[Escriba aquí] Estructuras del Aeronave [Escriba aquí] LA AERONAVE 1. INTRODUCCIÓN Propósito • En esta unidad se pretende acercar al alumno a uno de los elementos básicos de las aeronaves. Objetivos • • • Conocer adecuadamente los elementos con los que se va a trabajar. Familiarizarse con terminología aeronáutica imprescindible, con el fin de perfeccionar el lenguaje profesional. Estimular la curiosidad del alumno acerca de los elementos con los que se va a trabajar. Contenido En esta unidad se estudiarán los diversos tipos de aeronaves existentes en la actualidad, clasificadas en función de diversos criterios: • • • • • • • • Clasificación en función de su principio de sustentación. Clasificación en función de su utilización. Clasificación en función de la autonomía. Clasificación en función de la estela. Clasificación en función de las características externas. Clasificación en función de la superficie de aterrizaje. Clasificación de helicópteros. Aeronaves no tripuladas. 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation 2. TIPOS DE AERONAVES Según la definición de la OACI, una aeronave es “toda máquina que puede sustentarse en la atmósfera por reacciones del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra”1. Las aeronaves, se pueden tipificar en base a múltiples criterios de clasificación. Con el fin de tener un amplio conocimiento a estos efectos, a continuación se recogen una serie de clasificaciones que abarcan los criterios mas estandarizados referentes a la distinción de los diversos tipos de aeronaves. 2.1. Clasificación en función de su principio de sustentación Las aeronaves pueden clasificarse en función del principio físico que produce su sustentación (aeróstatos y aerodinos): Aeróstatos: Son aquellas aeronaves mas ligeras que el aire, caracterizadas por contener un fluido de menor densidad que el aire, como por ejemplo hidrógeno o helio. Fueron las primeras aeronaves en desarrollarse y se elevan de acuerdo con el principio de Arquímedes. En este grupo se engloban los dirigibles y los globos aerostáticos: • Globos aerostáticos: Son aquellos aerodinos compuestos por una bolsa que contiene un gas mas ligero que el aire y en cuya parte inferior disponen de una estructura denominada “barquilla” para el transporte de pasajeros. No disponen de ningún tipo de propulsión, de modo que se dejan llevar por las corrientes de aire. Sin embargo, suelen disponer de dispositivos para controlar la elevación. Globo aerostático Organización de Aviación Civil Internacional: «1. Definiciones y reglamento general relativo al otorgamiento de licencias. Punto 1.1.- Definiciones», en Anexo 1 al Convenio sobre Aviación Civil Internacional - Licencias al personal. Montreal: Organización de Aviación Civil Internacional - Document Sales Unit, julio de 2006 (décima edición). 1 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation • Dirigibles: Son aeróstatos propulsados y que disponen de capacidad de maniobra, de modo que pueden controlados igual que una aeronave. Al igual que los globos aerostáticos, disponen de una bolsa de gas mas ligero que el aire para lograr su sustentación. Dirigible Aerodinos: Son aquellas aeronaves que son mas pesadas que el aire. Para su elevación producen fuerzas aerodinámicas a través de superficies sustentadoras (alas). Estas aeronaves son las que han originado el desarrollo de los vehículos aéreos modernos. A su vez, los aerodinos se pueden clasificar en función del tipo de alas que poseen para producir su sustentación; la gran mayoría pertenecen a la categoría de aeronaves de ala fija, pero también existen aeronaves de alas giratorias (helicópteros), y algunas aeronaves con ala fija con geometría variable. • Ala fija: Son aquellos aerodinos en los cuales las alas se encuentran unidas/encastradas con el resto de elementos de la aeronave, y no poseen movimiento propio. Dentro de esta categoría se pueden incluir las aeronaves con alas de geometría variable. Estas alas están diseñadas para una mejor adaptación a los regimenes de vuelo subsónico-supersónico. 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation Ejemplo de aeronave con alas de geometría variable: F-14 “tomcat” Los aerodinos de ala fija comprenden los aeroplanos, planeadores/veleros, ala deltas, parapentes, paramotores y ultraligeros: - Aeroplanos: Aerodinos más pesados que el aire, provisto de alas y un cuerpo de carga capaz de volar, propulsado siempre por uno o más motores. - Planeadores/veleros: Son aerodinos no motorizados. Sus fuerzas de sustentación y traslación provienen únicamente de la resultante general aerodinámica. Planeador / velero - Ala delta: Aerodino compuesto de una superficie de tela muy amplia en forma de delta sustentada mediante una estructura de un material ligero en cuyo centro va suspendido el piloto. Su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de las corrientes ascendentes de aire. 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation Ala delta - Parapente: Se trata de un aerodino planeador compuesto por un ala flexible que no dispone de partes rígidas. El piloto está ubicado en una silla o arnés que está situado debajo del ala y unido a ella mediante cuerdas y mosquetones. Parapente - Paramotor: Es un parapente que dispone de un motor en el respaldo del asiento/barquilla del piloto. Paramotor - Ultraligeros: Son aerodinos ligeros y con poco consumo de combustible que disponen de un máximo de dos plazas, orientados a la realización de vuelos de ocio económicos. 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation Ultraligero • Ala giratoria: Son aquellos aerodinos en los cuales las alas, en este caso también denominadas “palas”, giran alrededor de un eje, consiguiendo de este modo la sustentación. En esta categoría están comprendidos las siguientes aeronaves: autogiros, girodinos, helicópteros, combinados, y convertibles. - Helicópteros: Aeronave de alas giratorias en los cuales el rotor está impulsado mediante un motor y está articulado de tal modo que produce sustentación y propulsión. Helicóptero - Autogiro: Aeronave de alas giratorias cuyo rotor gira como consecuencia del desplazamiento de la aeronave y genera sustentación sin necesidad de aplicar potencia sobre el. Sin embargo, necesita una hélice tractora para realizar el vuelo de avance horizontal. No puede realizar vuelo a punto fijo, pero las velocidades mínimas que puede alcanzar son muy bajas. 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation Autogiro 2.2 Tipos de aeronave TecBlue Aviation Girodino: Aeronave de alas giratorias con elementos auxiliares para el avance. Básicamente se trata de un helicóptero con una hélice tractora para incrementar la fuerza de avance. Girodino - Combinado (o compuesto): Es una aeronave de alas giratorias que puede considerarse mitad girodino mitad autogiro. En el despegue funciona como un girodino y en avance el rotor funciona como un autogiro. Puede tener otros elementos auxiliares de ayuda a la sustentación y al empuje. Combinado - Convertible: Aeronave de alas giratorias en las que los conjunto hélicerotor cambian su actitud 90º respecto del fuselaje, actuando como rotores en modo helicóptero y como hélices en el modo avión con alas fijas. TecBlue Aviation Convertible 2.2. Clasificación en función de su utilización Actualmente las aeronaves por su utilización pueden enmarcarse en uno de estos dos ámbitos: civil y militar. A su vez, dentro de esta división se pueden establecer diferentes subcategorías para tipificar a las aeronaves en función del uso concreto para el que estén destinadas. Aeronaves militares El cometido de estas aeronaves abarca todo lo relacionado con los vuelos de ataque, defensa, reconocimiento y vigilancia, transporte, rescate y otros similares. Atendiendo a la misión específica para la cual están diseñadas, las aeronaves militares a su vez se pueden clasificar en aeronaves de combate y aeronaves de transporte y apoyo logístico. • Aeronaves de combate: Son aquellas orientadas específicamente a fines bélicos. En función de su misión, se distinguen las siguientes categorías de aeronaves de combate: - Aeronaves de caza-interceptación: Concebidas, diseñadas, equipadas, y armadas para su utilización en la búsqueda y destrucción de aeronaves enemigas, así como para la defensa del espacio aéreo propio. Tienen la capacidad de emplear pistas de dimensiones reducidas, así como una gran maniobrabilidad y velocidad. TecBlue Aviation Caza-interceptor Mirage F1 - Cazabombarderos: Aeronaves de combate preparadas para utilizar indistintamente armamento aire-aire y armamento aire-tierra o aire-mar, sirviendo simultáneamente como defensa aérea y plataforma de ataque al suelo. Es el tipo de avión de combate más utilizado a nivel mundial por ser un sistema de armas muy flexible con capacidad multimisión (vigilancia, ataque, reconocimiento, guerra electrónica, etc.). Cazabombardero F-18 “Hornet” Bombarderos: Diseñados para transportar una determinada carga bélica y lanzarla sobre un objetivo terrestre. Están dotados de bodegas y puntos de anclaje para transportar el armamento. De acuerdo con su capacidad de transporte se pueden clasificar en ligeros, medios y pesados, y en función de su nivel de amenaza se clasifican en bombarderos convencionales o estratégicos. Bombardero Rockwell B-1B TecBlue Aviation • Aeronaves de transporte y apoyo logístico: Son aquellas aeronaves militares que no están orientadas específicamente al combate, realizando otras tareas de interés militar. En esta categoría se engloban aquellas aeronaves orientadas a labores de transporte, reabastecimiento en vuelo, vigilancia del espacio aéreo y marítimo, guerra electrónica, entrenamiento, etc. También comprende aquellas aeronaves militares destinadas a misiones de búsqueda y salvamento. Aeronave de vigilancia E2-C Hawkeye 2000 Aeronaves civiles Son todas aquellas aeronaves cuya utilización está orientada al ámbito civil, ya sea para aviación comercial o general. Las aeronaves civiles, al igual que los aviones militares, se pueden clasificar en función de la utilización para la cual están destinadas. En función de este criterio se distinguen las siguientes categorías: aeronaves comerciales y aeronaves de entrenamiento/ocio. • Aeronaves comerciales: Esta categoría engloba las aeronaves utilizadas por las compañías aéreas para el transporte de carga y pasajeros, ya sea para realizar vuelos regulares, charter, etc. Las aeronaves de transporte de pasajeros, en función de sus características específicas, se pueden clasificar en las siguientes categorías: TecBlue Aviation Aeronaves de fuselaje ancho: Esta categoría comprende las aeronaves de transporte de pasajeros de mayor tamaño, utilizadas para los vuelos de largo recorrido. Generalmente, en estas aeronaves la cabina de pasajeros dispone de dos pasillos para el tránsito de personas. Ejemplos de aeronaves de fuselaje ancho son el Boeing 747, Airbus 340, Airbus 380, Mc Donnell Douglas DC-10, Ilyushin Il-96 y Lockheed L-1011 “Tristar”. Airbus 380 - Aeronaves de fuselaje estrecho: Estas aeronaves son de menor tamaño que la categoría anterior, disponiendo por tanto de una autonomía menor. Están orientadas a vuelos de medio alcance, tienen menor capacidad de transporte de pasajeros y disponen de un solo pasillo en la cabina de pasajeros. Ejemplos de aeronaves de fuselaje estrecho son el Boeing 737, Airbus 320, Mc Donnell Douglas DC-8, etc. Boeing 737 - Aeronaves regionales: Estas aeronaves generalmente disponen de capacidad para transportar un máximo de hasta 100 pasajeros, y son utilizadas para vuelos regionales de corto-medio alcance, disponiendo de motores turbofan o turbohélice indistintamente. Ejemplos de aeronaves regionales son las series Embraer ERJ y Bombardier CRJ, ATR 42/72, Saab 340, etc. Tecblue Aviation Saab 340 Aeronaves “communer”: Estas aeronaves, diseñadas principalmente para vuelos de corto alcance, dependiendo de su tamaño, motorización y configuración de asientos, se denominan “communer” o “air taxis”. De dimensiones reducidas, estas aeronaves generalmente no están sujetas a las regulaciones aplicables a las aeronaves de transporte de pasajeros de mayor tamaño, carecen de zonas de aseo para el pasaje y no suelen disponer de asistentes de vuelo. Como ejemplos representativos se pueden citar el Embraer EMB 110, Jetstream 31/41, diversas series de aeronaves Cessna, etc. Embraer EMB 110 • Aeronaves de entrenamiento/ocio: Son aeronaves orientadas a la formación de pilotos y a la realización de vuelos como actividad de ocio. Generalmente son aeronaves ligeras, con al menos dos asientos para el instructor de vuelo y el alumno en el caso de las aeronaves de instrucción. Algunos ejemplos son el Embraer PA-34, Piper PA-28, Mooney M-20, Cessna 172, etc. TecBlue Aviation Cessna 2 172 . Clasificación en función de la autonomía Aunque en el apartado anterior ya se ha mencionado el concepto de alcance/autonomía de una aeronave, este tipo de clasificación se ha incluido como apartado independiente en el manual debido a su importancia en el contexto actual del transporte aéreo. Esta clasificación está establecida principalmente para satisfacer las necesidades de las compañías aéreas, ya que con los diseños de rutas aéreas actuales las compañías demandan tres tipos de aeronaves (corto, medio y largo alcance) con el fin de optimizar sus redes de transportes. Corto alcance: Son aeronaves de pequeño tamaño, del entorno de 50 plazas, con un alcance inferior a 500 Km. Su utilización está orientada al tráfico de “tercer nivel”, que consiste en el transporte de pasajeros desde los grandes aeropuertos hasta aeropuertos secundarios y viceversa. Debido a su menor tamaño y complejidad, su fabricación puede ser realizada por empresas pequeñas con menor tradición en el campo aeronáutico. Ejemplo aeronave corto alcance: Embraer RJ135 Medio alcance: Son aeronaves con una capacidad de unas 150 plazas, con capacidad para operar en distancias medias entre ciudades importantes, de modo que el pasajero no tiene que soportar los inconvenientes de cambiar de avión. TecBlue Aviation Ejemplos típicos son los Airbus 320, McDonnell Douglas MD80, Boeing 737 y sus múltiples modelos de diferente capacidad y autonomía. Ejemplo aeronave medio alcance: McDonnell Douglas MD80 Largo alcance: Son aeronaves de gran tamaño con una capacidad mayor de 300 plazas. Su uso está orientado a las rutas de largo alcance entre los mayores aeropuertos del mundo. Algunos ejemplos son los Boeing 747, 767 y 777, Airbus 330, 340 y 380 y Mc Donnell Douglas MD11 Ejemplo aeronave largo alcance: Boeing 747 TecBlue Aviation 2.4. Clasificación en función de la estela Esta clasificación es de gran importancia desde el punto de vista aeroportuario y del control aéreo. Como consecuencia del tránsito de las aeronaves, y debido al aire desplazado por el paso de las mismas, se genera una estela de aire turbulento detrás de las aeronaves que puede perturbar en mayor o menor medida el vuelo de otros aviones que atraviesen dicha estela. El tamaño e intensidad de dichas estelas varía en función del tamaño/peso de la aeronave que las genera, motivo por el cual en despegues y aterrizajes se deja un margen de tiempo de seguridad, asignado de acuerdo con la categoría de estela turbulenta asignada a la aeronave del despegue/aterrizaje precedente. Ejemplo estela turbulenta La clasificación de las categorías de estela turbulenta de las aeronaves en función de su peso es la siguiente: Categoría L (Light): Aeronaves ligeras con un peso máximo en despegue (MTOW) inferior a 7000 Kg. Categoría M (Medium): Aeronaves medias con un peso máximo en despegue (MTOW) comprendido entre 7000 y 136.000 Kg. Categoría H (Heavy): Aeronaves pesadas con un peso máximo en despegue (MTOW) superior a 136.000 Kg. Categoría J: Categoría exclusiva para la aeronave Airbus 380-8002. 2.5. Clasificación en función de las características externas Otro modo de clasificar los diferentes tipos de aeronaves consiste en su diferenciación en función de sus características externas. Así pues, se puede efectuar una clasificación en función de la situación del ala Según la Carta de OACI a los Estados del 9 de octubre de 2006, relativa a los aspectos sobre estela turbulenta de la aeronave Airbus 380-800. 2 TecBlue Aviation en la aeronave, el número de alas que posee, el tipo ala y su flecha (forma en planta), el tipo de cola, su motorización, el número de motores disponibles y su ubicación, el tipo de tren de aterrizaje, etc. A continuación clasificaciones. de describe brevemente cada una de estas Situación del ala: Las aeronaves se pueden clasificar en función de la situación del encastramiento del ala en la parte alta, media o baja de su fuselaje. Ejemplo de ala alta y ala media • Ala alta: El ala se encuentra instalada en la parte superior del fuselaje. Útil para aeronaves que requieran despegar en pistas cortas (aeronaves STOL). Este tipo de ala facilita la maniobrabilidad. Las aeronaves de ala alta no suelen necesitar un tren de aterrizaje de gran tamaño, aunque tienen la contrapartida de tener problemas en la zona del fuselaje donde se encuentra situada el ala, ya que el espacio para instalarla es reducido. • Ala media: El ala se encuentra situada en la parte media del fuselaje, de modo que proporcionan una estabilidad y maniobrabilidad medias. Típica de los cazas militares. • Ala baja: El ala se encuentra situada en la parte inferior del fuselaje. Este tipo de ala es la mas utilizada en los aviones comerciales. Con este tipo de ala es necesario tener un tren de aterrizaje grande, pero proporciona una gran estabilidad a la aeronave, en detrimento de su maniobrabilidad. • Ala volante: Hay algunas aeronaves especiales en las cuales el ala conforma la mayor parte del fuselaje. TecBlue Aviation Ejemplo ala volante: Northrop YB-49 • Parasol: El ala se encuentra montada sobre el fuselaje. Esta configuración es muy infrecuente en la actualidad. Nº de alas: En función del número de alas que poseen, las aeronaves se pueden clasificar en monoplanos, biplanos y triplanos: • Monoplano: Son aeronaves que constan de una sola ala. Dicha ala proporciona la estabilidad y elevación suficiente para el vuelo. Monoplano “Spitfire” • Biplano: Son aeronaves que constan de dos grupos de alas montadas encima y debajo del fuselaje y unidas entre si mediante una estructura en forma de rejilla. Generalmente ambas alas tienen la misma envergadura. TecBlue Aviation Biplano “Gloster Meteor” • Triplano: Son aeronaves que constan de tres grupos de alas del mismo tamaño, montados uno encima del otro. Los triplanos fueron poco utilizados debido a que rara vez ofrecían prestaciones superiores a los biplanos. Triplano Fokker Dr1 Forma de la planta del ala: Se pueden diferenciar los siguientes tipos de ala por su forma/flecha: • Rectangular o recta: Típica de las avionetas, se trata de un ala con forma de rectángulo. Muy barata y fácil de construir. Ala recta o rectangular • Trapezoidal: Típica de avionetas, es un ala en la cual la anchura de la raíz a la punta se reduce progresivamente dándole una forma trapezoidal. Es más eficiente que el ala recta. TecBlue Aviation Ala trapezoidal • Elíptica: Ala que minimiza la resistencia inducida. Típica de algunos cazas de la Segunda Guerra Mundial. Ala elíptica • Flecha: El ala forma un ángulo no recto con el fuselaje. Típica de aviones diseñados para vuelo en régimen subsónico alto. Existen los siguientes tipos de flecha: • Delta: Este tipo de ala está diseñado para proporcionar sustentación en altos ángulos de ataque, además de mejorar las prestaciones de las aeronaves a velocidades supersónicas. Se utiliza primordialmente en aviones militares. TecBlue Aviation 2. La aeronave • Ojival: Es una variación de la ala en forma de delta. El avión supersónico Concorde es un claro ejemplo de utilización de este tipo de ala. Ala ojival Tipo de cola: Por su configuración se pueden diferenciar los siguientes tipos de cola: • Cola en forma de T: • Cola en forma de +: • Cola fuselada: Tecblue Aviation 2. La aeronave • Cola doble: Motorización: Las aeronaves también se pueden diferenciar por el tipo de motor/motores que poseen. Existen las siguientes modalidades3: • 3 Motor alternativo o de pistón: Es un motor que utiliza uno o mas pistones para convertir un movimiento lineal en un movimiento de rotación, siguiendo el principio del mecanismo de biela-manivela. Esta clasificación se realizará para los helicópteros en el punto 2.7 de este manual. Tecblue Aviation 2. La aeronave • Motor alternativo o de pistón • Motor turbohélice: Este motor posee una hélice montada delante del reactor, que a su vez es propulsada por una segunda turbina, denominada turbina libre, o por etapas adicionales de la turbina que mueve el compresor. Motor turbohélice Motor a reacción: Este tipo de motor descarga un chorro de fluido a gran velocidad para generar un empuje de acuerdo con la tercera ley de Newton. Motor a reacción Tecblue Aviation 2. La aeronave • Número de motores: Además de por el tipo de motor del que dispongan, las aeronaves también pueden clasificarse en función del número de motores. Existen las siguientes configuraciones4: • Un motor: • Dos motores: Tres motores: 4 Esta clasificación se realizará para los helicópteros en el apartado 2.7 de este manual. Tecblue Aviation 2. La aeronave • • Cuatro motores: • Seis motores: • Ocho motores: Tecblue Aviation 2. La aeronave • Tecblue Aviation Ubicación de los motores: Además de por el tipo y número de motores de que dispongan, las aeronaves pueden clasificarse en función de la ubicación de los mismos. Existen las siguientes posibilidades: • En el morro: • En las alas: • En el fuselaje: TecBlue Aviation • En ala + empenaje: • En fuselaje + empenaje: TecBlue Aviation Características del tren de aterrizaje: Las aeronaves también se pueden clasificar en función de su tipo de tren de aterrizaje. Existen los siguientes tipos5: • Tren de aterrizaje fijo sin carenado: • Tren de aterrizaje fijo con carenado: • Tren de aterrizaje retráctil: 5 Los apoyos / tren de aterrizaje de los helicópteros se detallan en el apartado 2.7 de este manual. TecBlue Aviation • De patines en ala para amerizaje: 2 . Clasificación en función de la superficie de ate r Otra forma de tipificar las aeronaves consiste en clasificarlas en función de la superficie de aterrizaje para la cual están habilitadas. De este modo, se pueden distinguir tres categorías: aeronaves convencionales, hidroaviones y aeronaves anfibias. Aeronaves convencionales: Son todas aquellas aeronaves que están diseñadas para aterrizar o posarse en tierra, disponiendo a este fin de un tren de aterrizaje o patines en el caso de algunos tipos de helicópteros. Aterrizaje aeronave convencional TecBlue Aviation Hidroaviones: Son aquellas aeronaves que tienen capacidad para despegar y aterrizar (amerizar) exclusivamente en el agua, disponiendo a este fin de uno o varios flotadores en lugar de ruedas, para posarse en el agua. Existen los siguientes tipos de hidroaviones: • Float planes: Utilizan flotadores en lugar del tren de aterrizaje convencional y no tocan el agua con el fuselaje. Habitualmente llevan dos flotadores, aunque algunos modelos de la época de la Segunda Guerra Mundial disponían además de un gran flotador bajo el fuselaje. En español a veces se les denomina “hidroflotadores”. Float plane • flying boats: En este tipo de hidroaviones el fuselaje, que tiene forma de casco de barco, proporciona la flotabilidad necesaria. La mayoría poseen flotadores más pequeños en las alas que proporcionan mayor estabilidad. En español a veces se les denomina como “hidrocanoas” Flying boat Aeronaves anfibias: Son aquellas aeronaves que pueden despegar y aterrizar tanto desde el agua como desde pistas convencionales. Para ello disponen de ruedas y flotadores. TecBlue Aviation Avión anfibio Canadair CL 415 2.7. Clasificación de helicópteros El helicóptero es la aeronave de alas giratorias más utilizada, ya que es la que mejor efectúa el vuelo a punto fijo, y tiene unas prestaciones de vuelo de avance aceptables. Debido a sus singulares características, se ha dedicado un apartado del presente manual para establecer las diferentes clasificaciones de los helicópteros, atendiendo a los siguientes criterios: tipo de helicóptero, tamaño, configuración del rotor, accionamiento del rotor, constitución del mismo, número de palas del rotor y el tipo de apoyo en suelo Por tipo: Dentro de esta categoría podemos distinguir entre helicópteros puros y compuestos: • Helicóptero puro: Son aquellos que únicamente disponen de un rotor para sustentar y hacer avanzar a la aeronave. Ejemplo helicóptero puro • Helicóptero compuesto: Son aquellos que disponen de algún otro elemento, a parte del rotor, que ayuda en la sustentación y avance de la aeronave, como puede ser por ejemplo el caso de un ala. TecBlue Aviation Ejemplo helicóptero compuesto Por tamaño: En función del tamaño/masa de los helicópteros, se pueden distinguir los siguientes tipos: • Ultraligeros: Masa inferior a 300 Kg. • Ligeros: Masa comprendida entre 300 y 1.000 Kg. • Intermedios (utilitarios): Masa comprendida entre 1.000 y 3.000 Kg. • Medios: Masa comprendida entre 3.000 y 10.000 Kg. • Pesados: Masa comprendida entre los 10.000 y 30.000 Kg. • Superpesados: Masa superior a 30.000 Kg. Por configuración: Los helicópteros se pueden clasificar atendiendo al número de rotores de que disponen. • Monorotores: Disponen de un solo rotor y son los más utilizados. Dentro de esta categoría se pueden diferenciar los siguientes tipos de rotor: Helicóptero monorotor • - Con compensación de par: Estos helicópteros disponen de dispositivos para controlar el par generado por el rotor principal, ya sea mediante un rotor soplador o mediante un rotor antipar. - Sin compensación de par: No necesitan de mecanismos de compensación de par, ya que el arrastre del rotor se realiza por reacción. Disponen de una deriva vertical para ayudar al helicóptero a realizar maniobras de giro y guiñada. Birrotores: Disponen de dos rotores. En función de la configuración de estos rotores se pueden diferenciar las siguientes categorías: - Coaxiales (BC): Los dos rotores tienen el mismo eje de giro. TecBlue Aviation Helicóptero birrotor coaxial - Lado a lado (BLL): Estos helicópteros disponen de un rotor a la derecha y otro a la izquierda. Si los ejes de los rotores están muy próximos entre sí se denominan engranados (también denominados sincronizados o entremezclados), estando sincronizados para que no choquen las palas de uno contra el otro; cada una de ellas va entrando en el hueco que deja la otra. Cuando los ejes están muy alejados se denominan no engranados. Helicóptero con rotores lado a lado - En Tándem: En estos helicópteros un rotor está situado en la parte delantera y el otro en la parte trasera. Helicóptero con rotores en tándem • Trirrotores: De este tipo de helicópteros se han construido muy pocas unidades y únicamente prototipos. TecBlue Aviation Prototipo helicóptero trirrotor “Cierva Air Horse” • Tetrarrotores: No se utilizan en la actualidad. Por accionamiento del rotor: En función del tipo de accionamiento del rotor, se pueden diferenciar las siguientes categorías: • De accionamiento mecánico: En esta categoría se engloban los rotores con accionamiento mediante motores alternativos y motores turboeje. • De reacción Por constitución del rotor: Existen infinidad de tipos de rotor, pero esencialmente se pueden reducir a estas cuatro categorías: • Rotor articulado • Rotor semirígido Rotor semirígido de dos palas • Rotor rígido • Rotor flexible Por número de palas del rotor: Los helicópteros también se pueden clasificar en función del número de palas que poseen sus rotores. • Dos palas: TecBlue Aviation • Tres palas: • Cuatro palas: • Cinco palas: TecBlue Aviation • Ocho palas (dos rotores de cuatro palas en el mismo eje): Por su tipo de apoyo en suelo: Existen dos tipos diferentes: • Con patines: TecBlue Aviation • Con tren de aterrizaje: 2.8. Aeronaves no tripuladas Para finalizar el capítulo, se hará mención a un tipo de aeronave que ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años: las aeronaves o vehículos aéreos no tripulados. Un vehículo aéreo no tripulado, también conocido por las siglas en inglés UAV (Unmanned Aerial Vehicle) o en castellano VANT, es un vehículo autónomo capaz de volar sin la supervisión de un piloto humano, mediante un sistema de pilotaje autónomo. Cabe destacar que si bien en el ámbito militar este tipo de aeronaves han experimentado grandes avances, en aplicaciones civiles tales como detección y seguimiento de incendios su desarrollo es deficiente. UAV “Predator” TecBlue Aviation Las UAV se pueden clasificar según la función principal que desempeñan. Función principal: En base a este criterio, las UAV se pueden tipificar en seis categorías diferentes: • De blanco: Su utilidad consiste en simular aviones o ataques enemigos para los sistemas de defensa de tierra o aire. • Reconocimiento: Envían información militar de reconocimiento. • Combate: Se encargan de realizar misiones muy peligrosas. • Logística: Para transporte de cargas. • Investigación y desarrollo: Para facilitar la investigación y experimentación de nuevos sistemas y tecnologías. • UAV comerciales y civiles: UAV diseñadas para servir a propósitos civiles. TecBlue Aviation Definiciones ESTRUCTURAS PRINCIPALES DEL AVIÓN Fuselaje: DEFINICIÓN: El fuselaje es el cuerpo estructural del avión, de figura fusiforme, que aloja a los posibles pasajeros y carga, junto con los sistemas y equipos que dirigen el avión. Se considera la parte central por que a ella se acoplan directamente o indirectamente el resto de partes como las superficies aerodinámicas, el tren de aterrizaje y el grupo motopropulsor. En aviones monomotores el fuselaje contiene al grupo motopropulsor y la cabina del piloto; sirve también de soporte a las alas y estabilizadores; y lleva el tren de aterrizaje. En aviones multimotores no contiene al grupo motopropulsor: los motores van dispuestos en barquillas o mástiles, sobre o bajo las alas, o en la cola. En el caso del ATR el fuselaje se une de forma directa a las alas y a la cola, mientras que el grupo motopropulsor se une al fuselaje de forma indirecta a través de las alas. FORMA: Su forma obedece a una solución de compromiso entre una geometría suave con poca resistencia aerodinámica y ciertas necesidades de volumen o capacidad para poder cumplir con sus objetivos. El fuselaje variará entonces dependiendo de las tareas que el avión va a desempeñar. Mientras que un avión comercial buscará un promedio entre volumen para carga y PAX, y aerodinámica; un caza militar buscará un fuselaje completamente aerodinámico, que le permita realizar maniobras a altas velocidades sin sufrir deterioros estructurales. TecBlue Aviation En aviones comerciales la sección recta del fuselaje tenderá a ser circular para aliviar las cargas de presurización de la cabina, ya que de esta forma la presión se reparte de igual manera por todo el interior. Gran parte del volumen estará dedicado a la cabina de pasajeros cuya disposición variará según diversos factores (duración del vuelo, política de la aerolínea, salidas de emergencia...). La mercancía o carga se suele albergar en las bodegas del avión situadas en la parte inferior del avión. En aviones cargueros exclusivamente la forma del fuselaje dependerá de la carga que se vaya a transportar y se acomodará en función de la mercancía y su salida/entrada de la aeronave, disponiendo en el fuselaje de puertas o accesos especiales para la carga y descarga. En el caso del airbus “beluga” dedicado a la carga, su fuselaje adquiere esta forma tan peculiar para poder dar cabida a grandes piezas, como las alas del A320. Como conclusión podemos decir que en la construcción del fuselaje intervienen numerosos factores de diseño, aerodinámica, cargas estructurales y funciones de la aeroave. Típica disposición del interior de un fuselaje en a de forma circular; quizás no sea la más aerodinámic funcional para el transporte de pasajeros y carga. viones comerciales, a pero si la más Este caso es el del moderno embraer 170, que puede albergar 70 pasajero s, en filas de dos asientos para un rápido embarque y desembarque. La altura de la cabina es de 6 pies y 7 pulgadas, y la anchura d e 9 pies. TIPOS DE CONSTRUCCIÓN: Los fuselajes se han ido construyendo de diversas maneras a lo largo de la historia dependiendo de la función de la aeronave y de los medios técnicos de los que se disponía. El primer tipo de fuselaje consistía en un entramado de varillas metálicas que conformaban la estructura principal del avión, la cual era cubierta posteriormente con planchas de madera o lona. Era el fuselaje tubular o reticular, el primero en usarse; TecBlue Aviation consecutivamente fueron apareciendo otras formas de concebir el cuerpo del avión según las necesidades de la época, el fuselaje monocasco y el semimonocasco. Fuselaje reticular o tubular: Se fabrica a partir de tubos de acero o de madera, soldados, que van formando la estructura principal del avión en forma de huso. En esta estructura encontramos las cuadernas que son los elementos más importantes que conforman y dan rigidez a la estructura; los largueros que unen las cuadernas y que son largos tubos horizontales que recorren gran parte del avión; y las diagonales, que dan rigidez al conjunto largueros-cuadernas. Esa estructura de tubos se cubre más tarde con lona, o en otras ocasiones con planchas metálicas o de madera, de tal forma que el fuselaje adquiere externamente una forma aerodinámica y uniforme. Este recubrimiento no añade resistencia estructural sino que son las cuadernas, largueros y diagonales los que soportan todas las cargas en vuelo y tierra Aunque en un inicio era un forma barata, segura y sencilla de fabricar el fuselaje, las exigencias de la industria aeronáutica pronto cambiaron. Los nuevos motores que hacían que el avión pudiese ir más rápido y alto, la demanda de aeronaves para la guerra resistentes a grandes impactos, y el afán de conquistar el Atlántico Norte con hidroaviones, hizo que este tipo de construcción se quedara obsoleta, ya que no aguantaba los impactos, ni las cargas estructurales a las que le sometían los nuevos motores... y gracias al desarrollo de hidroaviones a partir de cascos de barcos se empezó a utilizar un nuevo tipo de construcción: el fuselaje monocasco. Hoy en día, todavía hay aviones de fuselaje reticular en activo, tanto ligeros como pesados aunque rara vez se construye ya aviación ligera mediante esta manera. TecBlue Aviation La Piper Cub es un claro ejemplo de fuselaje reticular o tubular. Fuselaje monocasco: El fuselaje monocasco, proveniente de la industria naval, fue utilizado primero en hidroaviones de madera, pero dadas sus ventajas de resistencia fue pronto adoptado para muchos tipos de aeronaves. Este tipo de estructura monocasco o “todo de una pieza” es un tubo en cuyo interior se sitúan a intervalos, una serie de armaduras verticales llamadas cuadernas, que dan forma y rigidez al tubo. TecBlue Aviation El tubo del fuselaje, o el revestimiento exterior sí forma parte integral de la estructura soportando y transmitiendo los esfuerzos a los que está sometido el avión. Para que este revestimiento soporte estas cargas debe ser resistente y por ello está fabricado en chapa metálica, que debe ser de cierto espesor para aguantar mejor. A mayor espesor, mayor peso, y es que el fuselaje monocasco, aun siendo más resistente, es más pesado. Por ello cayó en desuso. Hoy en día se emplea en misiles, aviones-blanco e hidroaviones que no precisen de demasiado espesor de chapa. Fuselaje semimonocasco: El más usado hoy en día, resolviendo el problema del peso y espesor del anterior modelo. La introducción de piezas de refuerzo en el interior permitió aliviar el revestimiento pudiendo ser más fino. Las cuadernas se unen mediante largueros y larguerillos que recorren el avión longitudinalmente. Los largueros y larguerillos permiten el adelgazamiento de la chapa de revestimiento. Todo esto forma una compleja malla de cuadernas, larguerillos, largueros y TecBlue Aviation revestimiento, unida mediante pernos, tornillos, remaches y adhesivos. Fuselaje semimonocasco del Boeing 737 con los compartimentos de equipaje de mano instalados. PRESURIZACIÓN: A altitudes altas, la densidad del aire es menor y en el volumen de aire que podríamos respirar no habría suficiente oxígeno. Por ello es necesario sellar el fuselaje, y contener en su interior, un aire comprimido y denso respecto del exterior para mantener los niveles de oxígeno necesarios. Sin embargo el aire siempre tiende a igualar las presiones; por lo tanto, el aire de cabina empujará y ejercerá una presión en las paredes para poder “escapar”, expandirse, e igualarse al aire exterior, a menor presión. Por ello, las paredes del fuselaje deben aguantar ese esfuerzo que está ejerciendo el aire (las cargas de presurización). La forma circular, como antes habíamos citado, alivia ese esfuerzo porque reparte esa presión (que es fuerza por superficie) por toda la superficie, disminuyendo la fuerza que ejerce el aire; y los nuevos materiales (composites) y el fuselaje semimonocasco le dan resistencia al fuselaje. Para que se dé una presurización correcta es necesario que el fuselaje esté completamente sellado como decíamos antes, y para ello se emplean tres métodos de construcción. El sellado de todas las uniones con materiales blandos que además no permitan el paso de la humedad (corrosión); el empleo de arandelas de goma en todos los orificios de los tabiques presurizados; y juntas neumáticas inflables en los marcos de grandes aberturas como las puertas. TecBlue Aviation Es también importante, para una correcta presurización, que todo el fuselaje tenga la misma presión interna. El problema surgía en igualar las presiones de cabina y bodega en aviones grandes, para lo cual se ideo un sistema de persianas en el suelo que conectaban a la bodega, que se abrían o cerraban automáticamente según la diferencia de presiones. El suelo de la cabina puede estar construido con tres tipos diferentes de paneles, según las cargas que vayan a soportar: paneles de cargas ligeras (bajo los asientos de pasajeros) medias (pasillos) y altas. El sistema de presurización fue lo que causó la muerte de 121 personas a bordo de un 737-300 de Helios, compañía chipriota con cuatro aviones fletados, uno de ellos el accidentado. Ya había informes de fallos en el sistema de presurización pero el piloto alemán decidió salir aquel fatídico 14 de Agosto de 2005. Las hipótesis apuntan a que una despresurización repentina provocó la asfixia y congelamiento de la tripulación y pasaje en unos pocos minutos, estrellándose el vuelo 522 desde Larnaca (Chipre) a Praga en las inmediaciones del monte Varnava cerca de Grammatikos (en Grecia); tras haber sido escoltado por dos F-16 del ejército griego. Sin embargo otras teorías señalan a un posible atentado ya que los análisis forenses de los deteriorados cuerpos encontrados esclarecen que la causa de la muerte del pasaje fue la colisión y no la asfixia o congelamiento. ESFUERZOS: Ya hemos visto que el fuselaje debe soportar las cargas de presurización, pero el fuselaje también debe soportar otros esfuerzos estructurales. En la fabricación del fuselaje se debe tener en cuenta estos esfuerzos y diseñarlo de tal forma que los aguante. El piloto debe conocer esos límites estructurales y a qué esfuerzos puede estar sometido nuestro avión. Los tres esfuerzos básicos son la tracción, compresión y esfuerzos cortantes. Y sus combinaciones son: flexión, torsión y esfuerzos de contacto. TRACCIÓN COMPRESIÓN ESFUERZOS CORTANTES TecBlue Aviation La tracción es la acción de dos fuerzas de sentido opuesto mientras que la compresión, aún siendo de sentido opuesto, presiona las partículas unas contra otras. Son fuerzas de sentido coincidente. La chapa de los aviones suele tender a combarse ocasionado por el esfuerzo de compresión (fenómeno de pandeo). Los esfuerzos cortantes tienden a separar el material de forma tangencial. El típico ejemplo aeronáutico es el de dos chapas unidas por remaches (Imagen de la derecha). Las combinaciones de estos tres son quizás los esfuerzos más comunes encontrados en las aeronaves. La flexión, una composición de la tracción y compresión, es quizás la carga más habitual. La flexión es una curvatura que adopta un componente estructural cuando se somete a fuerzas que tienden a combar la estructura. Esta situación se suele dar en la sección del ala más cercana al fuselaje debido a la acción de la sustentación. Así, se dice, que está sometido a enormes momentos flectores. La torsión se produce cuando la fuerza aplicada tiende a torcer el material, y por lo tanto existe tendencia al giro. Los esfuerzos de contacto son la transmisión de una carga de una pieza a otra por medio de esfuerzos cortantes. Se produce típicamente también en las juntas que unen dos piezas. Es muy común encontrar fallos en las juntas o remaches que no aguantan esfuerzos de contacto y se rompen. El desgarro de chapa por unos remaches excesivamente duros o la rotura por remaches excesivamente débiles. TecBlue Aviation Así como hemos visto que el fuselaje puede verse sometido a numerosos esfuerzos, puede también verse sometido a numerosas cargas, como la carga de presurización antes vista. A parte de esta carga inherente al vuelo a gran altitud, existen otras variables a tener en cuenta durante el mismo. CARGAS: La carga no es más que una fuerza que soporta una estructura mientras que el esfuerzo es una fuerza que deforma un material. El peso es una carga por ejemplo. El avión soporta numerosas cargas y es deber del piloto conocer sus límites estructurales. Las cargas que aguanta el fuselaje son de diversa naturaleza. Pero antes de ver las diferentes cargas debemos crear una unidad de medida clara que nos permita contabilizar la magnitud de la carga. Para ello tomamos como referencia la fuerza que ejerce la gravedad a nuestro cuerpo (el peso), así expresamos las cargas como múltiplo de la aceleración de la gravedad (9,8 m/s2), hablando de “g”. Una carga de 1g es igual al peso del avión (a la ejercida por la aceleración de la gravedad), mientras que una carga de 8gs es ocho veces el peso del avión (ocho veces la aceleración de la gravedad). Esto nos permite, primero, hacernos una idea inmediata y clara de la magnitud de una carga o fuerza, y segundo, relacionar las cargas con el peso, que es una variable muy importante en vuelo. Así, definimos “factor de carga” como la carga que actúa sobre nuestro avión expresada en “g”. Este factor es positivo (+3g) si las fuerzas actúan hacia arriba con respecto al eje longitudinal del avión, y negativo si la carga está aplicada hacia abajo. Cuando la sustentación se iguala al peso (L = W), “g” es igual a uno; cuando el peso duplica a la sustentación, “g” es igual a dos, y así sucesivamente. El fuselaje de un avión no puede aguantar cargas excesivas (muchas “g”) y por ello en cada tipo de avión viene especificado una carga límite, la más alta soportable por el avión. Cargas límites típicas “g” positivas (+) “g” negativas (-) Aviones de caza 6–9 3–6 Bombarderos 3–4 1–2 Aviones comerciales 3–4 1–2 2’5 – 4’5 1 – 1’8 5–6 3 6 3 3’8 1’5 Aviación general Aviones acrobáticos Construcción amateur Aviones ligeros (<750 Kg) Aunque los fabricantes suelen dar un margen de seguridad aún mayor que la carga límite especificada para cada aeronave, experimentando cargas mayores de las especificadas pueden surgir fallos estructurales importantes e incluso roturas. TecBlue Aviation Una “g” negativa o positiva continuada puede causar la muerte al piloto, ya que al multiplicarse nuestro peso, la sangre tiene dificultades en llegar a todas las partes del cuerpo, y si no llega sangre al cerebro podemos fallecer. La carga límite del cuerpo siempre es menor de la del avión. Esto suponía un problema en los cazas militares que pueden registrar 8g en virajes cerrados o maniobras de combate. Para que un cuerpo humano pudiese soportar tantas g, se ideó un traje especial con bolsas de agua en las piernas: al registrar g negativas, el agua pesaba más y apretaba las piernas del piloto, para que la sangre se quedase en la parte de arriba, “alimentando el cerebro”. Estos trajes han ido mejorando con los años, y ahora son complejos monos con numerosos conductos y fluidos que a base de diferentes presiones permiten que el cuerpo humano soporte sin problemas g’s que en otro caso les matarían. TIPOS DE CARGAS: Cargas aerodinámicas: Son las cargas a las que se ve sometido el avión por la acción del aire o el flujo. Este flujo o la acción del aire varía cuando realizamos maniobras en él (descensos, ascensos, virajes, derrapes, resbales...), las llamadas cargas de maniobra; o cuando experimentamos ráfagas de aire, vientos racheados, turbulencias... las cargas por ráfagas de aire; y cargas originadas por el movimiento de los alerones, estabilizadores... las cargas por desplazamiento de superficies de control de vuelo. Los aviones deben soportar estas cargas aerodinámicas en su campo operacional. El fabricante del avión nos proveerá de un diagrama de maniobra del avión, en el que nos especificará que g’s de carga de maniobra pueden ser superadas y cuales no, a diferentes velocidades. Las cargas por ráfagas de aire pueden incluso llegar a 3’5 g, y variarnos considerablemente la velocidad y la actitud del avión. Sus efectos son especialmente peligrosos en grandes tormentas, fuertes vientos cruzados o cizalladura. Para limitar la sobrecarga estructural del avión en casos de fuerte turbulencia se aconseja disminuir la velocidad de crucero hasta la de maniobra (Va). Al desplazar las superficies de control, modificamos sustancialmente la distribución de presión alrededor de la superficie aerodinámica. Dependiendo de la velocidad a la que vaya el avión y la magnitud del desplazamiento la carga varía. Hay dos efectos típicos producidos por este desplazamiento de las superficies de control: la inversión de alerones y el flameo. La inversión de alerones se produce en aviones comerciales a altas velocidades. Cuando pretendemos inclinar el avión usando los alerones, el esfuerzo que tienen que hacer es tan alto al estar situados en el extremo del ala (momento máximo), que se genera un esfuerzo de torsión y el ala se retuerce, oponiéndose al movimiento del alerón, produciéndose un efecto contrario al deseado. Para resolver el problema, a altas TecBlue Aviation velocidades hacemos uso de los spoilers, (aunque algunos aviones montan alerones interiores), abriendo unos y cerrando otros. Usando los spoilers el esfuerzo y momento es menor; y el ala no tiende a retorcerse porque están situados más cerca de la misma. El Flameo es el caso opuesto, produciéndose oscilaciones violentas al entrar en pérdida local los alerones. Cargas de inercia: Las cargas de inercia se deben a la resistencia que opone todo cuerpo a la aceleración. Estas cargas se dan por todo el avión. El ala, por ejemplo, al pesar, se opone a la aceleración creando carga de inercia y cierto esfuerzo de torsión. Cargas causadas por el sistema de propulsión: En general los motores están unidos al fuselaje por bancadas o mástiles. Estos elementos estructurales son los que soportan la carga más elemental, la propia tracción y la transmiten al resto del avión; además de la carga de inercia (el propio peso de los motores). El sistema de propulsión impone por sí mismo cargas de tracción o empuje; de inercia; cargas giroscópicas (originadas por el cambio de plano de rotación de los elementos giratorios del motor); cargas impuestas por el par motor y por paradas súbitas del motor. Cargas en el tren de aterrizaje: El tren está sujeto a cargas muy diversas. Al aterrizar, el tren tiene que aguantar todo el peso del avión, convertir la velocidad del avión en movimiento horizontal en el suelo y amortiguar el impacto con la pista. Además, todo lo que suponga una frenada del avión o un giro le supone una carga. El tren de aterrizaje es un elemento que sufre mucho y por ello debe ser bastante resistente. Para soportar todo este trabajo el tren no sólo consiste en una rueda conectada al avión. El tren se vale de sistemas de amortiguación o amortiguadores para absorber el impacto y la energía cinética del descenso.El sistema debe absorber la energía cinética, equivalente a la caída libre del peso del avión desde 80 cmts. de altura. El número de ruedas en cada tren, su disposición, la cantidad de unidades de ruedas, la cubierta de las ruedas del tren y otros factores también contribuyen a repartir y aliviar las carga TecBlue Aviation El tren de la piper 28 cherokee nada tiene que ver con el complejo tren principal de seis ruedas del boeing 777. Este tren debe soportar unas 203000 libras de peso y hacer rodar a un gigantesco avión. Este tren principal puede hasta girarse 8º para ayudar a girar el tren del morro del avión. Cargas por colisión con el terreno: Son cargas de impacto del avión con el terreno, debidas a colisiones que reúnan características razonables de supervivencia. Este tipo de accidentes se suelen dar en las maniobras de despegues y aterrizajes, cercano al terreno y con velocidad relativamente baja. En estas condiciones se estudian estas cargas para evitar que estos incidentes pasen a ser letales. El fuselaje debe intentar ser capaz de soportar la penetración de cuerpos que alteren el volumen de la cabina, tener bien retenidos los asientos de los pasajeros, evitar la proyección de objetos y riesgos postaccidente (fuego...). La disciplina que estudia la forma de diseñar fuselajes que reúnan estas características y otras se denomina “crashworthiness”. Cargas de remolque y manejo en tierra: Las operaciones Push-back y de remolque del avión con tractor producen cargas de arrastre en el tren de proa. En principio son pequeñas pero pueden alcanzar valores altos en acelerones o desaceleraciones del tractor. En tractores de alta velocidad, como el de la imagen, el tren de proa sufre más que en el tractor de barra o tractor estándar, por el simple hecho de que el tractor de alta velocidad permite hacer el remolcado más rápido al estar la rueda blocada hidráulicamente al tractor, siendo ésta como una parte más del mismo. Cargas acústicas: Las vibraciones, y las ondas sonoras ejercen una carga sobre el avión. Parece no tener gran importancia, pero la vibración continuada durante el vuelo, puede hacer aparecer fatiga estructural en las partes afectadas. En el campo militar la carga acústica se agudiza dado el entorno ruidoso en el que vuelan las aeronaves. Los efectos típicos son las grietas que aparecen en el revestimiento metálico del ala, fuselaje y cola; y la deslaminación en las capas de materiales compuestos. TecBlue Aviation VELOCIDADES DE INFLUENCIA ESTRUCTURAL: Una vez conocidas las cargas que pueden afectar a nuestra aeronave, el piloto debe conocer qué velocidades son las adecuadas para evitar daños estructurales, a qué velocidad no se pueden extender los flaps ya que se deteriorarían, o a qué velocidad los alerones saldrían dañados en un viraje. Así definimos estas velocidades desde el punto de vista operacional: a) Velocidad máxima operativa (Vmo): velocidad que nunca debe sobrepasarse aunque la velocidad de crucero o de picado puede ser mayor. Si en otras maniobras sobrepasásemos esta velocidad el fuselaje se sometería a cargas excesivas dañando la estructura del avión. b) Velocidad con flaps extendido (Vfe): es la máxima velocidad a la que se puede ir con el punto de flap mínimo. Si fuese superada, el flap podría resultar dañado. Hay una velocidad máxima operativa para cada punto de flap. c) Velocidad con tren de aterrizaje extendido (Vle): Velocidad a la cual se puede extender y retraer el tren sin que este sufra daños estructurales. d) Velocidad de maniobra (Va): Velocidad máxima para desplazamiento máximo de las superficies de control, sin que sufran flameo, inversión de alerones u otros fenómenos estructurales. e) Velocidad máxima de vuelo del avión (Vne): La velocidad que nunca debe ser superada dado que se podrían producir graves fallos estructurales. Típico anemómetro de aviación general con sus velocidades de referencia (Vmo=Vno) TecBlue Aviation FATIGA: Si las cargas antes estudiadas se producen de forma reiterada y continuada, aparece la fatiga, que resulta ser un deterioro interno del material. Así como las cargas se medían en g’s, la fatiga estructural de un componente o sistema se mide en ciclos. Una estructura tiene un determinado número de ciclos, si ése número de ciclos rebasa el admisible se producirá un fallo estructural por fatiga. El fallo estructural por fatiga también se puede dar si los esfuerzos a los que está sometida la estructura son excesivos y superan los admisibles u operativos. Por ejemplo, el fuselaje soporta una carga continuada: la carga de presurización; al ser continuada se produce fatiga. Cada vez que se presuriza la cabina y se despresuriza se completa un ciclo de presurización. Llegado un número equis de ciclos, el fuselaje debe ser revisado para que no presente fallos, dado que ha rebasado el número de ciclos admisibles. Contra mayor sea el esfuerzo al que esté sometida una pieza, menor será el número de ciclos que pueda soportar; mientras que si el esfuerzo de trabajo está por debajo de un cierto nivel, el número de ciclos es mucho mayor, en principio infinito. Sin embargo, por seguridad, todas las piezas tienen un número de ciclos máximo. La fatiga puede ser de dos clases: mecánica y térmica. La fatiga mecánica se origina por las vibraciones de las piezas, y por los esfuerzos físicos que soportan los aviones en servicio. La fatiga térmica tiene su origen en los motores. El enfriamiento y calentamiento de las piezas produce contracciones y dilataciones en los materiales. Esos esfuerzos continuados pueden fatigar el motor, produciendo grietas en partes vitales del mismo. Por ello los motores deben ser revisados cada tantos ciclos (encendido y apagado del motor). En los motores turborreactores tiene especial importancia este tipo de fatiga, ya que el enfriamiento y calentamiento es más repetido y continuado, alcanzando mayores temperaturas. TecBlue Aviation MATERIALES: Para fabricar estructuras como el fuselaje, que deben soportar numerosos esfuerzos y cargas, se debe tener muy en cuenta el material a usar. Los cuatro grandes grupos de materiales de empleo aeronáutico son las aleaciones férreas (con hierro), las aleaciones ligeras (de Aluminio, Titanio o Magnesio), materiales compuestos (o “composites”) y materiales auxiliares (gomas, plásticos, lonas...) Aleaciones férreas: La aleación férrea más usada en aviación es el acero (con un 2% de carbono). El acero sustituyó a la madera en la construcción de fuselajes reticulares o tubulares puesto que aguantaba mucho mejor la humedad. A pesar de que el acero es más barato que las aleaciones ligeras pesa mucho más, y por ello su uso es muy limitado en la industria aeronáutica modernas, reduciéndose a partes que requieran de gran resistencia (tren de aterrizaje, herrajes de sujeción, elementos de fijación...). Los pernos y tornillos son de acero, ya que es más resistente que las las aleaciones ligeras. Aleaciones ligeras: • Aleación de aluminio: Las aleaciones de Aluminio son el resultado de la combinación del aluminio con otros metales como el Manganeso, cobre, cinc o magnesio. Pesan poco pero resultan altamente resistentes, dos cualidades muy apreciadas en aviación. Sin embargo presentan un problema, y es que aun siendo el aluminio anticorrosivo, sus aleaciones no. Por esta razón se usan distintos medios para prevenir su deterioro. El caso más conocido es el Alclad, una aleación de aluminio cubierta de aluminio puro. Mientras la película exterior de aluminio puro se mantenga, la resistencia a la corrosión será la misma que presenta el aluminio. Los largueros, cuadernas y demás componentes se fabrican con aleaciones de cinc ya que son las aleaciones con mayor resistencia. • Aleación de Titanio: A medio camino entre el acero y las aleaciones de Aluminio, es relativamente ligero pero tremendamente resistente a la corrosión a temperaturas moderadas. Sin embargo es ocho veces más caro que las aleaciones de Aluminio, su mecanizado es difícil y si se desea sustituirlo suele se puede emplear o el mismo material o un acero. Se trata de una aleación muy especial, utilizada en piezas de los turborreactores y lugares donde un material más barato no serviría. TecBlue Aviation • Aleaciones de Magnesio: Es la aleación más ligera: pesa cuatro veces menos que el acero. Su relación resistencia-peso es excelente y se maneja con facilidad. Sus usos son muy concretos: partes de asientos, cinturones de seguridad, en la caja del tren y de los rotores de los helicópteros. Sin embargo se ha ido reemplazando por aleaciones de Aluminio, por problemas de corrosión e inflamabilidad. Materiales compuestos (“composites”): Los materiales compuestos están constituidos por dos elementos estructurales: fibras y material aglomerante. El material aglomerante se llama “matriz” y las fibras están entretejidas en esa matriz. Las fibras poseen una alta resistencia empleándose materiales como el boro o el carbono; la matriz suele ser plástica (resinas, poliésteres) aunque en ocasiones es metálica para soportar altas temperaturas (en turbo- rreactores y naves espaciales). La estructura del material está constituida por capas. En cada capa las fibras se encuentran aglomeradas en la matriz y presentan una misma disposi-ción. El material es la suma de las capas que se asemeja a un músculo humano o a un “sándwich”. La orientación de las fibras no es arbitraria, sino que viene definida por el esfuerzo o cargas a las que se va a ver sometido el material. Así la resistencia mecánica del material vendrá dada por la dirección de las fibras o el tejido que forman. Podemos encontrarnos estructuras de composites que aguanten mejor cargas perpendiculares que otras estructuras ideadas, por ejemplo, para cargas longitudinales, etc... Las propiedades mecánicas de estos materiales son notablemente superiores a las aleaciones ligeras. Sin embargo, resultan ser más frágiles que éstos, aun usando fibras de carbono y boro, siendo su reparación compleja. Por esta razón no es aplicable por ley a las alas y el fuselaje, ya que son estructuras primarias y de gran importancia. En cuanto a la matriz, las resinas “epoxi” son las que presentan una mejor adhesión de las fibras, aunque su uso está prohibido en las cabinas, ya que genera demasiado humo al quemarse. TecBlue Aviation Construcción tipo “sándwich”: Se trata de una forma de colocar los materiales que debía ser nombrada dada su uso generalizado en aviación, y sus buenas propiedades mecánicas. Se trata de dos capas de fibra de carbono, de vidrio, o de aluminio pegadas a un núcleo. El núcleo puede tener forma de panel de abeja, fabricado en aluminio o resinas; o tratarse de un núcleo de goma-espuma. La estructura “sándwich” aguanta con éxito las cargas que impone la flexión (compresión y tración), y el núcleo soporta esfuerzos cortantes con facilidad. Su aplicación se centra en superficies de control de vuelo y suelos de cabina. El uso de la fibra de carbono también se extiende a los turborreactores. Todos los componentes resaltados están fabricados con composites. El cárter de electrónica está hecho por ejemplo usando la estructura sándwich, mientras que las paletas de guía están fabricadas con fibra de carbono y aleaciones de Titanio; y las de entrada de fibra de carbono aglomerada con epoxy. La bomba de combustible también está construida en fibra de carbono. En la imagen de la siguiente página aparecen también componentes típicamente fabricados con “composites” en cazas militares. El arco del canopy y el asiento eyectable están hechos de fibra de vidrio con epoxy; el borde de ataque se ha fabricado usando la construcción de sándwich, con núcleo de panel de abeja; y la caja que contiene el tren de aterrizaje es de fibra de carbono. TecBlue Aviation Esta imagen muestra el uso genérico de composites en aviación comercial. Las partes de azul corresponden a las fabricadas en fibra de carbono, las amarillas a fibra de Aramida (Poliamida aromática, COHN2) y las rojas a fibra de vidrio. Como se puede comprobar sus uso está muy generalizado y apenas sólo el fuselaje y las alas se salvan de los composites, al ser estructuras primarias. TecBlue Aviation Hemos visto como se empezó construyendo los aviones de madera, luego vino el acero para los fuselajes reticulares / tubulares, pronto sustituido por las aleaciones ligeras. Hoy en día los composites y sus variantes van comiéndole terreno a los “antiguos materiales”. Como citábamos antes, ante su difícil reparación, todavía se opta por el uso de aleaciones en aviones como el Boeing 717, de corto alcance, ya que la aerolínea no puede permitirse el lujo de tenerlo parado mucho tiempo por unas reparaciones. Sin embargo todo apunta a que el futuro es de los composites. Prueba fehaciente es el uso de estos materiales en aviones de última generación, como el Airbus A380, que además, al ser de largo alcance, el tiempo de reparación no le supone un problema. El análisis de los materiales empleados en su construcción nos puede hacer una idea de cómo se construirán los aviones comerciales en el futuro próximo. En naranja / rojo, verde y violeta aparecen coloreadas las partes correspondientes a fibras de vidrio, cuarzo y carbono respectivamente. En color azul las partes metálicas y en amarillo las partes construidas en “glare”. Este último material es relativamente reciente, y se trata de un tipo específico de fibra metálica, hecha de aluminio y fibra de vidrio compuesta. Junto con la madera y el metal, el glare será el nuevo tercer material usado en estructuras primarias ( fuselaje y superficies aerodinámicas primarias), siendo un híbrido entre el metal y los composites. “Glare” viene de Glass-Aluminium FML (fibber-metal laminate). Abajo aparece el uso de la construcción de sándwich con núcleo de panal de abeja en el A380. Cabina del A380 de Qantas (F-WWOW) (Abajo). TecBlue Aviation PESOS: Es importante que el piloto y copiloto conozcan los pesos del avión, para que su pilotaje se ajuste de la mejor manera a la situación. No hay que aplicar la misma potencia al despegar con mucho peso que con poco; es vital cargar y centrar bien el avión para que el vuelo se desarrolle con total normalidad y conocer los pesos máximos para cada maniobra para evitar la fatiga estructural o una posible catástrofe. Por todo ello, el piloto debe manejar los siguientes conceptos, relacionados intrínsicamente con las limitaciones del fuselaje: • Peso vacío de fabricación: el peso de la estructura, motores, sistemas y otros elementos que forman parte integral del avión, incluyendo los líquidos de los sistemas cerrados: oxígeno, líquido hidráulico... • Peso básico vacío: es el peso vacío de fabricación más los conjuntos estándar del avión: el combustible no utilizable, aceite del motor, peso estructural de lavabos y líquidos afines (agua, productos químicos...), de cocinas, asientos de pasajeros y otras variaciones que pueda introducir el operador. • Peso vacío operativo: es el peso de la aeronave lista para operar sin la carga útil ni combustible. Es el peso básico vacío pero incluyendo la tripulación, su equipaje, prensa, catering, manuales de vuelo, herramientas, chalecos salvavidas y balsas, contenedores... • Peso con combustible a cero: es el peso vacío operativo más la carga útil que incluye pasajeros, su equipaje y la mercancía. • Peso de despegue: es el peso con combustible a cero más el peso del combustible en depósitos internos y externos. • Peso de aterrizaje: es igual al peso de despegue menos el peso de combustible y otros elementos gastados. • Peso máximo de despegue//Maximum Takeoff Weight (MTOW): Es el peso máximo del avión al despegue, limitado por su resistencia estructural y los requisitos de aeronavegabilidad. • Peso máximo de aterrizaje// Maximum Landing Weight (MLW): Es el peso máximo del avión al aterrizaje, limitado por su resistencia estructural y los requisitos de aeronavegabilidad. • Peso máximo con combustible a cero// Maximum Zero Fuel Weight (MZFW): Peso máximo permitido del avión con anterioridad a la carga de combustible. • Peso máximo de rodaje: El peso máximo para maniobrar en tierra. TecBlue Aviation Los pesos que más se manejan son los MTOW, MLW y MZFW; sin embargo estos datos son un límite, no una garantía. A la hora de evaluar el despegue, aterrizaje u otras maniobras se ha de tener en cuenta también el estado de la pista, las condiciones meteorológicas... La carga y los pesos máximos es algo calculado al milímetro en los vuelos comerciales en los que se pretende maximizar los beneficios, llegar lo más lejos posible usando el menor combustible. Ya hemos visto el fuselaje, su forma, sus pesos, maneras de construirlo, los materiales con los que se puede fabricar y las cargas, esfuerzos y fatiga que soporta. Estos apartados son quizás los de más interés para el piloto, siendo el resto de datos sobre corrosión, estructuras tolerantes al daño, uniones de elementos u otros apartados más secundarios o de carácter más industrial, por lo tanto no los voy a abordar. A lo que sí me gustaría hacer alusión de forma anecdótica es al acabado del fuselaje: la pintura o pulido. Ambos tratamientos presentan unas ventajas y desventajas que la compañía debe sopesar y decidir por cuál decantarse. La pintura, a parte de ser estéticamente más atractiva a los ojos, evita la erosión del material y la entrada de humedad. Además todas las superficies de materiales compuestos deben ir pintadas por razones estructurales. Sin embargo la pintura presenta un problema: peso; que se traduce en gasto de combustible. Un Boeing 747-400 pintado puede pesar 225 kilogramos más que uno sin pintar. El pulido aunque sea una opción más ligera que el pintado, requiere mayor mantenimiento, ya que debe ser pulida con regularidad para eliminar elementos contaminantes adheridos. Sin embargo el ahorro de combustible supera el de mantenimiento. Al final es una decisión de marketing de la compañía. ANA y JAL, compañías niponas, optan por pintar sus jumbo’s con esquemas divertidos sobre personajes infantiles como los pokémon (ANA) o Mickey Mouse (JAL). El turismo en Nueva Zelanda aumentó significativamente tras el rodaje de “El señor de los anillos” en el país, y la aerolínea de bandera, Air New Zealand, pintó sus aviones con escenas de la película. Otra compañía conocida por sus líbreas es la australiana Qantas, en la imagen el 747 “Wunala dreaming”. El ejemplo más vivo de aviones pulidos es el de American Airlines, en la imagen un 767 de la compañía estadounidense. TecBlue Aviation Parabrisas y ventanillas: DEFINICIÓN: las ventanas de los aviones son las aberturas que se practican en el fuselaje para instalar transparencias que permitan ver el exterior. Encontramos dos tipos de aberturas. Las ventanas frontales situadas en la cabina de mandos se denominan parabrisas, mientras que el resto ventanillas (cabina de pasajeros y laterales de cabina de mandos). TecBlue Aviation PARABRISAS: El parabrisas está formado por capas de vidrio templado, que aguanta las cargas de presurización y aerodinámicas; y otras capas de polivinilo que proporciona resistencia al impacto de las aves u otros objetos. Antiguamente se usaba sólo una capa de cada (acristalamiento monocapa), pero hoy en día se fabrican los parabrisas con numerosas capas: multicapa (véase dibujo). El objetivo de los parabrisas, a parte de proporcionar una buena visión al piloto, es la de protegerlo de impactos de aves u otros móviles, de ahí el uso de tantas capas. Además los parabrisas deben cumplir unos requisitos mínimos de seguridad que veremos más adelante. El cristal usado en los parabrisas es un cristal especial, que cumple una serie de características de resistencia, por ello se llama cristal de seguridad. Hay dos tipos de cristales de seguridad a usar en un parabrisas: el cristal laminado o el templa-do. El cristal templado es una lámina de vidrio de alta resistencia mecánica mientras que el laminado, son varias capas de vidrio templado y polivinilo (multicapa), presen-tando menor resistencia. Estos cristales de seguridad se distinguen de los comunes por sus características de rotura . Un cristal común de rompe en mil trocitos y la presencia de la primera grieta y la desintegración del cristal son acontecimientos casi simultáneos. Por el contrario, en los cristales multicapa, muy pocos fragmentos son despedidos en caso de rotura, dada la gran adhesión entre las capas. Además de la alta resistencia y de las características de rotura de los parabrisas, se le dota al mismo con una serie de protecciones térmicas (antivaho, deshielo...), anti-solares (se reduce en un 50% las radiaciones solares que entran en cabina); anti-estáticas (evitar descargas eléctricas) y anti-radar ( aplicación en aviones militares). TecBlue Aviation TIPOS DE PARABRISAS: Podemos distinguir tipos de parabrisas según su material de fabricación o el tipo de construcción. Aunque hemos presentado parabrisas fabricados en vidrio templado, monocapa o multicapa; también existen de plásticos acrílicos o de acetato de celulosa. Según el tipo de construcción, encontramos parabrisas simples (aviones no presurizados) o parabrisas especiales (cabinas presurizadas, con protecciones térmicas...) VENTANILLAS: Las ventanillas se fabrican normalmente en plásticos acrílicos, formadas por una o más capas de material. La resistencia a impactos no es un factor determinante en su elaboración sino su peso, al poder haber más de 200 ventanillas en un avión. Los plásticos son más ligeros que los vidrios (pesan una tercera parte de lo que pesa el vidrio) y presentan mejor la fatiga y a la propagación de grietas. REQUISITOS QUE DEBEN CUMPLIR LOS PARABRISAS: Los parabri-sas de los aviones comerciales deben cumplir una serie de requisitos estructurales y de seguridad para ser instalados: • Todos los parabrisas deben fabricarse con cristales de seguridad. • El parabrisas debe resistir el impacto de un ave de 1’81 Kg. (4lb) a la velocidad de crucero calculada al nivel del mar, o a 0’85 por la velocidad de crucero a 8000 pies. • La probabilidad de desprendimiento de fragmentos debe ser muy pequeña, y si se produce el desprendimiento, los fragmentos no deben alcanzar a los pilotos dentro de un ±15º del eje longitudinal del avión. • Que la rotura de uno de los paneles del parabrisas, no afecte a la visibilidad de otro. Este Fokker 70 de KLM cityhopper, ha aguantado perfectamente el impacto de tres aves. Dos en el cono de proa, donde se puede observar dos manchas de sangre y un gran bollo; y otro menos apreciable en el parabrisas derecho de la cabina que ha permanecido intacto. Gracias a los límites estructurales y de seguridad impuestos en las aeronaves en la mayoría de ocasiones TecBlue Aviation resistencia a el impacto de aves en el fuselaje se convierte en algo casi anecdótico afortunadamente. MICROGRIETAS: Un fenómeno muy común es la aparición de microgrietas en el panel acrílico del parabrisas (polivinilo), o el llamado “crazing”. La flexión del panel produce estas minúsculas fisuras de aproximadamente 0’02 mm. Estas fisuras se van propagando por el cristal, y disminuye la resistencia al impacto y degrada sus características mecánicas. El crazing también puede estar originado por el uso de productos de limpieza inadecuados, contaminación atmosférica o una mala instalación del equipo. Quizás el accidente más impactante y dramático relacionado con parabrisas sea el que le ocurrió a este aparato de la British Airways (G-BJRT) el 10 de Junio de 1990. Se trataba del vuelo 5390 en el BAC one-eleven desde Birmingham a Málaga. A nivel de TecBlue Aviation vuelo 173, el parabrisas izquierdo salíó disparado hacia el exterior a las 7h33min, con tan mala suerte que el confiado capitán llevaba el cinturón de seguridad desabrochado. El piloto salió despedido hacia el exterior enganchándose su pie al piloto automático y quedándose pegado por el flujo de aire a la parte superior de proa. Una despresurización repentina invadió la cabina y los tripulantes de cabina tuvieron que interrumpir los servicios de a bordo. El tercer TCP a bordo acudió a la cabina y desenganchó al piloto sosteniéndole para que no se escapase al exterior; el copiloto recuperó el control de la aeronave ya que los mandos estaban atascados por los pies del piloto. El segundo TCP sustituyó al tercero en sostener al capitán, ya que se estaba quedando sin fuerzas en los brazos y medio congelado. A FL100 y a150 nudos, la aeronave realizaba una aproximación visual mediante vectores radar a Southampton Airport. El aterrizaje de emergencia a las 07h55min fue perfecto. El capitán, del que todo el mundo pensaba que estaba muerto, fue trasladado urgentemente al hospital general de Southampton, presentando numerosas fracturas, congelamiento y shock. El capitán sobrevivió milagrosamente a su indeseable experiencia. No hubo bajas y todo acabó bien gracias a la pericia del copiloto y la rápida respuesta de la tripulación. Rápidamente se pusieron a investigar las causas del accidente. El TMA el día anterior, cambió los tornillos del parabrisas. A “ojímetro”, escogió unos tornillos apreciablemente más pequeños que los anteriores; así, 84 de los 90 tornillos del parabrisas eran más pequeños de lo exigido por el fabricante. Apenas unos milímetros de diferencia sirvieron para que el parabrisas no aguantase las cargas de presurización. El TMA estaba hasta arriba de trabajo, y presionado por la compañía debía acabar de revisar los aviones esa noche, y en vez de leer en el manual los tornillos adecuados (lo que llevaría mucho tiempo), comparó los ya puestos con los que iba a poner, errando en su elección por unos milímetros. El informe completo del accidente está en http://www.raes.org.uk/raes/first/airworthiness/GRP/BAC111.pdf Alas SUPERFICIES AERODINÁMICAS: Podríamos decir que el avión se divide en fuselaje, grupo motopropulsor y superficies aerodinámicas, que son aquellas sobre las que se manifiestan fuerzas como la sustentación o resistencia. Gracias a estas superficies el avión vuela, se sustenta en el aire. Hay tres tipos de superficies básicas expuestas a las fuerzas aerodinámicas: las alas, los estabilizadores y las superficies de control de vuelo. Mediante estas estructuras y la tracción que crea el motor o motores, el “puro” del avión (fuselaje) es capaz de navegar y moverse por el aire. ALAS: El ala es la superficie que proporciona la fuerza sustentadora principal del avión. La estructura interna está constituida por largueros, larguerillos y costillas. El larguero es el componente estructural principal que recorre el ala longitudinalmente desde el encastre (donde el ala se une al fuselaje) hasta la punta del ala. Soporta las cargas principales del ala en vuelo y tierra. Estas auténticas “vigas” del ala están construidas en aleaciones de aluminio de alta resistencia y suele haber sólo dos o tres por ala. La sección recta de estas vigas suele tener forma de I. Las costillas son elementos transTecBlue Aviation versales del ala y también transversales a los largueros. Cumplen dos funcio-nes: dar forma y curvatura al contorno del ala, y añadir rigidez y resistencia al conjunto. Hay dos formas de construir las costillas: de chapa o mecanizadas. Las costillas de chapa, están construi-das con un espesor no muy grande, y se usan habitualmente en aviación ligera. Las mecanizadas se fabrican en máquinas a partir de grandes planchas de material y su uso está enfocado hacia la aviación comercial. La resistencia mecánica que requiere un avión pesado no permite el uso de una chapa, sino de grandes planchas de ocho o más centímetros de espesor. Con frecuencia tanto en largueros como en costillas se abren grandes agujeros para aliviar el peso. En las costillas mecanizadas, al ser la plancha muy gruesa, no se le practican agujeros sino que se rebaja el material en algunas partes (técnica piscina mediante fresado químico). Los larguerillos refuerzan toda la estructura, situados de forma longitudinal a través de las costillas, proporcionan la superficie suficiente para unir con remaches la chapa de revestimiento del ala. En las imágenes aparecen dos alas, una recta con sus costillas y dos largueros, y otra corresponde al ala del Airbus A380 hecha en Aluminio. En cuanto a las cargas que soporta el ala, no nos extenderemos, ya que están citadas en el apartado CARGAS; sólo recordar que el ala soporta esfuerzos de flexión, cargas de tracción y giroscópicas del motor y cargas aerodinámicas (ráfagas, turbulencias, flameo...) Los materiales empleados en la construcción de alas suelen ser metales, más concretamente aleaciones de aluminio, resistentes y ligeras. (Ver apartado de materiales) TecBlue Aviation TIPOS: Hay numerosos tipos de alas, todos ellos atendiendo a un criterio de clasificación. La utilidad de cada aeronave determina la forma y diseño del ala. Según cómo vaya a operar la aeronave, la interacción con el aire será diferente. El ala de un avión subsónico no tendrá la misma forma que la de un avión supersónico, ni un hidroavión la de un caza militar. No hay un ala ideal o mejor, sino será ideal o la mejor para la función que va a desempeñar la aeronave en la que va ir montada. A continuación vemos los ejemplos más típicos usados en aviación, pudiendo haber variaciones o combinaciones de los presentados. Según la forma de la planta: • Ala recta: Su planta es rectangular y aunque presenta buenas características de pérdida, tiene una mala relación peso – resistencia. Sin embargo es la más económica y por ello la elegida en numerosas avionetas amateur o ligeras. La mayoría de Cessna’s, en este caso la Cessna T206H Turbo Stationer, tienen perfiles rectos dado que se sacrifica la velocidad por la nobleza y estabilidad. • Ala elíptica: Su forma es la de una elipse y es muy eficiente en su relación pesoresistencia. Aunque es terriblemente manejable y produce muy poca resistencia las pérdidas son muy críticas y su construcción compleja; y por lo tanto, cara. El spitfire, caza británico, es el ejemplo mítico de ala elíptica. La geometría de un maniobrabilidad siguiente este ala le daba impresionante (Imagen en la hoja) TecBlue Aviation • Ala recta con estrechamiento: Este tipo de ala pretende buscar un punto medio entre maniobrabilidad, nobleza y velocidad, sin sacrificar los bajos costes de producción que presentaba el ala recta. La mayoría de pipers y aviones de escuela utilizan este diseño de ala ya que es muy cómoda y versátil. • Ala en delta y en flecha: El ala en delta como la de flecha, se ingenió para reducir la aparición de ondas de choque a velocidades subsónicas, y por ello es muy eficiente a altas velocidades. El ala en delta se usa en aviones supersónicos, ya sea simple (como el Mirage) o compleja (Concorde). TecBlue Aviation El F-117 es un claro ejemplo de ala con gran flecha. El F-1 Mirage III C a la derecha tiene ala en delta. La mayoría de aviones comerciales tienen ala en flecha. • Ala variable: El ala variable se ideó para juntar las buenas características de estabilidad de alas de flecha o rectas y la gran eficiencia a velocidades supersónicas del ala en delta. Este tipo de ala tiene entonces, una geometría variable según la maniobra o velocidad a la que vaya a operar el piloto. Su uso se limita a cazas ya que su instalación es muy costosa y aun teniendo buenas características, no merece la pena montarla en aviones comerciales. El F-14 Tomcat puede adoptar una diferente configuración alar según sus necesidades gracias a su ala de geometría variable. TecBlue Aviation Según su posición: • Ala alta: El ala se monta en la parte superior al fuselaje. Un modelo de ala alta es mucho más estable que uno de ala baja y tendera menos al balanceo o efecto péndulo. El peso del avión está debajo del ala (su centro de gravedad C.G.), por lo que el fuselaje tiende estabilizarse hacia abajo como si de un péndulo se tratase para igualar fuerzas. El British Aerospace Bae 146-200 o “jumbito” tiene el ala alta. Gracias a sus cuatro motores y su pequeño tamaño es un avión muy poco ruidoso. Eso sumado a sus características de avión STOL (short take off and landing) hacen de él uno de los pocos aviones que puede operar en aeródromos urbanos, como EGLC, London city, situado en el centro de Londres. Actualmente ya no se fabrica. • Ala media: El ala media se une al fuselaje por la parte media del mismo. Sus características están entre la estabilidad del ala alta y la maniobrabilidad del ala baja. El ala media (imagen de la derecha) es la más utilizada en aviación comercial. • Ala baja: Quizás la más maniobrable, el ala baja se sitúa bajo el fuselaje del avión. Numerosos aviones corporativos, cazas y aviones acrobáticos utilizan este tipo de disposición. A la izquierda el Falcon 900, un avión corporativo de ala baja que tiene el ejército del aire español en su flota para transporte de VIP’s.A la derecha un dibujo ilustrativo de los tipos de ala analizados. TecBlue Aviation En el pasado también existía el ala en parasol, hoy en desuso, montada por encima del fuselaje mediante unas sujeciones. Según su perfil: El perfil es la sección trasversal del ala y según su forma, el ala se comportará en el aire de forma muy distinta. El perfil es objeto de estudio de los ingenieros aeronáuticos a la hora de diseñar un avión y su forma es vital determinando las actuaciones del avión (performances) y sus velocidades de pérdida. El perfil se suele estrechar a medida que se acerca a la punta de ala. Sin abundar demasiado en el tema, podemos distinguir tres perfiles básicos según su grosor, aunque el perfil de cada avión sea diferente. Los perfiles gruesos corresponden a aviones dóciles con velocidades medias, los perfiles de grosor medio presentan altas velocidades punta y aceleración. Con el grosor fino se pueden conseguir grandes velocidades. En la siguiente hoja aparecen dibujados numerosos perfiles y sus características en inglés. Según su forma de unión al fuselaje: Según cómo se una el ala al fuselaje diferenciamos entre alas arriostradas o cantílever. El ala arriostrada se une al fuselaje en puntos concretos por cables o tirantes externos (montantes). Estos montantes soportan las cargas del ala en vuelo y tierra; y al ser un ensamblaje exterior opone resistencia al aire. El ala arriostrada se suele usar en aviación deportiva y general, con características de vuelo moderadas. En el ala cantílever el entramado estructural es interno y por lo tanto no presenta esa resistencia aerodinámica. Es la más generalizada en aviación con características de velocidad alta. (De arriba abajo) una diamond katana DV20 con ala cantílever y una piper J-3 Cub con ala arriostrada. Según el borde del ala: Hay numerosos tipos de bordes del ala. No nos pararemos demasiado en ya que este apartado la clasificación por el tipo de borde no suele ser muy común. Sin embargo si cabe TecBlue Aviation destacar algunas aplicaciones técnicas en los bordes del ala para evitar la resistencia y mejorar las actuaciones del avión. Los bordes redondeados son fáciles de construir pero generan un torbellino de ala muy pronunciado. Los bordes afilados son en más eficientes aspecto presentando este menor resistencia aerodinámica inducida. El borde recto (el simple corte transversal del ala) tiene una buena relación resistencia generada – coste de producción. Existen otros tipos de bordes como el cóncavo (hacia abajo) que aumenta la envergadura del ala, o el acabado en placa, separando el intradós del extradós. El borde que está resultando de gran eficiencia es el “Winglet”. Aumenta la velocidad ya que reduce considerablemente la resistencia inducida, lo que supone mayor autonomía de vuelo y ahorro de combustible. TecBlue Aviation Aquí se aprecia el tamaño del gigantesco winglet de un Boeing 747-444 de South African Airways. El Winglet, aparte de añadir autonomía de vuelo al avión también sirve de elemento estético ostentando el logotipo de la compañía. Estabilizadores DEFINICIÓN Y TIPOS: El elemento estabilizador del avión es la cola, cuyo conjunto se llama empenaje. Por lo general está situado en la parte posterior del avión y se compone estructuralmente de dos elementos: el estabilizador vertical (o deriva) y el estabilizador horizontal. La parte posterior del estabilizador vertical suele disponer de una articulación llamada timón de dirección que mueve al avión en el eje vertical. Los timones de profundidad (o elevadores) que mueven al avión en el eje horizontal suelen estar situados en el estabilizador horizontal. La forma de clasificar los tipos de colas es atendiendo a la disposición de sus estabilizadores en el espacio, esto es, al tipo de construcción. La manera de concebir y colocar el empenaje atiende a criterios aerodinámicos, a la capacidad y potencia del avión, y, por último, al peso. Las colas se pueden dividir en dos grandes grupos: convencionales y especiales. COLAS CONVENCIONALES: Son la cola clásica, alta y cruciforme. 1. Cola clásica: La cola clásica es la más generalizada, su uso en construcciones aeronáuticas es de aproximadamente del 75%. Suele ser la solución óptima desde el punto de vista de estabilidad, control y de peso estructural del conjunto. Casi todos los aviones de la familia Boeing y todos los de la familia Airbus, utilizan este tipo de cola, lo que nos puede dar una idea de que su uso es más que generalizado. 2. Cola alta (o en “T”): Es la segunda más empleada en aviación y se caracteriza por tener situado el estabilizador horizontal en la parte superior de la deriva. Esta construcción permite, o bien reducir el tamaño de la deriva, o instalar un tercer motor en la misma (caso del DC-10 o MD-11). Este tipo de cola se emplea normalmente en aviones que tienen montados los motores atrás, como los Mcdonnell-Douglas, Embraer, Bombardier... etc. Mucho se discutió sobre cuál era la mejor forma de llevar los motores, en cola o en ala, pero la aviación comercial parece que se ha inclinado por TecBlue Aviation el uso de los motores (normalmente dos, incluso en aviones de largo alcance como el Airbus A330 o el Boeing 777) en las alas y por lo tanto, montar la cola clásica, en vez de la alta. 3. Cola cruciforme: Se trata de un híbrido entre la clásica y la alta, para aprovechar así las ventajas de ambas. El estabilizador horizontal se coloca no tan alto como en la cola alta ni tan bajo como en la cola baja. COLAS ESPECIALES: Se llaman así precisamente, por que su diseño está orientado a aviones o a objetivos concretos. Su uso es muy reducido. Dentro de la cantidad de diseños destacan dos básicos: en “V” y en “H”. La cola en “V” está formada por dos superficies inclinadas en forma de V. Su mayor ventaja es la reducción de fricción frente a otras colas, es decir menos resistencia igual a más velocidad. Sin embargo es de mayor peso. La cola en “V” invertida es una variante para mejorar el alabeo en aviones con cola en “V”; sin embargo está demasiado cerca del suelo. TecBlue Aviation La Beech V35B Bonanza monta este peculiar diseño de cola, a pesar de ser una avioneta de escuela o deportiva. La cola en “H” permite reducir considerablemente la longitud del estabilizador y además colacar las derivas justo detrás del flujo de los motores, permitiéndote ascender fácilmente. En el famoso Lockheed Super Constellation, la cola en “H” le sirvió para reducir la altura vertical de la cola, de tal forma que cupiese en los hangares de la época (así las compañías no tienen por qué cambiar sus hangares con la inclusión de uno de estos aviones en su flota). La cola de doble fuselaje es otro tipo empleado con frecuencia en el pasado, o en algunos modelos de hoy en día (cessna skymaster). Al ser de doble fuselaje suele pesar más de lo normal. La cola en “Y” es como la cola en “V”, añadiendo un estabilizador vertical por debajo y proporcionando un control excelente, dejando el estabilizador fuera del flujo del motor. La cola doble es sin duda la más maniobrable, ofreciendo excelentes cualidades de control a altos ángulos de ataque. Por ello es la más usada en los cazas militares modernos. TecBlue Aviation El Lockheed Super Constellation con su cola en “H” triple, (arriba izquierda), la cessna skymaster con su cola de doble fuselaje y cabina presurizada (arriba derecha), el F-18 de cola doble (izquierda) y por último el F-4 Phantom con cola en “Y” invertida (derecha). COMPONENTES ESTRUCTURALES: La cola realmente tiene la misma estructura que un ala sólo que de dimensiones más reducidas. Comparten así elementos como las costillas, largueros y larguerillos. Los timones están unidos a los estabilizadores por herrajes de articulación. La estructura se comporta de forma similar a las alas, soportando cargas aerodinámicas generadas normalmente por el estabilizador horizontal. Para más información sobre las cargas y flameo que se produce en la cola, mirar en el apartado de cargas. En cuanto a los materiales, de nuevo decir, que se utilizan los mismos que en las alas, aleaciones de aluminio, y más recientemente, composites en las superficies de control. COMPENSACIÓN DE MACH: Cuando un avión atraviesa la barrera del sonido, el centro de presiones se traslada hacia la parte posterior del avión, creando una situación de picado. Para compensar esta situación se monta en los aviones un sistema por el cuál, alcanzando MACH 0’8 el timón horizontal se desplaza hacia abajo, centrando el avión y contrarrestando el picado. TecBlue Aviation RESUMEN PRINCIPIOS BASICOS ESTRUCTURA DEL AVION. En los capítulos anteriores se han descrito algunos aspectos del mundo en que se mueve el avión (la atmósfera), las leyes que explican el vuelo, las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo, etc. En este capítulo se especifican de una forma general cuales son los componentes estructurales de un avión y su nomenclatura, poniendo especial énfasis en su elemento distintivo: las alas. Generalidades. Fuselaje. Del francés "fuselé" que significa "ahusado", se denomina fuselaje al cuerpo principal de la estructura del avión, cuya función principal es la de dar cabida a la tripulación, a los pasajeros y a la carga, además de servir de soporte principal al resto de los componentes. El diseño del fuselaje además de atender a estas funciones, debe proporcionar un rendimiento aceptable al propósito a que se destine el avión. Los fuselajes que ofrecen una menor resistencia aerodinámica son los de sección circular, elíptica u oval, y de forma alargada y ahusada. Alas. Son el elemento primordial de cualquier aeroplano. En ellas es donde se originan las fuerzas que hacen posible el vuelo. En su diseño se tienen en cuenta numerosos aspectos: peso máximo a soportar, resistencias generadas, comportamiento en la pérdida, etc.. o sea, todos aquellos factores que proporcionen el rendimiento óptimo para compaginar la mejor velocidad con el mayor alcance y el menor consumo de combustible posibles. Superficies de mando y control. Son las superficies movibles situadas en las alas y en los empenajes de cola, las cuales respondiendo a los movimientos de los mandos existentes en la cabina provocan el movimiento del avión sobre cualquiera de sus ejes (transversal, longitudinal y vertical). También entran en este grupo otras superficies secundarias, cuya función es la de proporcionar mejoras adicionales relacionadas generalmente con la sustentación (flaps, slats, aerofrenos, etc...). TecBlue Aviation Sistema estabilizador. Está compuesto en general por un estabilizador vertical y otro horizontal. Como sus propios nombres indican, su misión es la de contribuir a la estabilidad del avión sobre sus ejes vertical y horizontal. Tren de aterrizaje. Tiene como misión amortiguar el impacto del aterrizaje y permitir la rodadura y movimiento del avión en tierra. Puede ser fijo o retráctil, y de triciclo (dos ruedas principales y una de morro) o patín de cola (dos ruedas principales y un patín o rueda en la cola). Hay trenes adaptados a la nieve (con patines) y al agua (con flotadores). Grupo motopropulsor. Encargado de proporcionar la potencia necesaria para contrarrestar las resistencias del aparato, tanto en tierra como en vuelo, impulsar a las alas y que estas produzcan sustentación, y por último para aportar la aceleración necesaria en cualquier momento. Este grupo puede estar constituido por uno o más motores; motores que pueden ser de pistón, de reacción, turbopropulsores, etc. Dentro de este grupo se incluyen las hélices, que pueden tener distintos tamaños, formas y número de palas. Sistemas auxiliares. Resto de sistemas destinados a ayudar al funcionamiento de los elementos anteriores o bien para proporcionar más confort o mejor gobierno de la aeronave. Podemos mencionar por ejemplo, el sistema hidráulico, el eléctrico, presurización, alimentación de combustible, etc. 1.4.2 Las alas. Los pioneros de la aviación tratando de emular el vuelo de las aves, construyeron todo tipo de artefactos dotados de alas articuladas que generaban corrientes de aire. Solo cuando se construyeron máquinas con alas fijas que surcaban el aire en vez de generarlo, fue posible el vuelo de máquinas más pesadas que el aire. Aunque veremos que hay alas de todos los tipos y formas, todas obedecen a los mismos principios explicados con anterioridad. Por ser la parte más importante de un aeroplano y por ello quizá la más estudiada, es posiblemente también la que más terminología emplee para distinguir las distintas partes de la misma. A continuación se detalla esta terminología (fig.1.4.2). Perfil. Es la forma de la sección del ala, es decir lo que veríamos si cortáramos esta transversalmente "como en rodajas". Salvo en el caso de alas rectangulares en que todos los perfiles ("rodajas") son iguales, lo habitual es que los perfiles que componen un ala sean diferentes; se van haciendo más pequeños y estrechos hacia los extremos del ala. Borde de ataque. Es el borde delantero del ala, o sea la línea que une la parte anterior de todos los perfiles que forman el ala; o dicho de otra forma: la parte del ala que primero toma contacto con el flujo de aire. TecBlue Aviation Borde de salida. Es el borde posterior del ala, es decir la línea que une la parte posterior de todos los perfiles del ala; o dicho de otra forma: la parte del ala por donde el flujo de aire perturbado por el ala retorna a la corriente libre. Extrados. Parte superior del ala comprendida entre los bordes de ataque y salida. Intrados. Parte inferior del ala comprendida entre los bordes de ataque y salida. Espesor. Distancia máxima entre el extrados y el intrados. Cuerda. Es la línea recta imaginaria trazada entre los bordes de ataque y de salida de cada perfil. Cuerda media. Como los perfiles del ala no suelen ser iguales sino que van disminuyendo hacia los extremos, lo mismo sucede con la cuerda de cada uno. Por tanto al tener cada perfil una cuerda distinta, lo normal es hablar de cuerda media. Línea del 25% de la cuerda. Línea imaginaria que se obtendría al unir todos los puntos situados a una distancia del 25% de la longitud de la cuerda de cada perfil, distancia medida comenzando por el borde de ataque. Curvatura. Del ala desde el borde de ataque al de salida. Curvatura superior se refiere a la de la superficie superior (extrados); inferior a la de la superficie inferior (intrados), y curvatura media a la equidistante a ambas superficies. Aunque se puede dar en cifra absoluta, lo normal es que se exprese en % de la cuerda. Superficie alar. Superficie total correspondiente a las alas. Envergadura. Distancia entre los dos extremos de las alas. Por simple geometría, si multiplicamos la envergadura por la cuerda media debemos obtener la superficie alar. Alargamiento. Cociente entre la envergadura y la cuerda media. Este dato nos dice la relación existente entre la longitud y la anchura del ala (Envergadura/Cuerda media). Por ejemplo; si este cociente fuera 1 estaríamos ante un ala cuadrada de igual longitud que anchura. Obviamente a medida que este valor se hace más elevado el ala es más larga y estrecha. Este cociente afecta a la resistencia inducida de forma que: a mayor alargamiento menor resistencia inducida. Las alas cortas y anchas son fáciles de construir y muy resistentes pero generan mucha resistencia; por el contrario las alas alargadas y estrechas generan poca resistencia pero son difíciles de construir y presentan problemas estructurales. Normalmente el alargamiento suele estar comprendido entre 5:1 y 10:1. TecBlue Aviation Flecha. Angulo que forman las alas (más concretamente la línea del 25% de la cuerda) respecto del eje transversal del avión. La flecha puede ser positiva (extremos de las alas orientados hacia atrás respecto a la raíz o encastre, que es lo habitual), neutra, o negativa (extremos adelantados). Para tener una idea más gráfica, pongamos nuestros brazos en cruz como si fueran unas alas; en esta posición tienen flecha nula, si los echamos hacia atrás tienen flecha positiva, y si los echamos hacia delante tienen flecha negativa. Diedro. Visto el avión de frente, ángulo en forma de "V" que forman las alas con respecto al horizonte. El ángulo diedro puede ser positivo, neutro, o negativo. Volviendo a nuestros brazos en cruz, en posición normal tenemos diedro neutro, si los subimos tienen diedro positivo y si los bajamos tienen diedro negativo. Forma. Las alas pueden tener las formas más variadas: estrechándose hacia los extremos (tapered) o recta (straight), en la parte del borde de ataque (leading) o del borde de salida (trailing), o cualquier combinación de estas; en forma de delta, en flecha, etc. Si la velocidad es el factor principal, un ala "tapered" es más eficiente que una rectangular (straight) porque produce menos resistencia; pero un ala "tapered" tiene peores características en la pérdida salvo que tenga torsión (ángulo de incidencia decreciente hacia el borde del ala). Según la colocación de las alas en el fuselaje, los aviones son de plano alto, plano medio, o plano bajo. Asimismo, según el número de pares de alas, los aviones son monoplanos, biplanos, triplanos, etc. También se distinguen alas de geometría fija (la gran mayoría), de geometría variable (que pueden variar su flecha), y alas de incidencia variable (que pueden variar su ángulo de incidencia). Estos dos últimos tipos son de aplicación casi exclusiva en aviones militares. TecBlue Aviation Las alas pueden estar fijadas al fuselaje mediante montantes y voladizos, con ayuda de cables, o estar fijadas sin montantes externos ni ayuda de cables (alas cantilever, también llamadas "ala en voladizo" o "ala en ménsula"). Notas. Como es natural, a medida que han ido pasando los años los diseños de las alas han ido sufriendo modificaciones, para adaptarse a nuevas necesidades. Las alas de aeroplanos antiguos tenían el extrados ligeramente curvado y el intrados prácticamente plano, con el máximo espesor en el primer tercio de la cuerda; con el tiempo, ambas superficies, intrados y extrados, experimentaron cambios en su curvatura en mayor o menor medida y el punto de máximo espesor se fué desplazando hacia atrás. Actualmente, los aviones suelen montar alas de flujo laminar. Los aviones supersónicos han sufrido cambios muchos más drásticos en los perfiles del ala, algunos incluso perdiendo la típica forma redondeada, y sus perfiles se han hecho simétricos. En los diseños de las alas hay invertido mucho tiempo de investigación, de pruebas y errores, pero no existe el ala ideal. Las alas de cada aeroplano son producto de un compromiso de los diseñadores con las posibles combinaciones de factores (forma, longitud, colocación, etc.). Además de adaptarse a las características, cualidades y uso para el que se diseña el aeroplano, su diseño las hará más o menos sensibles a las pérdidas, a la amortiguación de ráfagas de viento, a la estabilidad/inestabilidad, etc. Sumario: Como en cualquier otro aparato, cada uno de los elementos estructurales de un avión está diseñado con la vista puesta en el conjunto, de forma que este cumpla con la mayor eficiencia posible el objetivo para el cual se construye. Los fuselajes de sección circular, elíptica u oval, y de forma alargada y ahusada ofrecen menor resistencia. Las alas son el elemento primordial del avión, pues en ellas es donde se genera la fuerza de sustentación. No existe el ala perfecta. El alargamiento del ala suele estar comprendido entre 5:1 y 10:1. A mayor alargamiento menor resistencia inducida. Hay una amplia panoplia de formas y disposiciones de las alas en un aeroplano. Las superficies de mando y control nos permiten dirigir la trayectoria de vuelo. Se mueven mediante los mandos correspondientes en la cabina. El sistema estabilizador está compuesto generalmente de un estabilizador horizontal y otro vertical. Además de posibilitar el movimiento y rodadura del avión, el tren de aterrizaje amortigua el contacto del avión con el suelo durante esta maniobra. El grupo motopropulsor esta constituido por uno o más motores, de hélice, de reacción, turbopropulsores, y en su caso las hélices, que tienen distintos tamaños, formas, y número de palas. Los sistemas de alimentación de combustible, eléctrico, presurización, hidráulico, etc. componen el grupo de sistemas funcionales. TecBlue Aviation TecBlue Aviation