Ing. Juan Carlos Fallas Ch., Ph.D.
Ingeniero Mecánico
Birmingham, UK. En la actualidad, la aviación civil es uno de los medios de transporte más seguros a nivel mundial. Los motores aéreos de tipo turbofán (o turboventilador) son comunes en aeronaves civiles, y su llegada al público se ha logrado con base en rigurosas normas de seguridad. Los conocimientos adecuados, acumulados por los fabricantes, se han combinado con las normas emitidas por las agencias de seguridad aérea, a fin de ejecutar los desempeños idóneos. Después de todo, sus partes internas se encuentran sujetas a altas temperaturas, esfuerzos y velocidades de rotación, entre otros parámetros [1].
No obstante la mitigación de posibles riesgos en las fases de diseño, manufactura, y en servicio; estos motores pueden registrar fallas en operación, debidas a desprendimientos totales o parciales en sus componentes internos. Estos eventos se pueden clasificar en dos tipos: fallas contenidas y no contenidas. Las primeras, generalmente no presentan un riesgo inminente para el avión o pasajeros, y ocurren al desprenderse objetos o trozos relativamente pequeños, los cuales se quedan alojados dentro del motor, o salen expulsados por la parte trasera. [2].
Las fallas no contenidas suceden cuando un componente se desintegra, y sus fragmentos son expulsados violentamente, lo cual causa daños severos en el motor, e incluso, en el fuselaje. Al poseer masas considerables (algunos sobrepasando los 100 Kg) y velocidades de rotación de hasta 10 000 RPM, partes como los discos de baja, intermedia y alta presión en compresores y turbinas tienen el potencial de desencadenar eventos de este tipo [1].
Por ser estos daños potencialmente catastróficos, no solo para personas a bordo, sino también para personas y objetos en tierra, la integridad mecánica de estos componentes se analiza desde varios ángulos. Se discute y se trabaja continuamente en diversos aspectos, como: la fatiga de los materiales, la tolerancia a daños (grietas, impactos, rayaduras, corrosión, etc.) y las impurezas que surgen en la estructura cristalina durante su fabricación. Para la seguridad aérea, es fundamental comprender el comportamiento de las aleaciones utilizadas en estos componentes (a base de Titanio, Níquel y Acero).
Los siguientes casos retratan acontecimientos recientes que incluyen ambos tipos de falla.
Impurezas en aleaciones: En octubre de 2016, en la fase de despegue, el vuelo AA383 sufrió la explosión de uno de sus motores. La causa del percance se ubicó en la desintegración de uno de los discos de la turbina de alta presión. Las impurezas no detectadas en los discos de turbinas y los compresores pueden concentrar esfuerzos que generan grietas y desprendimientos [3]. Luego de la tragedia de Sioux City (1989), donde fallecieron 111 personas por un accidente ligado a las impurezas en un disco de titanio, se crearon normas para el control de la calidad.
Fatiga en frío del Titanio: En setiembre de 2017, el vuelo AF66 sobrevolaba Groenlandia, cuando un disco de abanico se fracturó, y sus trozos fueron expulsados violentamente, lo cual produjo el daño de una de sus cuatro turbinas. Afortunadamente, el avión involucrado logró aterrizar en una base militar cercana [4] [5]. La investigación posterior determinó que la causa del accidente fue una falla por fatiga en frío (cold dwell fatigue, en inglés). En aleaciones de titanio, este complejo mecanismo de falla se refiere a la reducción en la vida del componente, al ser sujeto a cargas cíclicas, a temperaturas cercanas o menores a los 100 °C. Existen referencias sobre el alivio de este fenómeno a temperaturas de funcionamiento más elevadas [6] [7].
Fatiga: En febrero de 2021, al despegar en Denver (EE.UU.), el vuelo UA328 acaparó las noticias mundiales por su falla no contenida. Utilizando microscopia electrónica, las investigaciones preliminares sugirieron que un aspa de abanico se desprendió del motor, luego de fallar por fatiga. [8]. Si bien no hubo víctimas fatales, los daños a objetos en tierra fueron considerables.
Falla contenida: También, en febrero de 2021, en Holanda, al despegar del aeropuerto de Maastricht, el vuelo de carga comercial LGT5504 sufrió la perdida de varios fragmentos de su motor, lo cual produjo un impacto en tierra y, consecuentemente, dañó vehículos y causó heridas a una persona [9].
Si se toma en cuenta el número de vuelos anuales, a nivel mundial, los incidentes de esta naturaleza son escasos, aunque sus riesgos no son ignorados. De igual forma, el alto grado de entrenamiento de la tripulación y muchas otras medidas de seguridad entran en juego para llevar a buen puerto a aeronaves en problemas. Si bien la industria posee una extensa gama de recursos y conocimiento, la introducción de nuevas aleaciones y componentes para motores de aviación más eficientes continúa exigiendo estudios detallados y normas actualizadas.
Referencias:
| [1] | Rolls-Royce. The Jet Engine. John Wiley & Sons, 2015. |
| [2] | Federal Aviation Administration Advisory Circular. Turbine Engine Rotor Blade Containment/Durability. Disponible en: https://www.faa.gov/documentLibrary/media/Advisory_Circular/AC_33-5.pdf. 1990. |
| [3] | Hardy, M., Detrois, M., McDevitt, E., et al. Solving recent challenges for wrought Ni-base superalloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 51(6), 2626-2650. 2020. |
| [4] | Engine breaks up on Air France Airbus A380, forcing emergency landing in Canada. Disponible en: https://www.theguardian.com/business/2017/oct/01/engine-breaks-up-on-air-france-a380-forcing-emergency-landing-in-canada. 2017. |
| [5] | Air France plane engine fails over Atlantic. Disponible en: https://www.bbc.co.uk/news/world-europe-41454712. 2017. |
| [6] | Zheng, Z., Stapleton, A., et al. Understanding thermal alleviation in cold dwell fatigue in titanium alloys. International Journal of Plasticity, 111, 234-252. 2018. |
| [7] | Whittaker, R. (2011). An investigation into cold dwell fatigue behaviour in Ti6246 and other aerospace alloys (Tesis de Doctorado, Universidad de Birmingham). |
| [8] | National Transportation Safety Board. United Airlines Flight 328 Boeing 777 Engine Incident. Disponible en: https://www.ntsb.gov/investigations/Pages/DCA21FA085.aspx. |
| [9] | Engine parts drop from Boeing 747 cargo plane in Netherlands. Disponible en: https://www.theguardian.com/business/2021/feb/22/dutch-investigate-boeing-747-after-engine-parts-drop-after-takeoff-netherlands. 2021. |