La Estructura del Avión – Aerodinámica

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 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.

Como conclusión podemos decir que en la construcción del fuselaje intervienen numerosos factores de diseño, aerodinámica, cargas estructurales y funciones de la aeronave.

Tipos de Construcción:
FUSELAJE RETICULAR O TUBULAR: Se fabrica a partir de tubos de acero soldados o de madera, 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 longitudinales que recorren gran parte del avión; y las diagonales, que dan rigidez torsional al conjunto largueros-cuadernas.

Esa estructura de tubos se cubre más tarde con tela, o en otras ocasiones con chapas metálicas o de madera, de tal forma que el fuselaje adquiere externamente una forma aerodinámica y uniforme. Particularmente este recubrimiento de tela no añade resistencia estructural sino que son las cuadernas, largueros y diagonales los que soportan todas las cargas en vuelo y tierra.

Baja resistencia estructural para los requerimientos de mayores velocidades, maniobras y capacidades de carga.

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.

FUSELAJE MONOCASCO: 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. 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 de gran espesor. A mayor espesor, mayor peso, y es que el fuselaje monocasco, aun siendo más resistente, es más pesado. Es de difícil reparación ante daños y el revestimiento está sometido a esfuerzos combinados de tensión.

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 de menor espesor. Las cuadernas se unen mediante largueros y larguerillos que recorren el avión longitudinalmente. Los largueros y larguerillos permiten el disminuir el espesor de la chapa de revestimiento. Todo esto forma una compleja malla de cuadernas, larguerillos, largueros y revestimiento, unida mediante pernos, tornillos, remaches y adhesivos.

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.

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.

MATERIALES COMPUESTOS: Se define a aquellos materiales conformados por una combinación de 2 o mas materiales distintos. El más clásico es la fibra de vidrio embebida en resina epoxi (matriz).

En general las fibras, sean estas de vidrio, carbono, kevlar, etc., solo soportan cargas de tracción.

La conformación de varias capas de estas fibras contenidas por resinas, logran materiales de gran resistencia a todo tipo de esfuerzos combinados y de muy bajo peso. Permiten también realizar componentes de una gran variedad de formas, no siendo posible esto con metales o maderas. Su utilización se está generalizando en varias partes de aeronaves de pasajeros y en la construcción íntegra de aeronaves de pequeño porte (planeadores). Otro material son las placas sándwich compuestas de dos láminas que envuelven un material de relleno, obteniéndose elementos de gran rigidez y bajo peso para recubrimientos y pisos.

HONEYCOMB es un panel composite de aluminio con núcleo nido de abeja, también de aluminio, de una gran calidad estética y una excelente relación rigidez-peso, así como una extraordinaria planitud y altas prestaciones mecánicas.

Cargas normales en servicio. Conocimientos elementales de diagrama de ráfaga y maniobra y velocidades limitativas

Los tres esfuerzos básicos son la tracción, compresión y esfuerzos cortantes. Y sus combinaciones son: flexión, torsión y esfuerzos de contacto.

Tipos de Cargas
•Cargas Aerodinámicas
•Cargas de Inercia
•Cargas del sistema de propulsión
•Cargas del tren de aterrizaje
•Cargas de aterrizaje

Las aeronaves son diseñadas contemplando todas las cargas a las cuales puede esta sometidas en condiciones de vuelo, incluyendo combustible, pasajeros, equipajes, equipamiento, además por cuestiones de seguridad, sobrecargas por maniobras, aterrizajes bruscos, ráfagas de viento, etc.

Estas normas FAR 23 y 25 de la Federal Aviation Administration (FAA) la cual, a través de los Códigos de Regulación Federal (CFR Titulo 14: Aeronautical and Space), establece las regulaciones, entre otras, a ser aplicadas para la certificación de aeronaves y partes.

Los Estándares de Aeronavegabilidad establecen las cargas, maniobras y ráfagas que debe soportar la aeronave para una operación segura. Se establecen distintos factores de carga, de acuerdo a la categoría de la aeronave, donde los componentes estructurales se comporten de manera elástica, sufran daño y sufran falla.

•Límite elástico: La estructura se deforma al aplicar una carga. En la descarga, la estructura toma su forma original. Está limitado a que esta deformación no afecte el normal funcionamiento de otro componente.
•Daño: La estructura se deforma al aplicar una carga. En la descarga, la estructura no vuelve a su forma original quedando con deformaciones permanentes.
•Falla: La estructura rompe a la aplicación de la carga.

FACTOR DE CARGA: También llamada fuerza o factor g (Gravedad), es una medida de multiplicación de los esfuerzos.
Ejemplo: a un g el peso de una persona es de 80 kg.
Si el factor de carga es de 2 o 2g el peso sería de 160 Kg.
Si un ala debe tener una fuerza de sustentación de 1000 kg. y se la debe diseñar a 6g, se tomará una carga de diseño de 6000 Kg.
Este factor es positivo (+6g) si las fuerzas actúan hacia arriba con respecto al eje longitudinal del avión, y negativo si la carga está aplicada hacia abajo.

Bibliografía

Facultad de Ingeniería UNLP