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E S T R U C T U R A S P R I N C I P A L E S D E L A V I Ó N
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. 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
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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 aviones comerciales, de forma circular; quizás no sea la más aerodinámica pero si la más funcional para el transporte de pasajeros y carga. Este caso es el del moderno embraer 170, que puede albergar 70 pasajeros, 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 de 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
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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
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intervalos, una serie de armaduras verticales llamadas cuadernas, que dan forma y rigidez al tubo. 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.
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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. 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
- 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.
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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
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.
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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 Aviación general 2’5 – 4’5 1 – 1’ Aviones acrobáticos 5 – 6 3 Construcción amateur 6 3 Aviones ligeros (<<<<750 Kg) 3’8 1’
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.
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
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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 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
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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.
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.
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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)
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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.
- 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
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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.
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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.
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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).
