Módulo 8 ANATOMÍA DEL AVIÓN

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ÍNDICE MÓDULO 8:

1. Constitución general de los aviones 2. Cargas en elementos estructurales 3. Cargas que actúan sobre una aeronave 4. Elementos estructurales básicos 5. Estructuras aeronáuticas 6. Materiales 7. Pesos operacionales 8. Diagrama Carga de Pago - Alcance

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1. CONSTITUCIÓN GENERAL DE LOS AVIONES:

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1.1Dimensiones generales

b=envergadura

l=longitud

bLG =vía

l1 =batalla

bH =envergadura de cola

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Dimensiones de algunas aeronaves comerciales:

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1.2 Superficies de control

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Superficies de control primarias:

•Timón de profundidad (control de cabeceo)

•Timón de dirección (control direccional)

•Alerones y spoilers con deflexión asimétrica (control de alabeo)

Superficies de control secundarias:

•Dispositivos hipersustentadores de borde de ataque

•Dispositivos hipersustentadores de borde de salida

•Spoilers con deflexión simétrica (aerofrenos)

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Esquema genérico de un sistema de control de cabeceo:

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Estabilizador vertical y timón de dirección (Control direccional)

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Alerones y spoilers (Control de alabeo):

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1.3 Sistemas de control de vuelo

Sistemas reversibles : *Existe la posiblidad de control manual en caso de avería o mal funcionameinto del sistema motorizado

•Actuación mecánica pura: el piloto mueve las superficies de control directamente, a través de elementos mecánicos (varillas, cables, poleas)

•Actuación mecánica asistida: el piloto hace parte de la fuerza, moviendo las superficies de control a través de elementos mecánicos y en paralelo con un sistema hidráulico de refuerzo.

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1.3 Sistemas de control de vuelo (II) Sistemas irreversibles : *No está prevista la facultad de control manual. Alta redundancia

•Sistemas hidráulicos controlados mecánicamente •Sistemas hidráulicos controlados eléctricamente •Sistemas de control por cable “fly-by-wire”

-existe un conjunto de ordenadores situados entre la señal eléctrica de mano que hace el piloto y las superficies de control

-el sistema actúa finalmente por medios hidráulicos

Elementos de un sistema hidráulico básico Esquema de un sistema de control “fly-by-wire”

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1.4 Ala Ala arriostrada: • Tienen una estructura de soporte externo, de cables o tirantes (montantes) que unen el ala con el fuselaje •Suele emplearse en aviones pequeños y características de vuelo moderadas •El ensamblaje exterior supone mayor resistencia aerodinámica

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Ala en “cantílever” o en voladizo: • El entramado estructural es interno • En el exterior del ala no se presentan elementos que perturban el flujo del aire

Ventajas: •Movilidad de vehículos alrededor del avión •Evita problemas de distancia entre los motores y el suelo •Ideal para aviones carguero •Beneficioso para aeronaves (STOL): efecto suelo disminuye •Ventajas aerodinámicas en el extradós Desventajas: •Problemas para la sujección con el fuselaje •Tren de aterrizaje muy largo o en el fuselaje

Antonov 225

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Ventajas: •Minimiza la resistencia por interferencia ala-fuselaje •Muy utilizado en aviones caza (permite albergar armamento en la intersección ala-fuselaje) Desventajas: •Es una mala solución para albergar carga de pago en el fuselaje

Ala en “cantílever” o en voladizo (II):

Hornet

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Ventajas: •Mejora el aprovechamiento de la cabina •Se puede alojar el tren en la unión ala-fuselaje •Se podría usar el ala para evacuación para accidentes •Los fuselajes largos no dan problemas de rotación en el despegue (fuselaje más lejos del suelo) •Aumenta el efecto suelo •Es la configuración más usada en aviación civil

Ala en “cantílever” o en voladizo (III):

Desventajas: Aumenta la posibilidad de que se dañe el ala ante balanceos

A330

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1.5 Fuselaje:

Función •Cuerpo del avión •Alojar tripulación, carga y gran parte de los sistemas y mecanismos de control del avión •Parte principal de anclaje del avión: resto de elementos unidos a él (directa o indirectamente).

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Forma •Esbeltez: solución de compromiso (valores típicos 8-12) -Esbelteces altas: problemas estructurales de flexión, mejora aerodinámica -Esbelteces pequeñas: aumenta la resistencia aerodinámica, mayor volumen para alojar carga de pago

f

f

al

versaltica transcaracterís longitudfuselaje del longitudEsbeltez ==

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•Sección transversal:

-Avión presurizado: circular -Avión no presurizado: no necesariamente circular.

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Sección transversal del fuselaje: B777-200. Airport Planning

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Sección transversal del fuselaje: B747-400. Airport Planning

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Configuración interior de la cabina de pasajeros del B747-400. Airport Planning

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1.6 Tren de aterrizaje: a) Tren de aterrizaje triciclo convencional:

25 “Bogie” del tren principal del B777 Tipologías de trenes de aterrizaje

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b) Tren de aterrizaje de patín de cola:

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2. CARGAS EN ELEMENTOS ESTRUCTURALES

3.1 Tipos básicos de cargas:

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TRACCIÓN:

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COMPRESIÓN:

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ESFUERZOS TANGENCIALES:

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CURVA TENSIÓN DEFORMACIÓN EN UN METAL:

• Límite elástico: valor de la tensión a la que tiene lugar una deformación remanente del x% • Esfuerzo de rotura: Es el máximo esfuerzo alcanzado en la curva tensión-deformación.

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FLEXIÓN:

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TORSIÓN:

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2.2 Termofluencia: • Deformación de un material, dependiente del tiempo, cuando ha sido sometido a carga constante y temperatura elevada.

•Adquiere especial importancia en metales y aleaciones que trabajan a elevadas temperaturas (álabes turbina de gas)

•En general, la deformación por termofluencia ocurre a temperaturas: 40% temperatura de fusión para metales 50% temperatura de fusión para materiales cerámicos

•Esfuerzos y temperaturas elevadas aumentan la velocidad de deformación.

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Curva típica de termofluencia de un metal:

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2.3 Fatiga: •Se define como el progresivo deterioro de un material durante el servicio por la acción repetitiva o cíclica de una carga

•En este caso la rotura puede ocurrir con esfuerzos muy inferiores al límite de rotura

•Es un fenómeno dinámico que empieza con pequeñas (micro)grietas en el material, de forma que estas grietas se hacen cada vez mayores (macro)grietas, y si no se detectan pueden dar lugar a un fallo catastrófico.

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Curva de fatiga:

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El daño por fatiga puede producirse de varias formas:

• Fatiga cíclica: se debe a cargas fluctuantes, de forma que su intensidad varía de forma cíclica

•Fatiga por corrosión: se trata del fenómeno de fatiga acelerado por la corrosión del material (la corrosión penetra hacia dentro y la resistencia del material se deteriora)

•Fatiga térmica: causada por fluctuaciones de esfuerzos inducidos por expansiones y contracciones térmicas.

•Fatiga acústica: fluctuaciones de esfuerzos de alta frecuencia, debidas a vibraciones excitadas por ruido de reactores o hélices.

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2.4 Pandeo:

•Es un fenómeno que puede aparecer cuando se comprime una estructura esbelta mediante dos fuerzas axiales aplicadas en sus extremos.

•Bajo el efecto de estas dos fuerzas, y siempre que sean lo suficientemente elevadas, la estructuras se hace inestable y se curva, con lo que la dirección de las fuerzas aplicadas deja de coincidir con el eje de la pieza.

•Si la fuerza P de compresión está por debajo de cierto valor, llamado carga crítica de pandeo, la pieza no romperá, ya que ésta resiste bien la deformación.

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2..LIEPcritπ

=

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3. CARGAS QUE ACTÚAN SOBRE LA AERONAVE

Aerodinámicas: • De maniobra •Por ráfagas de aire •Debidas al desplazamiento de las superficies de control •Flameo •… De inercia: • De aceleración • Vibraciones

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Debidas al grupo motopropulsor: • Debidas al empuje o tracción del motor • Del par motor • De vibración En el aterrizaje: • Carga vertical de aterrizaje • De frenada Otros factores: • Durante el rodaje: irregularidades en la pista •De presurización • Colisión con aves •Impacto contra el terreno •….

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Filosofías “Fail Safe” y “Safe Life”:

“Safe Life”

• La estructura se diseña para tener una vida mínima durante la cual se sabe que no va a haber un daño catastrófico.

•Ej: tren de aterrizaje, uniones en el encastre ala-fuselaje….

“Fail safe”

•Se basa en el hecho de que el fallo de una estructura redundante no lleve al colapso de la estructura completa.

•El resto de miembros de la estructura deberán poder soportar la carga que deja el componente que ha fallado y se deberán poder soportar las cargas repetitivas hasta que se descubra el fallo del componente dañado.

•Ej: revestimiento del fuselaje y del ala

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4. ELEMENTOS ESTRUCTURALES BÁSICOS

Tirantes: • Elementos de longitud mucho mayor que las otras dos dimensiones •Diseñados para soportar únicamente esfuerzos de tracción. •No tienen porqué ser rígidos •La característica más importante es el área de su sección. Columnas: • Diseñadas para soportar esfuerzos de compresión. • Se tiene en cuenta tanto el área de la sección recta como su forma, a fin de evitar pandeo • La longitud también es importante

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Vigas: • Se diseñan para soportar básicamente flexión •La mayor parte de los elementos que forman la estructura del ala y del fuselaje son vigas. Placas o paneles: •Elementos ideales para distribuir esfuerzos cortantes * En una estructura, sus componentes trabajan de forma que son una combinación de los cuatro anteriores.

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5. ESTRUCTURAS AERONÁUTICAS

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Tipos de construcción del fuselaje

A)RETICULAR Sistema Pratt

Sistema Warren

5.1 Fuselaje:

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B) MONOCASCO •Legado de la industria naval

•Tubo dentro del cual se disponen a intervalos cuadernas (dan forma y reparten las cargas)

•Interior diáfano

•Revestimiento metálico resistente (soporta cargas y transmite esfuerzos)

•Espesor de la chapa considerable: estructura pesada

•Parte superior e inferior: chapa de Al -se dobla en los extremos para dar rigidez longitudinal -unidas a las cuadernas mediante remaches -partes que trabajan a compresión: mayor espesor (evitar pandeo)

•Cualquier deformación superficial o grieta deberá ser reparada para no perder integridad estructural

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Ventajas estructura monocasco

•Formas aerodinámicas suaves

•Interior diáfano y espacioso

Desventajas estructura monocasco

•Incapacidad para soportar deformaciones superficiales y grietas

•Elevado peso

Aplicación actual

•Misiles

•Componentes estructurales de pequeña longitud (p.e.: parte trasera del fuselaje de pequeños aviones)

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C) SEMIMONOCASCO • Técnica estándar actual • Recubrimiento resistente + elementos estructurales que absorben esfuerzos: menor espesor de chapa • Cuadernas: -forma y rigidez transversal del fuselaje -secciones transversales: U, J, Z ó V (mayor inercia y rigidez) -reparten cargas internas y externas uniformemente *cuadernas maestras: mayor resistencia estructural, sección transversal mayor (p.ej: unión fuselaje-cajón central) • Largueros y larguerillos:

-elementos longitudinales -sección transversal: U, J, Z ó V (mayor rigidez a flexión, evita

pandeo de la chapa) -soportan cargas de flexión que actúan sobre el fuselaje

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•Chapa de revestimiento: - se remacha a los elementos anteriores. - forma aerodinámica - cargas de cortadura y torsión sobre el fuselaje (provocan esfuerzos tangenciales) - esfuerzos normales debidos a flexión (en colaboración con larguerillos) - en cabinas presurizadas: diferencia de presión exterior-interior (provoca esfuerzos de tracción)

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5.2 Ala: Fuerzas que actúan sobre el ala Aerodinámicas: •En vuelo: diferencias de presión extradós-intradós → Distribución sustentación •Resistencia aerodinámica Másicas o gravitatorias: •Peso de la propia estructura del ala •Peso del combustible •Peso de los motores * En maniobras bruscas: factores de carga n>1 !! Fuerzas propulsivas: •Producidas por el motor para propulsar el avión *Pylon: soporte del motor al ala

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Del análisis de las cargas que actúan sobre un avión se ve que el ala está sometida a: •Flexión -distribución de sustentación → flexión → extradós (compresión), intradós (tracción) -pesos → momento flector de signo contrario → beneficioso si están alejados del encastre. •Cortadura -distribución de sustentación -distribución de peso •Torsión -momento de picado debido a las fuerzas aerodinámicas y al peso de los motores (situados por delante del ala)

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Tipos de construcción de alas A) TÉCNICA TIPO PRATT: •Sobre los largueros se colocaban las costillas •Se unían unas costillas con otras mediante cuerdas o cables •Se recubría toda la estructura con tela (función aerodinámica exclusivamente)

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•Largueros de madera:

•Biplanos: -menor carga alar -mayor resistencia aerodinámica

Polikarpov I15 “Chato”

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B) TÉCNICA TIPO SEMIMONOCASCO

•Costillas: -forma y rigidez transversal -reparten la carga aplicada *agujeros: aligeran el peso, permiten pasar conductos, evitan el pandeo en el plano de la costilla.

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•Largueros: -Cortadura -Flexión (junto con larguerillos) -Torsión (junto con revestimiento metálico) *Puede haber más de 2 (alas multilargueras) en caso de aviones diseñados para soportar altos factores de carga y/o supersónicos.

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•Largueros: En ocasiones los largueros pueden tener estructura reticular: cordones+montantes verticales y diagonales+chapa de revestimiento

A veces se mecanizan de forma conjunta costillas y largueros.

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•Larguerillos:

A veces se mecanizan de forma conjunta los larguerillos y las chapas de revestimiento (fresado químico):

•Cajón del ala: -libera al fuselaje de soportar los momentos flectores del ala -se utiliza en aviación comercial

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Formeros: -se utilizan en aviación militar -son prolongaciones de los largueros del ala -liberan al fuselaje de las fuerzas de flexión que genera la sustentación del ala.

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5.3 Superficies de control del ala: Algunos componentes estructurales secundarios del ala (spoilers, alerones…) están fabricados con la técnica “sandwich”: •Láminas: aluminio, fibra de vidrio o de carbono… -soportan carga de flexión en vuelo (tracción y compresión) •Núcleo: panal de abeja, con celdillas de Al o resinas fenólicas… -soporta los esfuerzos de cortadura y cargas de compresión

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6. MATERIALES 6.1 Acero: •Aleación de C (hasta un 2%) y Fe •Aleaciones con alto contenido de C inaplicables en la industria aeronáutica (frágiles y quebradizas) •En aplicaciones aeronáuticas (0,5%C), buenas propiedades mecánicas, de resistencia, de tenacidad y dureza. •1914: Primeras aeronaves recubiertas de acero ( H. Junkers, Aachen). •En retirada (≈15% estructura), para zonas que requieren mayor resistencia:

-Encastre ala-fuselaje -Sujeción nacelle-ala -Tren de aterrizaje -Raíles de los flaps

•Acero inoxidable (lleva Cr): buenas propiedades frente a corrosión •Mayor peso específico •Menor precio (sexta parte de las aleaciones de aluminio)

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6.2 Aleaciones de Aluminio:

•2XXX (Cu), 3XXX (Mn), 5XXX (Mg), 7XXX (Zn). •Aleación 2024 (93,5% Al, 4,4% Cu, 1,5% Mn, 0,10% Mg) Duraluminium •Aleación 7075 •B747 (80% aleaciones de Al) •Aluminio puro: alta resistencia a la corrosión (alúmina) •Tratamientos térmicos: estructuras internas con mejores características de resistencia mecánica.

-Bonificado (tratamiento de solubilidad 430º-550ª+enfriamiento rápido: temple de disolución)

•Peso específico bajo •Alta resistencia mecánica •Fácil de mecanizar •Precio razonable

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6.3 Aleaciones de Titanio: •Mejor comportamiento resistencia/peso que el Al. •Mantiene su resistencia a T mayores •Imprescindible en aviones que vuelan a M>2,4 (altas T, calentamiento aerodinámico)

•Díficil de mecanizar

•Mayor precio (de 5 a 10 veces +que el Al, la mayoría procedente de Rusia)

Lockheed YF12

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6.4 Materiales compuestos : •Matriz: resina (epoxy, poliéster) •Fibra de alta resistencia mecánica: de vidrio, de carbono, de cuarzo, kevlar… •Orientación de las fibras: 90º, 45º,30º… •Materiales frágiles: baja resistencia a los impactos y choques. (Delaminación) •Procedimientos de reparación más complicados •Resistencia mecánica 3 veces mayor que las aleaciones de Al. •25% más ligeros que aleaciones de Al.

Fibra Módulo de Elasticidad (kg/mm2) Peso específico (g/cm3)

Boro 24.558 2,05

Carbono 21.093 1,60

Kevlar 49 7.038 1,38

Vidrio 1.386 1,57

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B 787 Dreamliner

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7. PESOS OPERACIONALES

CARGA DE PAGO (PL=Payload): • La carga de pago de un avión de transporte está generalmente compuesta por los pasajeros más sus equipajes y las mercancías que se transporten a bordo de las bodegas. •Cada avión es capaz de llevar un valor máximo de carga de pago (MPL= Maximum payload) PESO DE COMBUSTIBLE (FW=Fuel Weight) Este peso se calcula como la suma de los siguientes: •TF=Trip Fuel: peso de combustible que consumen los motores durante el viaje •RF=Reserve Fuel: reservas de combustible necesarias para hacer frente a distintas contingencias *El peso del combustible tiene un límite dado por la máxima capacidad de los depósitos del avión: MFW=Maximum Fuel Weight

7.1 Definiciones de pesos operacionales:

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Servicios del avión y equipos: -APU (Auxiliary Power Unit) -Sistema hidráulico, eléctrico y electrónico -Mobiliario -Aire acondicionado -Sistema anti-hielo -Equipo de salvamento -… Elementos operacionales: -Tripulación técnica y auxiliar -Mayordomía (comida, bebida, duty-free,…) -Repuestos del avión transportados a bordo -…

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BEW=Basic Empty Weight (Peso vacío básico), incluye el peso de: -Estructura -Grupo propulsor -Servicios del avión y equipo OEW=Operational Empty Weight (Peso vacío operativo), incluye el peso de: -BEW -Elementos operacionales ZFW=Zero Fuel Weight (Peso sin combustible), incluye el peso de: -OEW -PL

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TOW=Take Off Weight (Peso en despegue), incluye el peso de: -ZFW -RF -TF RW=Ramp Weight (Peso en rampa), incluye el peso de: -TOW -Pre Take Off Fuel (peso de combustible consumido en rodaje y acondicionamiento de cabina) LW=Landing Weight (Peso en aterrizaje), incluye el peso de: -ZFW -RF

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7.2 Diagrama carga-alcance:

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7.3 Diagrama carga de pago-alcance:

Diagrama “Carga de pago-Alcance” del A380, extraído del “Airport Planning” de la aeronave.

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7.4 Limitaciones estructurales: MRW=Maximum Ramp Weight (Peso máximo en rampa): • Resistencia del tren para soportar el peso del avión durante las maniobras en tierra (con o sin remolque)

MTOW=Maximum Take Off Weight (Peso máximo en despegue): • Características del tren de aterrizaje • Diagrama de maniobras específico del avión MLW=Maximum Landing Weight (Peso máximo de aterrizaje): • Capacidad del tren de aterrizaje para absorber energía MZFW=Maximum Zero Fuel Weight (Peso máximo sin combustible): •Momento flexor máximo que puede soportar el encastre ala-fuselaje