y requerir acciones de mando correctivas constantemente; hasta que la aeronave se encuentre completamente apoyada en la pista.

Centro de gravedad adelantado

  • La aeronave requiere una mayor velocidad aerodinámica, para responder a los mandos.

  • La aeronave tiende a ponerse “pesada” de nariz, por lo que en todas las maniobras la aeronave adopta una actitud de picada, que debe ser corregida constantemente a través de los mandos aerodinámicos.

  • El uso de flaps a baja velocidad puede incrementar la tendencia a la actitud de picado de la aeronave.

  • La aeronave puede ingresar en una zona crítica de control si se intentan realizar maniobras acrobáticas u operaciones de prácticas de “motor y al aire”; debido a que la aeronave no poseerá las características de maniobrabilidad necesaria para recuperar cada actitud

Caso de estudio: Boeing 747, Halifax, Nueva Escocia, Canadá.

El 14 de octubre de 2004 el operador de carga aérea MK Airlines se disponía a realizar un vuelo (MK 1602) desde el Aeropuerto Internacional de Bradley, Connecticut, EE. UU. hacia el Aeropuerto Internacional de Zaragoza en España. La operación tenía planeada una escala intermedia en el Aeropuerto Internacional de Halifax, Nueva Escocia, Canadá. MK Airlines dispuso al Boeing 747-244B/SF matrícula 9G-MKJ para llevar a cabo la operación trans continental.

El vuelo desde Bradley hasta Halifax transcurrió de modo normal. El tramo que unía Halifaz con Zaragoza se realizaría con carga de 53 000 kg de pescado y langostas, por lo que sumando la carga de combustible daba un total de 89 400 kg de peso adicional al vacío; por lo que el vuelo fue planificado con un peso al despegue de 353 000 kg. Según la hoja de datos técnicos de certificación (Certificado Tipo: A20WC), este modelo carguero de Boeing 747 posee una capacidad de peso máximo de despegue de 377 840 kg.

La preparación y planificación del vuelo en el aeropuerto de partida, se realizó a través del software BLT del fabricante (Boeing Laptop Tool – BLT). Este sistema permite establecer las velocidades y performances del despegue y senda aérea de despegue. Luego de la finalización del tramo Connecticut a Halifax, como se mencionó, se realizó repostado de combustible y embarque de carga paga.

En la imagen que se muestra a continuación; pueden observarse los datos y cálculos planificados para la operación que devino en accidente (ver Figura 4).

Vista de los cálculos arrojados por el sistema BLT utilizado para el despacho.

Para el tramo final de Halifax a Zaragoza, según los hallazgos de la investigación llevada a cabo por la autoridad canadiense; el vuelo se planificó con los datos actualizados de meteorología y pista, sin embargo, se utilizó el peso de despegue calculado para el tramo anterior, que era de 240 000 kg.

En virtud de ello, el sistema arrojó velocidades y performances de la aeronave distintas a las necesarias para un incremento de peso de 113 000 kg.

Al comienzo de la carrera de despegue, la tripulación colocó las palancas de empuje inactivo en el suelo (aproximadamente 1.0 EPR) hasta la potencia de despegue, con todas las configuraciones EPR finales que indican entre 1.3 y 1.33. El avión aceleró a través de 80 KCAS (06:53:46) aproximadamente 1800 pies (550 m) desde el umbral. A 130 KCAS, la columna de control se movió hacia atrás a 8.4 ° para iniciar la rotación cuando el avión pasaba la marca de 5500 pies (1680 m) de la pista 24 (3300 pies / 1010 m de pista restante).

El avión comenzó a girar. La actitud de cabeceo se estabilizó brevemente a aproximadamente 9° con la nariz hacia arriba, con una velocidad aerodinámica a 144 KCAS. Debido a que el 747 todavía no se había logrado el lift-off; la columna de control se movió más hacia atrás a 10°, y la aeronave respondió con un paso adicional de hasta aproximadamente 11 °; el contacto inicial del fuselaje inferior de popa con la pista ocurrió en este momento. El avión estaba aproximadamente en la marca de 8000 pies (2450 m) y ligeramente a la izquierda de la línea central.

La actitud de cabeceo se estabilizó en 11 ° durante los siguientes cuatro segundos, y el contacto del fuselaje inferior con la pista finalizó. Con aproximadamente 600 pies (185 m) de pista restante, la tripulación incrementó el empuje de motores al 92 por ciento y los EPR aumentaron a 1.60. Con 420 pies (130 m) restantes, el fuselaje inferior de popa entró en contacto con la pista por segunda vez. A medida que el avión pasaba al final de la pista, la columna de control estaba a 13,5 ° de popa, la altura de inclinación era de 11,9 ° y la velocidad aerodinámica era de 152 KCAS.

El tono más alto registrado en la nariz arriba de 14.5 ° (06:54:24) se registró después de que el avión pasara el final de la pista a una velocidad de 155 KCAS. El avión se elevó en el aire aproximadamente a 670 pies (205 m) más allá de la superficie pavimentada y voló una distancia de 325 pies (100 m).

El fuselaje inferior de popa luego golpeó la base de la antena localizadora del sistema de aterrizaje de instrumentos (ILS).

A continuación, la cola del avión se separó en el impacto, y el resto de la aeronave continuó en el aire durante otros 1200 pies (370 m) antes que impactara definitivamente en el terreno y se incendiase.

La Agencia Estatal de Seguridad en el Transporte de Canadá (Transportation Safety Board – TSB), fue la encargada de realizar la investigación oficial. El informe A04H0004 publicado por ese organismo contiene todo el desarrollo y los hallazgos del proceso de investigación. Se recomienda la lectura completa del informe; este se encuentra disponible en la web oficial de TSB Canadá, el acceso directo puede lograrse con el siguiente link: http://www.tsb.gc.ca/eng/rapports-reports/aviation/2004/a04h0004/a04h0004.pdf

A los fines del presente capítulo, a continuación, se exponen los puntos más importantes vinculados a los temas de gestión y preparación del peso y balanceo de la aeronave. Extracto de las conclusiones destacadas del informe de referencia:

“Conclusiones, hallazgos expuestos como causas y factores contribuyentes.

  • Es probable que se haya utilizado el peso al despegue de Bradley para los cálculos en Halifax, hecho que resultó en una performance inadecuada de despegue; velocidades de despegue incorrectas y uso inadecuado de la potencia de motores.

  • Las velocidades de despegue eran demasiado bajas y la configuración de empuje era insuficiente para que la aeronave despegara.

  • Es probable que los miembros de la tripulación que utilizaron el sistema BLT, no reconocieran que los datos eran incorrectos para el peso real que tenía la aeronave en Halifax.

  • Es muy probable que la tripulación no se haya apegado a los procedimientos del operador para la verificación independiente de los valores de la tarjeta de despegue.

  • La tripulación del MK 1602 no llevó a cabo la verificación de posibles errores de acuerdo con los procedimientos operativos estandarizados del operador, por lo que los valores erróneos no fueron advertidos en ningún momento.

  • La fatiga de la tripulación probablemente incrementó la probabilidad de error durante el cálculo de despegue.

  • La fatiga de la tripulación, combinada con el entorno de despegue oscuro, probablemente contribuyó a la pérdida de la conciencia situacional durante la carrera de despegue. En consecuencia, la tripulación no reconoció que las performances de despegue eran inadecuadas para la maniobra.

  • El fuselaje inferior de la aeronave golpeó contra una base de la antena del sistema de aterrizaje por instrumentos, hecho que resultó en la separación del conjunto de cola del avión y consecuentemente su pérdida de control.

  • La compañía no tenía un programa formal de capacitación y pruebas en el sistema BLT, y es probable que los usuarios del BLT no estuvieran familiarizados con sus modos de funcionamiento.

Hallazgos de la investigación detectados como riesgos

  • No existía un documento certero con el manifiesto de mercancías peligrosas y tripulación a bordo.

  • Se detectó que uno de los dispositivos de carga estaba defectuoso, por lo que impidió el embarque adecuado de un rollo de acero; hecho que produjo un exceso de 4678 kg sobre las posiciones de carga en bodega.

  • El operador había incrementado los tiempos máximos de servicio de las tripulaciones de 20 a 24 horas, hecho que contribuyó a la fatiga operacional.

  • La compañía se encontraba realizando un importante plan de expansión, existía un alto nivel de rotación de las tripulaciones; hecho que contribuía en el incremento de requisito de tripulaciones y la alta carga laboral de las mismas.

  • Al momento del accidente, el operador no contaba con un plan validado de seguridad de vuelo.

  • El peso vacío de la aeronave no incluía 1120 kg de personal y equipos; en consecuencia, es posible que la aeronave operara con exceso de peso, sin que las tripulaciones pudieran advertirlo.

  • Se detectó que algunas de las tripulaciones de MK Airlines no se adherían completamente a los SOP´s del operador. Asimismo, se detectó que ni el operador ni la autoridad aeronáutica del Estado del operador detectaron oportunamente esas deficiencias de seguridad.

  • Existía un error con relación a la publicación de la pendiente de pista 24 de Halifax (este hecho no tuvo relación con la variación de las performances de despegue).

  • Si bien la aeronave se encontraba con el peso por debajo del máximo de despegue, existían deficiencias en las estaciones de estiba de la carga paga.”

Las enseñanzas de las catástrofes

Como puede identificarse entre los hallazgos de la investigación; el cálculo de peso y performances para el despegue fue una consecuencia de una gran cantidad de deficiencias organizacionales. En muchos casos, las fallas activas, como en este caso el cálculo erróneo, solo muestran el aspecto final que desencadenó el suceso.

Frente a este tipo de situaciones, el análisis profundo de las fallas activas detectadas es la mejor fuente de materia prima para retroalimentar los procesos de gestión de la seguridad operacional. No solo para el propio operador que sufrió el accidente; sino para toda la comunidad aeronáutica que pueda sacar provecho de los hallazgos de las investigaciones realizadas por los expertos.

A raíz del accidente de Halifax en 2004, distintas autoridades aeronáuticas del mundo pusieron atención en el tema. Un ejemplo de ello fue el informe que presentó el capitán Gerard van; Es Asesor de Seguridad de vuelo para la Región Europea de la Fundación de Seguridad de Vuelo (Flight Safety Foundation – FSF).

El informe presenta un estudio fundamentado en la base de datos de accidentes (1970 a 2005); y afirma que 82 de los casos documentados tienen una estrecha relación con dificultades relacionadas con peso y balanceo de las aeronaves.

El programa de acciones de mitigación de FSF al respecto fue presentado, contemporáneamente a la publicación del informe final del accidente de Halifax. Entre los puntos más destacados; el informe indica que, en la aviación comercial, el 61% de los accidentes son de aeronaves de pasajeros, mientras que el restante 39% corresponden a los vuelos de carga. Sin embargo, debe considerarse que las operaciones de carga aérea representan el 7% del total de los vuelos comerciales; por lo tanto, se estima que el riesgo vinculado con peso y balaceo en vuelos de carga 8,5 (aproximadamente) vez mayor.

En ambos casos; la mayoría de estos accidentes ocurren durante la fase de despegue (68% con pasajeros y 56% con carga).

El riesgo mayor en aeronaves de pasajeros se da por hojas de carga incorrectas, pero otros riesgos incluyen situar el centro de gravedad por delante del límite; así como despegues con sobrepeso.

En el caso de cargueros, el mayor riesgo se da con centros de gravedad por delante del límite; seguido muy de cerca por desplazamiento de la carga al no estar bien estibada, y hojas de carga incorrecta.