Módulo II: Sistemas de Propulsión Aeronáutica

Sistema de Encendido

En el ciclo de Otto se detalla cómo el motor de pistón transforma la energía contenida en el combustible en energía mecánica, gracias a la explosión violenta de la mezcla de aire-combustible en los cilindros. Esta explosión se produce gracias a una chispa que salta en las bujías en el momento adecuado (ciclo de explosión). La función del sistema de encendido consiste en generar la energía que hace saltar esa chispa.

Clasificación de los Sistemas de Encendido

• Sistemas de magneto.
• Sistemas de batería y bobina.

(Nota: El nombre Bryan Borrero se ha omitido en las secciones repetitivas para mejorar la legibilidad del contenido técnico).

Magnetos vs. Batería y Bobina

El encendido por magneto suele ser utilizado en motores aeronáuticos, mientras que el encendido por batería y bobina es clásico en motores de automóvil, aunque en estos últimos está siendo desplazado por el encendido electrónico.

Aunque el funcionamiento de ambos sistemas es similar en sus principios básicos, los magnetos son autosuficientes y requieren solo de las bujías y los cables conductores, mientras que el sistema de batería y bobina requiere además otros componentes.

Ventajas del Encendido por Magnetos en Aviación

En la mayoría de los aviones se utiliza el sistema de encendido por magnetos, debido a:

• Autonomía: Este sistema es autónomo, es decir, no depende de ninguna fuente externa de energía, tal como el sistema eléctrico (batería, generador…). Esta autonomía posibilita que, aunque el sistema eléctrico del avión sufra alguna avería en vuelo, el motor funcione con normalidad, pues los magnetos continúan proveyendo la energía necesaria para la ignición.
• Potencia de Chispa: Los magnetos generan una chispa más caliente a mayores velocidades del motor que la generada por el sistema de batería y bobina de los automóviles.

Funcionamiento Simplificado del Sistema de Magnetos

De forma simplificada el funcionamiento del sistema es como sigue:

Las magnetos generan una corriente eléctrica, la cual es encaminada a las bujías adecuadas a través de los cables de conexión. Como es comprensible, el conjunto funciona de forma sincronizada con los movimientos del cigüeñal para hacer saltar la chispa en el cilindro correspondiente (el que está en la fase de combustión) y en el momento adecuado.

Operación del Sistema de Encendido (Magnetos)

Posiciones del Interruptor de Encendido/Starter

En el panel de instrumentos, hay un interruptor de encendido/starter accionado por llave, el cual tiene cinco posiciones:

• OFF (Apagado).
• R (Right=Derecha): Solo un magneto suministra corriente a su juego de bujías.
• L (Left=Izquierda): Suministra corriente al otro juego de bujías.
• BOTH (Ambos): Ambas magnetos suministran corriente, cada una a su juego de bujías.
• START (Arranque): Acciona el starter que arranca el motor.

Proceso de Arranque y Operación Normal

Para generar electricidad, las magnetos deben girar. Para poner en marcha el motor, el piloto acciona el arranque (llave en START), alimentado por la batería, con lo cual se hace girar al cigüeñal y este a su vez las magnetos.

Una vez comienzan a girar, las magnetos producen corriente y hacen saltar en las bujías la chispa que inflama la mezcla de aire y combustible en los cilindros. En el momento en que el motor comienza a girar por sus propios medios (explosiones en los cilindros), el piloto suelta la llave, la cual vuelve automáticamente a su posición de BOTH, quedando desactivado el sistema de arranque.

El motor sigue su ciclo de trabajo, con el sistema de encendido alimentado por la corriente generada por las magnetos gracias al giro del motor, así que la batería ya no juega ningún papel en el funcionamiento del motor. Esta autonomía de las magnetos posibilita que en vuelo el motor siga funcionando aún con el sistema eléctrico averiado o desconectado por avería.

Comprobación del Sistema Dual de Encendido (Prueba de Motores)

Para asegurar que el sistema dual de encendido funciona correctamente, se debe comprobar en la prueba de motores previa al despegue. El procedimiento consiste en:

1. Ajustar la potencia al régimen indicado por el fabricante (entre 1700 y 2000 r.p.m. dependiendo del avión).
2. Mover la llave de encendido desde la posición BOTH hasta la posición L (Left), chequeando en el tacómetro que la caída de r.p.m. no exceda de las indicadas por el fabricante (normalmente entre 75 y 100 r.p.m.).
3. Se vuelve a la posición BOTH y se repite el mismo procedimiento llevando la llave esta vez a la posición R (Right) y comprobando en el tacómetro la caída de r.p.m.

Nota: Antes de realizar este procedimiento conviene asegurarse de que la temperatura y la presión del aceite tengan valores normales (indicadores en verde).

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Módulo II: Sistema de Combustible

La energía que propulsa a un avión, independientemente del tipo de motor utilizado, se obtiene a partir de la conversión de la energía química contenida en el combustible a energía mecánica, es decir, quemando combustible. Por tanto, todo avión propulsado por un motor requiere un sistema capaz de almacenar el combustible y transferirlo hasta los dispositivos que lo mezclan con el aire, o lo inyectan en los cilindros o en los quemadores.

Componentes Principales del Sistema de Combustible

• Depósitos.
• Conductos o líneas.
• Carburador o sistema de inyección.
• Instrumentos de medida.
• Otros dispositivos tales como cebador (primer), mando de mezcla, bomba de combustible.

Combustible de Aviación

Los aviones equipados con motores de pistón utilizan combustible de aviación, producto líquido, incoloro, volátil e inflamable, compuesto por una mezcla de hidrocarburos, obtenida entre otros productos en el proceso de refinación del petróleo y que arde en combinación con el oxígeno liberando una gran cantidad de energía.

Clasificación y Colores del Combustible

La gasolina de aviación se clasifica por número de octano o grados, y cada fabricante especifica el grado de combustible a utilizar para ese motor, siendo el más común el denominado 100LL (de color azul). En caso de no poder repostar el combustible recomendado, ocasionalmente se puede utilizar combustible de superior octanaje, pero en ningún caso de octanaje inferior.

Para facilitar su identificación, los carburantes están teñidos de colores:

• Rojo: 80/87 octano.
• Azul: 100/130.
• Púrpura: 115/145.

Una característica que aporta seguridad es que si se mezcla combustible de distintos octanajes, los colores se anulan entre sí, es decir, el combustible se vuelve transparente.

Los aviones propulsados por turbina utilizan queroseno (incoloro o amarillo pálido). Este combustible, específico para motores de turbina, no puede emplearse de ninguna manera en motores de pistón.

Depósitos

La mayoría de los aviones están diseñados para utilizar el espacio interior de las alas como depósitos. Aunque algunos usan cámaras de goma, lo habitual es utilizar lo que se llaman «alas húmedas», en que la propia estructura del ala hace de depósito, utilizándose selladores especiales para impedir el escape del combustible.

Los depósitos tienen una abertura para llenado (con su tapa de cierre), unas válvulas para proceder a su drenado, y unas tomas de aire ambiente. El objetivo de estas tomas es permitir que el aire sustituya al combustible gastado, manteniendo así una presión ambiente en la parte vacía del depósito.

Drenado de Depósitos

Es posible que por condensación se formen gotas de agua en los depósitos, las cuales se depositan en la parte más baja debido a su mayor peso. Lo mismo sucede con las impurezas. Pues bien, las válvulas de drenado, situadas en esta parte más baja, sirven para drenar el agua y las impurezas.

La cantidad de combustible contenida en cada depósito se muestra al piloto mediante los correspondientes indicadores en el cuadro de mandos, la mayoría de las veces en galones USA (1 galón USA equivale aproximadamente a 3,8 litros).

Alimentación de Combustible

Los sistemas de combustible se clasifican según la forma de acarrearlo desde los depósitos hasta el motor:

• Sistemas de alimentación por gravedad: Se suele emplear en aviones de plano alto, fluyendo el combustible desde las alas hasta un conducto único hacia el motor por su propio peso.
• Sistemas de alimentación por bomba de combustible: Utilizados en aviones de plano bajo, emplean bombas mecánicas y/o eléctricas que bombean el combustible a presión desde los depósitos al motor.

Cebador (Primer)

Para facilitar el arranque del motor, especialmente en tiempo frío, los aviones disponen de un dispositivo cebador, denominado primer, consistente en una varilla (aunque los hay eléctricos), que al tirar de ella toma combustible y al empujarla inyecta el combustible aspirado directamente en el colector de admisión o en los cilindros. La varilla tiene un pequeño pitón que sirve para mantenerla bloqueada, de forma que para extraer o empujar la varilla este pitón debe hacerse coincidir con la ranura del conjunto en que se aloja.

Carburador

El objetivo del sistema de combustible consiste en proveer a los cilindros de una mezcla de aire y combustible para su ignición. Para este fin, la mayoría de los motores de pistón utilizados en aviación están equipados con un carburador o con un sistema de inyección de combustible.

Uso y Funcionamiento del Carburador

Los carburadores son de utilización común en motores no muy potentes debido a que son relativamente económicos y sencillos de fabricar, en tanto los motores mayores suelen tener sistemas de inyección.

Su funcionamiento es el siguiente:

1. La gasolina llega a la cámara de entrada, manteniéndose un nivel constante en la misma gracias a una válvula movida por el flotador, la cual se encarga de abrir y cerrar el paso.
2. El aire, succionado por los pistones en el ciclo de admisión, entra al carburador a través de un filtro de aire que elimina las partículas no deseadas.
3. Por la tobera de entrada, el aire pasa a través de un estrechamiento o tubo Venturi, donde su velocidad aumenta y su presión disminuye (ver Principio de Bernoulli) de forma proporcional al flujo de aire.
4. Este decrecimiento de la presión obliga al combustible a fluir por la boquilla, donde se pulveriza y se mezcla con el aire entrante.
5. Por último, la mezcla pasa a través de la válvula de mariposa al colector de admisión y desde este a los cilindros (ciclo de admisión).

Calefacción del Carburador

Formación de Hielo

Uno de los motivos más comunes de que un motor falle, llegando a pararse si no se corrige la situación, es la formación de hielo dentro del carburador.

Si la temperatura en el carburador cae por debajo de 0ºC, bajo ciertas condiciones atmosféricas de humedad, las partículas de agua contenidas en el aire de entrada se precipitan en forma de hielo. Estas se alojan en las paredes del carburador cercanas a la boquilla de salida del combustible y en la válvula de mariposa.

La acumulación de hielo, incluso en cantidades mínimas, puede obstruir la entrada de aire al carburador o la salida de combustible y provocar una pérdida de potencia, o si no se corrige a tiempo algo peor: una parada de motor.

Síntomas de Formación de Hielo

El primer indicio de la formación de hielo en el carburador es un funcionamiento irregular del motor y una pérdida de potencia. En aviones propulsados por hélices de paso fijo, esto se traduce en una caída de las r.p.m. en el tacómetro, mientras que con hélices de paso variable (de velocidad constante) se traduce en una caída de la presión del colector de admisión, porque las r.p.m. se mantendrán constantes.

Uso del Calefactor del Carburador

Para impedir la formación de hielo o para eliminar el que se haya podido formar, los carburadores están equipados con calefactores (carburator heat). Al mover la palanca para activar la calefacción, el piloto cambia la entrada de aire desde el conducto normal (con filtro) a otra toma (sin filtro) que, sirviéndose del calor del colector de escape, calienta el aire. Este aire caliente debe derretir el hielo y mantener la temperatura por encima del punto de congelación.

Recomendaciones sobre la Calefacción al Carburador

• No arrancar el motor con la calefacción al carburador puesta para evitar daños.
• Puesto que la entrada de aire caliente no tiene filtro, evitar la calefacción al carburador durante el rodaje o el chequeo en terrenos pedregosos o con tierra suelta.
• No emplear calefacción al carburador en despegues o ascensos.
• Si durante el descenso final en aterrizaje se pone calefacción al carburador, quitarla unos 100 pies antes de la recogida por si ha de frustrarse la toma (motor y al aire).
• Durante descensos prolongados, sobre todo en días húmedos, activar la calefacción al carburador de forma periódica. También conviene aplicar algo de potencia periódicamente para evitar el enfriamiento del motor.
• Si se sospecha hielo en el carburador, poner calefacción al mismo de forma inmediata. Cuando se tenga la certeza de que el hielo se ha deshecho, quitarla.

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Módulo III: Mecánica de la Propulsión

Principios del Motor de Combustión Interna

Existen principalmente dos tipos de plantas propulsoras usadas en aviación:

• Motores Recíprocos (también llamados motores a pistón).
• Motores a Reacción (Motores de ciclo continuo).

Ambos convierten la energía química contenida en el combustible en energía mecánica capaz de propulsar al avión.

Motores Recíprocos

Son muy usados en aeronaves ligeras y son casi idénticos a los motores de automóviles, con las siguientes diferencias clave:

• Sistema de encendido doble.
• Sistema de refrigeración por aire.
• Control manual de mezcla.

Ciclo de Otto (Motores de Chispa)

El ciclo de Otto es un conjunto de procesos utilizados por los motores de combustión interna de encendido por chispa (ciclos de 2 o 4 tiempos). Estos motores:

1. Aspiran una mezcla de aire-combustible.
2. La comprimen.
3. Provocan su reacción (adición de calor al convertir energía química en térmica).
4. Expanden los productos de la combustión.
5. Expulsan los productos de combustión y lo reemplazan con una nueva mezcla de aire-combustible.

Ciclo Diésel

Es un motor de combustión interna. Se diseñan con relaciones de compresión muy altas, que producen presiones y temperaturas muy altas en el aire comprimido. Estas temperaturas son lo bastante altas para hacer que se inflame el combustible que en forma de chorro de rocío es atomizado en la cámara de combustión.

Construcción de Motores Recíprocos

Los componentes principales son:

• Cilindros.
• Pistón.
• Válvulas.
• Bielas.
• Cigüeñal.
• Carcasa o Bloque.

Detalles de Componentes

El Cilindro:

• Material: Acero Cromo Molibdeno.
• Características: Alta Resistencia, Aletas de Aleación de Al (Aletas de Enfriamiento).

El Pistón:

• Material: Aleaciones de Al.
• Puntos clave: PMS (Punto Muerto Superior) y PMI (Punto Muerto Inferior), Recorrido.

Partes del Pistón:

• Cabeza del pistón.
• Anillos de compresión.
• Anillos de aceite.
• Perno de agarre del pistón.
• Retén de perno.
• Falda del pistón.

Las Válvulas:

• Material base: Aleación de Hierro/carbono.
• Válvulas de admisión: Vástago Sólido.
• Válvulas de Escape: Pueden contener Sodio Metálico, Mercurio o Sal Química (para refrigeración).

Las Bielas:

• Función: Conecta el Pistón al Cigüeñal.
• Características: Rígidas pero livianas, hechas de Acero Cromo Molibdeno.
• Partes: Pie, Contrapesos, Cuerpo, Cabeza, Cojinetes, Tornillos y tuercas.

El Cigüeñal:

• Función: Convierte el Movimiento Lineal en Rotativo. Es la columna vertebral del motor, necesario para la hélice.
• Partes: Muñón principal, Codos de biela, Conductos de aceite, Contrapeso.

Motores a Reacción

Operan bajo el Ciclo de Brayton (Motor de ciclo continuo).

Tipos de Motores a Reacción

• TurboFan.
• TurboProp.
• TurboShaft.

Se estudia su Funcionamiento y Construcción.

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Módulo III: Hélice

Funcionamiento Aerodinámico de la Hélice

El funcionamiento de la hélice es el mismo que en los perfiles alares, generando empuje mediante la diferencia de presión creada por su rotación.

Elementos Aerodinámicos de la Pala

• Borde de ataque.
• Borde de fuga.
• Cuerda.
• Ángulo de incidencia.

Tipos de Hélices

Las hélices se clasifican según la capacidad de variar el ángulo de ataque de sus palas:

• Paso fijo: El ángulo de la pala no puede ser cambiado luego de ser fabricada.
• Paso ajustable: El paso puede ser ajustado en tierra cuando la misma se encuentra detenida.
• Paso variable: Permite cambiar el paso de la pala mientras la propela se encuentra girando.
• Paso automático: El sistema permite cambiar el paso de las palas sin necesidad de que el piloto decida el mejor ángulo de operación.
• Paso de reversa: Es un tipo hélice de paso controlable en la cual el ángulo de la pala puede ser cambiado a un valor negativo durante la operación (para frenado).

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Módulo IV: Instrumentación Aeronáutica

Los instrumentos primarios de control se dividen inicialmente en los que dependen del sistema giroscópico y los que dependen del sistema pitot estático.

Sistema Pitot Estático

Es un sistema de sensores e instrumentos sensibles a la presión que se utiliza principalmente para determinar la velocidad de una aeronave con relación al aire, la altitud y la variación de altitud.

Tubo Pitot

Consiste en un tubo sencillo montado, enfrentado al viento relativo, en el borde de ataque o debajo del ala (o en el morro/estabilizador vertical). Este dispositivo tiene un pequeño agujero en la punta para recoger la presión de impacto (dinámica), que debe permanecer siempre libre de obstrucciones.

Advertencia: No es recomendable soplar este tubo para limpiarlo, pues esto podría causar daño a los instrumentos.

Cuenta también con una resistencia, accionable con un interruptor desde la cabina (pitot heat), que al calentarse impide la creación de hielo. Es conveniente conectarla siempre que se vaya a entrar en condiciones de humedad visible.

Tomas Estáticas

Toman la presión estática del aire libre en que se mueve el avión. Son orificios protegidos por rejillas, normalmente situados en el fuselaje donde sufren menos perturbaciones.

Lo usual es que estas tomas sean dobles (una a cada lado del fuselaje) y sus conducciones se conecten en forma de Y para compensar posibles desviaciones, sobre todo en los virajes ceñidos.

Instrumentos Basados en Presión (Pitot Estático)

El Altímetro

Indica, en pies, la lectura de la altitud relativa a un nivel de referencia dado. La lectura se obtiene mediante dos agujas: la pequeña indica los millares y la larga las centenas (ej: aguja pequeña en 1, larga en 300 = 1300 ft).

Construcción del Altímetro

Consiste en una caja cilíndrica con una o más cápsulas aneroides (membranas herméticas taradas con presión estándar). Una toma conectada al sistema estático permite la entrada de la presión atmosférica dentro de la caja. La diferencia de presión entre la caja y el interior de las cápsulas provoca que estas se dilaten o contraigan, movimiento que se transmite mecánicamente a las agujas del altímetro.

Velocímetro o Anemómetro

Es el indicador de la velocidad relativa con respecto al aire. Su funcionamiento se basa en la comparación de dos presiones: la presión estática y la presión dinámica (captadas por el sistema pitot-estático).

Arcos de Velocidad en el Velocímetro

• Arco blanco: Desde $V_{SO}$ hasta $V_{FE}$. Velocidades adecuadas para operar con flaps.
• Arco verde ($V_{NO}$): Velocidades normales de operación. El avión no se daña en turbulencias.
• Arco amarillo: Desde $V_{NO}$ hasta $V_{NE}$. Velocidades altas; precaución, solo en ausencia de turbulencias y sin maniobras bruscas.
• Línea roja ($V_{NE}$): Velocidad de nunca exceder.

Vertical Speed Indicator (VSI) / Indicador de Velocidad Vertical

Indica si el avión está ascendiendo, descendiendo o nivelado, junto con la velocidad vertical a la que se está efectuando la maniobra, en pies por minuto (ft/min).

Construcción del VSI

Consiste en una caja hermética conectada al sistema de presión estática mediante un orificio calibrado. Dentro hay una membrana o diafragma. Cuando el avión asciende o desciende, la membrana acusa inmediatamente el cambio de presión, mientras que en la caja este cambio se produce gradualmente debido al orificio calibrado. Esta diferencia de presión hace que la membrana se dilate o contraiga, moviendo la aguja indicadora.

Instrumentos Giroscópicos

Un giróscopo es un aparato donde una masa que gira velozmente alrededor de su eje de simetría mantiene constante su orientación respecto a un sistema de ejes de referencia. Las propiedades giroscópicas fundamentales son: rigidez en el espacio y precesión.

Rigidez en el Espacio

Se explica por la 1ª Ley del Movimiento de Newton: un cuerpo en movimiento tiende a permanecer en movimiento en línea recta. El rotor ofrece gran resistencia a los intentos de volcarla o forzar su inclinación.

Precesión

Es la respuesta del objeto cuando se le aplica una fuerza deflectiva en algún borde. El resultado de esta reacción es como si el punto de aplicación de la fuerza estuviera desplazado 90º en el sentido de giro del objeto.

Montaje y Aplicaciones

El elemento giratorio se monta sobre un sistema de ejes que confieren distintos grados de libertad. El más utilizado es el montaje universal, que le confiere tres grados de libertad (libre de moverse en cualquier dirección sobre su centro de gravedad).

Gracias a sus cualidades, los giróscopos proporcionan planos fijos de referencia. Los instrumentos basados en giróscopos son:

• Indicador de actitud (Horizonte artificial).
• Indicador de giro y virajes (Bastón y bola).
• Indicador de dirección.

El rápido movimiento del rotor se puede obtener por vacío o por un sistema eléctrico.

Indicador de Actitud – Horizonte Artificial

Muestra la actitud del avión respecto al horizonte (posición en alabeo y profundidad). Es fundamental para el vuelo en visibilidad reducida o nula, y opera en base a la rigidez en el espacio.

Construcción del Horizonte Artificial

Consta de un giróscopo de rotación horizontal con montaje universal, dentro de una caja hermética. A este giróscopo se fija una esfera visible, con una barra horizontal de referencia. Por encima de la barra la esfera es azul (cielo) y por debajo marrón (tierra).

Turn Coordinator / Coordinador de Giro (Bastón y Bola)

En este instrumento, una figura de un avión indica el grado de inclinación de las alas. Debajo está el conducto curvo con la bola, que se desliza en función del desplazamiento del eje longitudinal del avión.

• Si la bola se sitúa en el bloque del centro: el avión gira coordinado.
• Si la bola se pone en uno de los bloques laterales: el avión está en posición de derrape o deslizamiento.

Indicador de Rumbo (Directional Gyro – DG)

Proporciona al piloto la dirección del avión en grados magnéticos. Aunque todos los aviones deben disponer de una brújula para ajustar el DG, este último es mucho más preciso e interpretable.

Construcción del Indicador de Rumbo

Consiste en un giróscopo cuyo eje de rotación es vertical, acoplado a una rosa de rumbos graduada de 0º a 359º. Un pequeño avión montado verticalmente en el frontal siempre apunta al rumbo del avión.

Al efectuar un cambio de dirección, la caja del instrumento se mueve con el avión, pero el giróscopo mantiene su posición (rigidez). Este desplazamiento relativo se transmite a la rosa de rumbos, haciéndola girar para mostrar el rumbo correcto enfrentado al morro del avión en miniatura.

Instrumentos de Monitoreo del Motor (Indicadores Analógicos)

Oil Pressure (Presión de Aceite)

Indica la presión del aceite en el motor. Debe estar en arco verde; de lo contrario, podría haber un malfuncionamiento de la bomba de aceite que ocasionaría un daño al motor. Si no muestra indicación en los primeros 30 segundos después del encendido, se debe dejar de operar el motor.

Oil Temperature (Temperatura de Aceite)

Es importante porque:

• Si la temperatura es baja, el aceite no tendrá la fluidez suficiente y dificultará el movimiento entre las piezas.
• Si la temperatura es alta, el aceite se vuelve demasiado fluido, pierde capacidad de lubricación y disminuye la presión del sistema.

Manifold Pressure (Presión del Múltiple de Admisión)

Se lee en pulgadas de mercurio («hg»). Es uno de los mejores métodos para determinar cuánto poder está desarrollando el motor. Cuanta más mezcla de aire y combustible se pueda extraer en los cilindros, más potencia puede desarrollar el motor.

Tacómetro

Es un medidor de r.p.m. (revoluciones por minuto). Suele tener un arco verde que indica el rango normal de operación en vuelo de crucero, y un arco rojo que muestra el rango que no es conveniente mantener de forma sostenida.

SUCTION (Sistema de Vacío)

El sistema de vacío en la aviación ligera emplea el flujo del aire como medio para establecer la succión necesaria para accionar los instrumentos giroscópicos del avión (horizonte artificial, bastón y bola, e indicador direccional).