El efecto de las cenizas volcánicas en la aeronave

Alrededor de diez volcanes en todo el planeta están normalmente en activo. Las nubes de ceniza que expulsan tienen un efecto abrasivo y pueden llegar a dañar seriamente los motores. El problema añadido, como veremos más adelante, es que estas pequeñas partículas, de menos de una milésima de milímetro, no se pueden detectar con el radar meteorológico. En la última crisis del volcán islandés de abril de 2010, la IATA (International Air Transport Association) estima que las aerolíneas han perdido casi 1.300 millones de dólares y hubo más de 95.000 vuelos cancelados, cifras elevadas, pero necesarias para garantizar la seguridad en vuelo.

Sólo en el período comprendido entre 1980 y el año 2000 se reportaron más de 80 eventos de encuentros entre aeronaves comerciales y nubes de cenizas volcánicas, incluso a niveles de vuelo por encima de FL300 (30.000 pies). A esta altura los vientos, de la estratosfera las pueden transportar a miles de kilómetros de distancia. De hecho, las pequeñas partículas de ceniza, en su mayoría similares en tamaño al polvo de una lija fina, y los gases sulfurosos pueden permanecer en la estratosfera durante años. El efecto en las aeronaves abarca desde un ligero deterioro en las prestaciones de los motores hasta el apagado simultáneo de todos ellos. Sin embargo, en ninguna de las ocasiones se ha producido un accidente catastrófico, ya que, incluso en el peor caso, fue posible el reencendido de los motores. Por ejemplo, en 1980 tanto un Boeing 727 como un DC-8 interceptaron en su trayectoria de vuelo las cenizas del volcán St. Helens, en Estados Unidos. Ambas aeronaves sufrieron daños en los parabrisas y en diversos sistemas, pero fueron capaces de aterrizar sin incidentes.

Dos años más tarde, un Boeing 747 de British Airways sufrió el apagado simultáneo de sus cuatro motores cuando penetró en una nube de cenizas provenientes del volcán Galunggung (Indonesia) a nivel de crucero FL360. El piloto comenzó entonces el procedimiento de reencendido y acabó descendiendo hasta FL125, antes de volver a arrancar los propulsores, gracias a que todavía existía suficiente potencia eléctrica, necesaria para generar la chispa de encendido, proveniente de un generador y de las baterías de a bordo. En aquella ocasión, el avión volvió a su operación normal de servicio, pero tres de sus motores tuvieron que ser reemplazados. Aunque el espacio aéreo se cerró temporalmente al tráfico aéreo, se volvió a abrir unos pocos días después. Entonces, otro 747, esta vez de Singapore Airlines, se vio obligado a apagar tres propulsores, realizando finalmente el aterrizaje con sólo dos. A cambio, consiguió de forma involuntaria el record Guinness de vuelo sin motor en una aeronave no diseñada para esta condición, que mantuvo hasta el incidente de un A330-200 de la canadiense Air Transat, que se quedó sin combustible. En aquella ocasión se estima que el coste asociado al paro de la aviación comercial fue de 250 millones de dólares.

En 1989 se volvió a experimentar una situación similar, cuando todos los motores se apagaron en un 747-400 de KLM con apenas 900 horas de vuelo y que se encontraba sobrevolando Anchorage (Alaska) y se topó en su camino con una nube de cenizas provenientes del volcán Redoubt. Aunque el piloto intentó evitar la nube comenzando una maniobra de ascenso, los cuatro se pararon apenas 3.000 pies después. De nuevo, la tripulación pudo reencenderlos, después de perder casi 13.000 pies, y realizar un aterrizaje sin nada que lamentar, aunque el coste de la reparación de la aeronave alcanzó los 80 millones de dólares. Se tuvo que cambiar el sistema de control ambiental, limpiar los tanques de combustible, reparar el sistema hidráulico y los cuatro motores fueron reemplazados. Unas labores demasiado costosas, que no se realizarían si el avión no hubiera sido nuevo.

En 1991, el Pinatubo (Islas Filipinas) lanzó a la atmósfera más de 10 km3. de material, representando la segunda mayor erupción volcánica del siglo XX y cubriendo un gran área en apenas unas horas. Varios aeropuertos internacionales de la zona tuvieron que ser cerrados y algunos llegaron a tener hasta 15 cm. de ceniza volcánica en sus pistas. Esta fuerte acumulación de material, unido al agua proveniente un tifón en la zona provocó el colapso del techo de varios hangares e instalaciones de mantenimiento. El aeropuerto de Manila tuvo que ser clausurado entre el 15 y el 19 de junio, aunque no llegó a recobrar completamente la normalidad hasta el 4 de julio. Más aviones sufrieron otros incidentes menores a distancias de hasta 600 km. del Pinatubo e incluso en su aproximación a la capital de Filipinas. Si algo resultó obvio del evento fue la ausencia de una red de comunicación entre las agencias de navegación aérea y las que monitorizan las erupciones volcánicas, donde la información sobre la posición y posible desplazamiento de la nube estaba disponible. De haberse transmitido se podrían haber evitado gran numero de estos encuentros. El problema comenzó a resolverse un año después, en la Conferencia de Seattle, como veremos más adelante.

En 1997, la erupción del Popocatepetl (México) produjo consecuencias menores, siendo la de mayor envergadura el aterrizaje de una aeronave con visibilidad significativamente reducida, viéndose obligada la tripulación a utilizar las ventanillas laterales para poder realizar el carreteo por pista, una vez ya completada la toma en tierra. En aquella ocasión, el aeropuerto de la capital se cerró al tráfico durante 24 horas en varias ocasiones, debido a erupciones intermitentes. Finalmente, la del volcán  Eyjafjallajökull, el 14 de abril de 2010, con más de 0,1 km3. de materia lanzados al espacio aéreo, ha provocado quizá la mayor interrupción de vuelos comerciales de la historia, superando incluso las consecuencias de los atentados del 11-S en Nueva York. Se estima que, apenas una semana después de la erupción, se superaba los 95.000 cancelados y las pérdidas en el sector aéreo se situaban entre 1.500 y 2.500 millones de euros, debido al cierre de buena parte del espacio aéreo europeo, uno de los más saturados del planeta.

Efectos en la aeronave y en los motores

La seriedad de los incidentes protagonizados por del 747-200 de British Airways y el 747-400 de KLM concienciaron a las autoridades aeronáuticas de que el encuentro con cenizas volcánicas podía ser la causa de un potencial accidente aéreo. Hasta entonces se sabía que los aviones podían tener dificultades en su vuelo debido al bloqueo de tubos Pitot o al impacto de la ceniza sobre el parabrisas, como si se tratase de una tormenta de arena. Desde entonces, se conoce que las aristas de las partículas volcánicas de mayor tamaño pueden erosionar fácilmente las piezas metálicas, de material compuesto e incluso el cristal del parabrisas, las luces estroboscópicas o las antenas de comunicaciones. La abrasión del parabrisas puede reducir significativamente la visión frontal del piloto, lo cual representaría un serio problema durante el aterrizaje, como así sucedió en 1982 con el 747 de British Airways, conocido también como el incidente de Yakarta, donde el piloto tuvo que emplear las ventanillas laterales para carretear por pista hasta llegar a la terminal.

Por otra parte, la abrasión de las antenas puede conducir a la pérdida completa de las comunicaciones de alta y muy alta frecuencia (HF y VHF) y, como las cenizas pueden llevar una alta carga eléctrica estática, producida por la fricción entre ellas, puede dañar componentes electrónicos, además de dificultar su eliminación posterior. En el caso extremo, se puede reemplazar la electrónica y la aviónica ante de posibilidad de haber sufrido sobrecalentamiento debido al bloqueo/contaminación de sus sistemas de refrigeración, lo que implica un gasto de reparación considerable especialmente en aeronaves dotadas de mandos electrónicos (Fly-by-wire).

Debido a su pequeño tamaño, menor incluso de 1 micra (un pelo humano tiene 100 micras de diámetro), la ceniza puede penetrar en prácticamente todos los compartimentos del avión, bloqueando las sondas Pitot y sistemas de aire, con el riesgo asociado de pérdida de presurización en cabina. De hecho, uno de los daños más importantes que se producen en la aeronave es la pérdida de esas sondas, lo que puede dejar sin información de velocidad de vuelo a la tripulación y perturbar el funcionamiento del piloto automático.

Los sistemas de combustible, aceite, hidráulico y de refrigeración pueden sufrir una fuerte contaminación, lo que obliga a cambiar estos fluidos y todos sus filtros. El fuselaje también debe ser limpiado para eliminar los restos de cenizas, así como la cabina de pilotaje (cockpit), el panel de fusibles o los compartimentos de pasajeros y carga. Las cenizas pueden contaminar los sistemas de detección de fuego de los habitáculos de carga, dando lugar a alarmas espurias no producidas realmente por la presencia de fuego.

El efecto en los motores puede ser más serio. Como el tamaño de las cenizas es muy reducido, gran número de partículas tienen poca inercia y son capaces de seguir las líneas aerodinámicas dentro del motor. Como la lava volcánica está formada fundamentalmente por silicatos, su temperatura de fusión se encuentra alrededor de los 1.100ºC, muy por debajo de la temperatura en la cámara de combustión o en la turbina de los motores “turbofan” actuales a potencia media-alta. Por tanto, la ceniza se funde en esta zona y especialmente, en los estatores (NGV) de la turbina de alta presión (HPT), dando lugar a una reducción progresiva del área de paso y que contribuye a aumentar la línea de funcionamiento del compresor de alta (HPC) hasta el caso extremo de hacerle entrar en inestabilidad primaria (“surge”), produciendo una pérdida de potencia e incluso el apagado del motor.

Las evidencias encontradas durante el desmontaje de motores expuesto a ceniza volcánica muestran que estos depósitos en los NGV son muy frágiles, pudiéndose desprender fácilmente a temperatura ambiente. Este hallazgo confirma la facilidad con la que se han podido reencender los motores en vuelo, debido seguramente a que las capas de ceniza volcánica se desprenden de las superficies aerodinámicas por el choque térmico y de presión experimentado durante el reencendido o cuando los motores reducen su potencia al ralentí.

Las partículas duras y con aristas de mayor tamaño impactarán contra el “fan” y los estatores del compresor, causando un aumento de la rugosidad superficial, especialmente en la zona del compresor, así como cambios en la geometría de los álabes, especialmente al redondear el borde de ataque del perfil, siendo el efecto mayor en la punta del álabe, ya que la velocidad de impacto es mayor. En conjunto, el efecto de la erosión de las cenizas volcánicas depende en buena parte del diseño del propulsor. Por ejemplo, en el caso de compresores muy cargados aerodinámicamente con perfiles de alta curvatura y baja relación de aspecto y cuerda pueden experimentar distintos niveles de erosión, sometidos a las mismas condiciones, que otros álabes de alta relación de aspecto. El efecto principal es un desprendimiento temprano de la capa límite y la pérdida de eficiencia del componente. Otros efectos también importantes son la reducción de la curvatura del perfil, el aumento de las áreas de garganta del compresor, un incremento del espacio intersticial álabe-carcasa, así como mayores fugas en sellos. La adherencia de partículas es especialmente importante en zonas de recirculación de flujos, donde la velocidad es baja y se facilita su acumulación. Su efecto sobre los mecanismos que controlan los VSV del motor puede producir serios cambios en el punto de funcionamiento.

Ante todos estos cambios, el sistema de control del motor reaccionará normalmente aumentando la inyección de combustible para compensar la pérdida de empuje, lo que incrementará el fundido de las cenizas en la zona de las turbinas. Además, las partículas más finas comenzarán a depositarse en los orificios de refrigeración de éstas y sobre los propios inyectores, dando lugar a distribuciones no homogéneas de temperaturas en la cámara de combustión que pueden ser muy dañinas para algunos sectores de las turbinas situadas aguas abajo, por la formación de puntos calientes. La acumulación de ceniza en los inyectores o en la zona de premezcla del aire y el combustible puede dificultar el rearranque en vuelo, pero sin llegar a hacerlo imposible, debido a la fragilidad de la costra formada.

Todos los daños anteriores se producen mientras que la aeronave se encuentra en contacto con la nube de cenizas volcánicas. Sin embargo, también pueden aparecer otros daños a largo plazo debido a la combinación del dióxido de azufre (SO2) emitido por el volcán con partículas de agua en suspensión en la atmósfera, lo que da lugar a ácido sulfúrico, que puede permanecer durante largas temporadas en las capas superiores de la atmósfera y que se caracterizan por ser muy estables. El funcionamiento de los motores en este entorno ácido produce un aumento de la corrosión de sus componentes, pero que también afecta al fuselaje y a las ventanillas de la aeronave, especialmente las fabricadas en material acrílico, pudiendo dar lugar a microgrietas. Debido al menor intervalo entre inspecciones, su efecto se aprecia mejor en propulsores que en el propio avión, donde es difícil de distinguir de la corrosión producida por la presencia de sal en aeropuertos situados cerca del mar o de la polución en aeropuertos cercanos a grandes núcleos de población. Históricamente, la base de datos de encuentros de aviones con cenizas volcánicas comienza en 1935. Sin contabilizar aún los efectos de abril de 2010, se han registrado 83 encuentros con distintos grados de criticidad, según se resume en la tabla y figuras adjunta:

Recomendaciones

En primer lugar, se recomienda reducir la potencia de los motores al ralentí, con el fin de bajar la temperatura y evitar así la fusión de las cenizas en la zona de las turbinas. Asimismo, la reducción en la cantidad de aire ingerida por el motor reducirá, a su vez, el régimen de deterioro por erosión en sus componentes internos, por lo que la pérdida de eficiencia será menor y, por tanto, más fácil será reencender el motor en caso de apagado. Igualmente, conviene apagar el piloto automático para evitar que el sistema incremente la potencia por encima de ralentí y poder controlar manualmente y de forma lenta los cambios transitorios de potencia con el fin de reducir la probabilidad de inestabilidad primaria ("surge") en los motores. Las autoridades aeronáuticas también recomiendan conectar los sistemas antihielo y todos los paquetes de acondicionamiento de cabina, de nuevo, con el fin de bajar la línea de funcionamiento del compresor y aumentar así el margen de estabilidad.

Al menos se debe intentar mantener un motor al ralentí para que proporcione energía eléctrica y presurización de la cabina y, como medida redundante, conectar la unidad de potencia auxiliar APU (Auxiliary Power Unit), para asegurar el suministro eléctrico y neumático en caso de apagado simultáneo de todos los motores. De cualquier forma, si la presión en cabina supera una altura correspondiente a 4.250 m. (14.000 pies) se suelen descolgar automáticamente las mascarillas de oxígeno. No se recomienda hacerlo manualmente si la presión en cabina es superior, porque se corre el riesgo de que el oxígeno proveniente de las bombonas se mezcle con las cenizas volcánicas.

Y, por último, aunque en realidad debería ser la primera acción, se debe evitar la nube de cenizas lo antes posible, si es posible mediante una maniobra evasiva de 180º y descendente, si la distancia con el suelo lo permite. No se recomienda tratar de aumentar la potencia de los motores e intentar pasar por encima de la nube por las razones anteriormente citadas. Ante la mínima posibilidad de haber volado en una nube de cenizas volcánicas, se recomienda realizar una inspección boroscópica para conocer el posible impacto en el motor. No se recomienda, sin embargo, lavar los compresores con sistemas, como el "EcoPower" que ofrece Pratt & Whitney, hasta que se hayan eliminado todas las partículas contaminantes, dado que se pueden transportar las cenizas a zonas más internas del motor, incrementando así el daño.

En las aeronaves estacionadas en tierra, se recomienda recubrir tanto la toma como la tobera del motor para evitar la entrada de cenizas. La limpieza de la propia aeronave no debe realizarse con agua directamente, por las mismas razones esgrimidas para el motor. En este caso, se recomienda realizar la limpieza en tres pasos: barrer las superficies para quitar la mayor cantidad de ceniza; a continuación, utilizar un aspirador industrial para absorber los restos de ellas; y, finalmente, realizar un lavado con agua, pero siempre prestando especial cuidado de que no hacerlo cerca de juntas o aberturas en el fuselaje.

Articulo: Alberto García Pérez ( Airline92.com)