2.3 Subcomponentes y Tipos de Construcción de Aviones

Subcomponentes

Los subcomponentes de un avión comprenden la estructura, el sistema eléctrico, controles de vuelo, y los frenos.

La estructura básica de una aeronave está diseñada para soportar todas las fuerzas aerodinámicas, así como las tensiones impuestas por el peso del combustible, la tripulación y la carga útil. La función principal del sistema eléctrico es la de generar, regular y distribuir la energía eléctrica en todo el avión. Hay varias fuentes de energía diferentes en las aeronaves para alimentar el sistema eléctrico. Estas fuentes de energía incluyen: generadores de corriente alterna (AC) accionados por el motor, unidades de potencia auxiliar (APU), y alimentación exterior.

El sistema de energía eléctrica de la aeronave se utiliza para operar los instrumentos de vuelo, sistemas esenciales tales como anti-hielo, etc., y los servicios de pasajeros, tales como la iluminación de la cabina. Los controles de vuelo son los dispositivos y sistemas que gobiernan la actitud de la aeronave y, en consecuencia, la trayectoria de vuelo seguida por la aeronave. En el caso de muchos aviones convencionales, los controles de vuelo primarios utilizan superficies abisagradas en los bordes de salida llamadas timones de profundidad para cabeceo, alerones para alabeos, y timón para la dirección. Estas superficies son operadas por el piloto desde la cabina o por un piloto automático.

Los frenos consisten en pastillas que hidráulicamente se aprietan contra un disco giratorio ubicado entre ellas. Las pastillas ejercen presión contra el disco que está girando con las ruedas. Como resultado de la fricción en el disco las ruedas se frenan y dejan de girar. Los discos y las pastillas de freno están hechos de acero, como los de un auto, o de un material de carbono que pesa menos y puede absorber más energía. Debido a que los frenos del avión se utilizan principalmente durante los aterrizajes y deben absorber enormes cantidades de energía, su vida es medida en aterrizajes en vez de kilómetros.

Tipos de Construcción de Aviones

La construcción de fuselajes evolucionó comenzando con estructuras reticulares de madera pasando por las estructuras monocasco a las estructuras semimonocasco actuales.

Estructura Reticular

El principal inconveniente de la estructura reticular o tubular es la falta de una forma aerodinámica. En este método de construcción, largos tubos, llamados largueros, se sueldan en su lugar para formar un marco bien reforzado. Soportes verticales y horizontales están soldados a los largueros y dan a la estructura una forma cuadrada o rectangular. Soportes adicionales son necesarios para resistir las fuerzas que provienen de cualquier dirección. Larguerillos y cuadernas se añaden para darle la forma al fuselaje y unir el revestimiento.

Con el avance de la tecnología, los diseñadores de aviones comenzaron a cubrir la estructura para hacer más aerodinámico el avión y mejorar el rendimiento. Esto se logró inicialmente con tela, que eventualmente dio paso a metales ligeros como el aluminio. En algunos casos, la cubierta exterior puede soportar toda, o una parte importante, de las cargas de vuelo. Aviones más modernos utilizan una forma de esta estructura de cubrimiento conocida como monocasco o semimonocasco.

Monocasco

La construcción monocasco utiliza un revestimiento reforzado para soportar casi todas las cargas, como una lata de bebidas de aluminio. Aunque es muy fuerte, la construcción monocasco no es muy tolerante a la deformación de la superficie. Por ejemplo, una lata de aluminio puede soportar fuerzas considerables en los extremos, pero si el lado de la lata se deforma ligeramente, mientras soporta una carga, colapsa fácilmente. Como la mayoría de las fuerzas de torsión y flexión son soportados por el revestimiento en lugar de una estructura, los refuerzos internos fueron eliminados o reducidos, para ahorro de peso y maximizar el espacio. Uno de los métodos notables e innovadores en la construcción monocasco era empleado por Jack Northrop. En 1918, ideó una nueva manera de construir un fuselaje monocasco utilizado para el Lockheed S-1 Racer. La técnica utilizó dos medios moldes de madera contrachapada que se pegan alrededor de aros de madera o larguerillos. A pesar de ser empleado en los inicios de la aviación, la construcción monocasco no reaparece durante varias décadas debido a la complejidad del proceso. Ejemplos diarios de construcción monocasco se puede encontrar en la fabricación de automóviles, donde se considera el monocasco estándar en la industria manufacturera.

Semimonocasco

La construcción semimonocasco utiliza una estructura a la cual se une el revestimiento de la aeronave. Dicha estructura, que consta de mamparos y/o cuadernas de diversos tamaños y larguerillos, refuerza la cubierta tomando algunos de los esfuerzos de flexión del fuselaje. La sección principal del fuselaje también incluye los puntos de unión del ala y un cortafuegos. En aviones monomotores, el motor está por lo general unido a la parte delantera del fuselaje. Hay una mampara a prueba de fuego entre la parte trasera del motor y la cabina para proteger al piloto y los pasajeros de los incendios accidentales del motor. Esta mampara se llama cortafuegos y suele ser de material resistente al calor como el acero inoxidable. Sin embargo, un nuevo proceso de construcción es la integración de los materiales compuestos o de una aeronave hecha completamente de materiales compuestos.

Construcción en materiales compuestos (Composite)

Historia

El uso de materiales compuestos en la construcción de aviones data de la Segunda Guerra Mundial, cuando aislamientos de fibra de vidrio blando se utilizó en fuselajes de B-29. A fines de los ’50, los fabricantes europeos de planeadores de alto rendimiento utilizaban fibra de vidrio para las estructuras primarias. En 1965, la FAA (Administración Federal de Aviación, EEUU) certificó el primer avión en la categoría normal hecho completamente de fibra de vidrio, un planeador suizo llamado Diamant VHB. Para el año 2005, más del 35 por ciento de los aviones nuevos fueron construidos en materiales compuestos.

Materiales compuestos es un término muy amplio y puede significar materiales como fibra de vidrio, fibra de carbono, Kevlar, y combinaciones de todo lo anterior. La construcción con compuestos ofrece dos ventajas: revestimientos extremadamente lisos y la capacidad de formar fácilmente estructuras curvas complejas o estructuras aerodinámicas.

Materiales compuestos en aviones

Los materiales compuestos son sistemas de matriz reforzados con fibra. La matriz es el "pegamento" que se utiliza para mantener las fibras entre sí y, una vez curada, le da forma a las partes, pero las fibras llevan la mayor parte del trabajo. Hay muchos tipos de fibras y sistemas de matriz.

En el avión, el más común es la matriz de resina epoxídica, que es un tipo de termo-plástico. En comparación con otras opciones como la resina de poliéster, la epoxi es más fuerte y tiene buenas propiedades a altas temperaturas. Hay muchos tipos diferentes de resinas epoxi, con una amplia gama depropiedades estructurales, tiempos de curado y temperaturas, y costos.

Las fibras de refuerzo más comunes utilizados en la construcción de aviones son la fibra de vidrio y la fibra de carbono. La fibra de vidrio tiene buena resistencia a la tracción y a la compresión, buena resistencia al impacto, es fácil trabajar, y es relativamente barata y fácilmente disponible. Su principal desventaja es que es relativamente pesada, y es difícil hacer una estructura que soporte cargas más livianas que una estructura de aluminio equivalente.

La fibra de carbono es generalmente más fuerte en resistencia a la tracción y a la compresión que la fibra de vidrio, y tiene una rigidez mucho mayor a la flexión. También es considerablemente más ligera que la fibra de vidrio. Sin embargo, es relativamente débil la resistencia al impacto; las fibras son frágiles y tienden a romperse bajo fuerte impacto. Esto puede ser mejorado en gran medida con un sistema de resina epoxi reforzado, como el que se utiliza en el Boeing 787 en los estabilizadores horizontal y vertical. La fibra de carbono es más cara que la fibra de vidrio, pero el precio ha caído debido a las innovaciones impulsadas por el programa B-2 en los ’80, y Boeing 777 en la década de ’90. Estructuras de fibra de carbono bien diseñadas pueden ser mucho más livianas que una estructura de aluminio equivalente, a veces un 30 por ciento o más.

Ventajas de los materiales compuestos

La construcción en compuestos ofrece varias ventajas sobre el metal, madera o tela, siendo su menor peso lo más citado. El menor peso no siempre es automático. Hay que recordar que la construcción de una aeronave con compuestos no garantiza que será más liviana, sino que depende de la estructura, así como el tipo de compuesto que se utiliza.

Una ventaja más importante es que una estructura de compuestos, aerodinámica, con curvas muy suaves reduce la resistencia. Esta es la razón principal por la que los diseñadores de planeadores cambiaron de metal y madera a los materiales compuestos en la década de 1960.Los compuestos también ayudan a enmascarar la señal de radar de los aviones "stealth", como el B-2 y el F-22. Hoy en día, los compuestos se pueden encontrar en aviones tan variados como los la mayoría de planeadores hasta los nuevos helicópteros.

La ausencia de corrosión es una tercera ventaja de los materiales compuestos. Boeing está diseñando el 787, con el fuselaje completo en compuestos, teniendo un mayor diferencial de presión y mayor humedad en la cabina que los aviones anteriores. Los ingenieros ya no están tan preocupados por la corrosión por condensación de humedad en las zonas ocultas del revestimiento del fuselaje, como detrás de las mantas de aislamiento. Esto debería conducir a una reducción de los costes de mantenimiento para las líneas aéreas.

Otra de las ventajas de los materiales compuestos es su buen rendimiento en un entorno de flexión, como en las palas del rotor del helicóptero. Los compuestos no sufren de fatiga del metal y formación de grietas al igual que los metales. Si bien necesita una ingeniería cuidadosa, las palas en material compuesto pueden tener considerablemente más vida de uso que las palas de metal, y la mayoría de los nuevos helicópteros grandes tienen todas las palas en compuestos, y en muchos casos, rotores en materiales compuestos.

Desventajas de los materiales compuestos

La construcción con composite viene con su propio conjunto de desventajas, la más importante de las cuales es la falta de una prueba visual de daños. Los compuestos responden al impacto de manera diferente a otros materiales estructurales, y muchas veces no hay signos obvios de daños. Por ejemplo, si un auto choca un fuselaje de aluminio, puede abollar el fuselaje. Si el fuselaje no está abollado, no hay ningún daño. Si el fuselaje está abollado, el daño es visible y se hacen las reparaciones.

En una estructura de material compuesto, un impacto de baja energía, tales como un golpe o una caída de herramientas, puede no dejar signo visible del impacto en la superficie. Por debajo del punto de impacto puede haber amplias delaminaciones, extendiéndose en un área en forma de cono desde el lugar del golpe. El daño en la parte posterior de la estructura puede ser importante y extenso, pero estar oculto a la vista. Cada vez que uno tiene razones para pensar que pudo haber un golpe, aunque sea menor, lo mejor es conseguir un inspector familiarizado con compuestospara examinar la estructura para determinar el dañosubyacente. La aparición de áreas blanquecinas en unaestructura de fibra de vidrio es un buen indicio de quese han producido delaminaciones de la fibra.Un impacto de mediana energía resulta en unaplastamiento local de la superficie, lo que debe servisible a la vista. El área dañada es mayor que el áreaaplastada visible, y tendrá que ser reparada. Unimpacto de alta energía, tales como el impacto de aveso granizo durante el vuelo, resulta en una perforacióny una estructura seriamente dañada. En impactos demedia y alta energía, el daño es visible para el ojo,pero el impacto de baja energía es difícil de detectar.

los tipos más baratos de resina de poliéster, puede ser un problema cuando se utiliza combustible de autos con etanol en la mezcla. Los tipos más caros de resina de poliéster, así como la resina epoxi, se puede utilizar con combustible de automóviles, así como gas de aviación (AVGAS) de 100 octanos.

Protección contra rayos

La protección contra rayos es una consideración importante en el diseño de aeronaves. Cuando un avión es alcanzado por un rayo, se entrega una gran cantidad de energía a la estructura. Ya sea que vuele un avión ligero o un avión de aerolínea, el principio básico de protección contra rayos es el mismo. Para cualquier tamaño de avión, la energía del rayo debe ser extendido por un área de gran superficie para reducir los amperes por centímetro cuadrado a un nivel aceptable.

Si un rayo cae sobre un avión de aluminio, la energía eléctrica se conduce naturalmente a través de la estructura de aluminio. El desafío es mantener la energía alejada de la aviónica, los sistemas de combustible, etc., hasta que se pueda conducir sin peligro fuera del avión. El revestimiento exterior de la aeronave es el camino de menor resistencia.

En un avión hecho de compuestos, la fibra de vidrio es un excelente aislante eléctrico, mientras que la fibra de carbono conduce la electricidad, pero no tan fácilmente como el aluminio. Por lo tanto, conductividad eléctrica adicional se debe agregar a la capa exterior en compuestos. Esto se hace generalmente con finas mallas de metal pegadas a la superficie. Mallas de aluminio y de cobre son los dos tipos más comunes, con el aluminio utilizado en fibra de vidrio y el cobre en la fibra de carbono. Todas las reparaciones estructurales en las áreas protegidas contra rayos también debe incluir la malla, así como la estructura subyacente.

En aeronaves en compuesto con antenas de radio internas, en la zona de la antena debe haber "ventanas" en la malla contra rayo. Antenas de radio internas se pueden ubicar en los materiales compuestos de fibra de vidrio debido a que la fibra de vidrio es transparente a las frecuencias de radio, y la fibra de carbono no.

El futuro de los materiales compuestos

En las décadas posteriores a la Segunda Guerra Mundial, los materiales compuestos se han ganado un papel importante en el diseño de aeronaves. Su resistencia a la corrosión y flexibilidad, así como la relación resistencia-peso, indudablemente seguirá al frente de los diseños de los aviones más innovadores en el futuro. Desde el Cirrus SR-20 hasta el Boeing 787, es obvio que los compuestos han encontrado un lugar en la construcción de aviones y están aquí paraquedarse.

By: El Aviador 27 https://www.facebook.com/elaviador27/ https://elaviador27.blogspot.com.co/

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