¿Cuáles son los tipos de aviones según su estructura y composición de materiales? (Types of aircraft construction)

La construcción de fuselajes de aeronaves evolucionó desde los primeros arreglos estructurales de armazón de madera hasta las estructuras de casco monocasco y las actuales estructuras de casco semimonocasco.

Estructura de Armazón - Truss Structure 

La principal desventaja de la estructura de armazón es su falta de forma aerodinámica. En este método de construcción, se sueldan longarinas, que son largos tubos, para formar un marco bien reforzado. 

Se sueldan montantes verticales y horizontales a las longarinas y le dan a la estructura una forma cuadrada o rectangular cuando se ve desde el extremo. 

Se necesitan montantes adicionales para resistir el estrés que puede venir de cualquier dirección. Se agregan largueros y tabiques, o antecubiertas, para dar forma al fuselaje y soportar el revestimiento.

A medida que la tecnología avanzaba, los diseñadores de aeronaves comenzaron a cerrar los miembros del armazón para hacer más aerodinámico el avión y mejorar el rendimiento. 

Originalmente, esto se lograba con tela, la cual eventualmente dio paso a metales ligeros como el aluminio. En algunos casos, la piel exterior puede soportar todos o la mayor parte de las cargas de vuelo. La mayoría de las aeronaves modernas utilizan una forma de esta estructura de piel estresada conocida como construcción monocasco o semimonocasco.

Monocasco - Monocoque 

La construcción monocasco utiliza la piel estresada para soportar casi todas las cargas, al igual que una lata de bebida de aluminio. Aunque muy resistente, la construcción monocasco no es muy tolerante a la deformación de la superficie. 

Por ejemplo, una lata de bebida de aluminio soporta fuerzas considerable en los extremos de la lata, pero si el lado de la lata se deforma ligeramente mientras soporta una carga, se colapsa fácilmente.

Debido a que la mayoría de los esfuerzos de torsión y flexión son llevados por la piel externa en lugar de por un armazón abierto, se eliminó o redujo la necesidad de refuerzo interno, lo que ahorra peso y maximiza el espacio. Uno de los métodos notables e innovadores para usar la construcción monocasco fue empleado por Jack Northrop. 

En 1918, ideó una nueva forma de construir un fuselaje monocasco utilizado para el Lockheed S-1 Racer. La técnica utilizaba dos semicarcasas moldeadas de contrachapado que se pegaban alrededor de aros o largueros de madera. 

Para construir las semicarcasas, en lugar de pegar muchas tiras de contrachapado sobre una forma, se empapaban tres grandes conjuntos de tiras de abeto con pegamento y se colocan en un molde de hormigón semicircular que parecía una bañera. 

Luego, bajo una tapa fuertemente sujeta, se inflaba un globo de goma en la cavidad para presionar el contrachapado contra el molde. Veinticuatro horas después, la semicarcasa lisa estaba lista para unirse a otra para crear el fuselaje. 

Las dos mitades tenían menos de un cuarto de pulgada de grosor cada una. Aunque empleada en el período inicial de la aviación, la construcción monocasco no volvería a emerger durante varias décadas debido a las complejidades involucradas. 

Ejemplos cotidianos de construcción monocasco se pueden encontrar en la fabricación de automóviles, donde la carrocería monocasco se considera estándar en la fabricación.

Construcción de Materiales Compuestos - Composite Construction 

Historia

El uso de compuestos en la construcción de aeronaves se remonta a las aeronaves de la Segunda Guerra Mundial cuando se usaba aislamiento de fibra de vidrio en los fuselajes de los B-29. A fines de la década de 1950, los fabricantes europeos de planeadores de alto rendimiento estaban utilizando fibra de vidrio como estructuras primarias. 

En 1965, la FAA certificó el primer avión completamente de fibra de vidrio en la categoría normal, un planeador suizo llamado Diamant HBV. Cuatro años después, la FAA certificó un monomotor de cuatro plazas, el Windecker Eagle, también en la categoría normal. Para 2005, más del 35 por ciento de las nuevas aeronaves estaban construidas con materiales compuestos.

Compuesto es un término amplio y puede significar materiales como fibra de vidrio, tela de fibra de carbono, tela de Kevlar™ y mezclas de todos los anteriores. La construcción de compuestos ofrece dos ventajas: superficies extremadamente lisas y la capacidad de formar fácilmente estructuras curvas o aerodinámicas complejas.

Materiales Compuestos en Aeronaves - Composite Materials in Aircraft 

Los materiales compuestos son sistemas de matriz reforzada con fibra. La matriz es el "pegamento" utilizado para mantener unidas las fibras y, cuando se cura, le da a la pieza su forma, pero las fibras llevan la mayor parte de la carga. Hay muchos tipos diferentes de fibras y sistemas de matriz.

En aeronaves, la matriz más común es la resina epoxi, que es un tipo de plástico termoestable. En comparación con otras opciones como la resina de poliéster, el epoxi es más resistente y tiene buenas propiedades a altas temperaturas. 

Hay muchos tipos diferentes de epoxis disponibles con una amplia gama de propiedades estructurales, tiempos y temperaturas de curado, y costos.

Las fibras de refuerzo más comunes utilizadas en la construcción de aeronaves son fibra de vidrio y fibra de carbono. La fibra de vidrio tiene buena resistencia a la tracción y compresión, buena resistencia al impacto, es fácil de trabajar y es relativamente económica y fácilmente disponible. 

Su principal desventaja es que es algo pesada, y es difícil hacer una estructura de carga de fibra de vidrio más ligera que una estructura de aluminio equivalente bien diseñada.

La fibra de carbono es generalmente más resistente en tensión y compresión que la fibra de vidrio y tiene una rigidez a la flexión mucho mayor. También es considerablemente más ligera que la fibra de vidrio. 

Sin embargo, es relativamente pobre en resistencia al impacto; las fibras son frágiles y tienden a desmoronarse bajo un impacto brusco. Esto puede mejorar considerablemente con un sistema de resina epoxi "reforzado", como se utiliza en los estabilizadores horizontales y verticales del Boeing 787. 

La fibra de carbono es más cara que la fibra de vidrio, pero el precio ha disminuido debido a las innovaciones impulsadas por el programa B-2 en la década de 1980 y el trabajo del Boeing 777 en la década de 1990. 

Las estructuras de fibra de carbono muy bien diseñadas pueden ser significativamente más ligeras que una estructura de aluminio equivalente, a veces en un 30 por ciento o más.

Ventajas de los Materiales Compuestos - Advantages of Composites 

La construcción de compuestos ofrece varias ventajas sobre metal, madera o tela, siendo su peso más ligero el más citado con frecuencia. Sin embargo, el peso más ligero no siempre es automático. 

Debe recordarse que construir una estructura de aeronave con compuestos no garantiza que sea más ligera; depende de la estructura, así como del tipo de compuesto que se esté utilizando.

Una ventaja más importante es que una estructura aerodinámica muy suave, de curvas compuestas, reduce la resistencia. Esta es la razón principal por la que los diseñadores de planeadores cambiaron de metal y madera a compuestos en la década de 1960. 

En aeronaves, el uso de compuestos reduce la resistencia para la línea de producción de aeronaves Cirrus y Columbia, lo que lleva a su alto rendimiento a pesar de su tren de aterrizaje fijo. 

Los compuestos también ayudan a ocultar la firma de radar de los diseños de aeronaves "stealth", como el B-2 y el F-22. Hoy en día, los compuestos se pueden encontrar en aeronaves tan variadas como planeadores hasta la mayoría de los nuevos helicópteros.

La falta de corrosión es otra ventaja de los compuestos. Boeing está diseñando el 787, con su fuselaje completamente compuesto, para tener tanto una mayor diferencia de presión como una mayor humedad en la cabina que los aviones anteriores. 

Los ingenieros ya no están tan preocupados por la corrosión causada por la condensación de la humedad en las áreas ocultas de las pieles del fuselaje, como detrás de las mantas de aislamiento. Esto debería llevar a costos de mantenimiento a largo plazo más bajos para las aerolíneas.

Otra ventaja de los compuestos es su buen rendimiento en un entorno de flexión, como en las palas del rotor de helicóptero. Los compuestos no sufren de fatiga del metal y el crecimiento de grietas como lo hacen los metales. 

Si bien se necesita una ingeniería cuidadosa, las palas del rotor de compuesto pueden tener vidas útiles considerablemente más altas que las palas de metal, y la mayoría de los nuevos diseños de helicópteros grandes tienen palas totalmente compuestas, y en muchos casos, bujes de rotor compuestos.

Desventajas de los Materiales Compuestos - Disadvantages of Composites 

La construcción de compuestos tiene su propio conjunto de desventajas, siendo la más importante la falta de prueba visual de daño. Los compuestos responden de manera diferente a otros materiales estructurales al impacto, y a menudo no hay signos evidentes de daño. 

Por ejemplo, si un automóvil retrocede contra un fuselaje de aluminio, podría abollar el fuselaje. Si el fuselaje no está abollado, no hay daño. Si el fuselaje está abollado, el daño es visible y se realizan reparaciones.

En una estructura compuesta, un impacto de baja energía, como un golpe o una caída de herramienta, puede no dejar ningún signo visible del impacto en la superficie. Debajo del sitio del impacto puede haber deslaminaciones extensas, que se extienden en un área en forma de cono desde la ubicación del impacto. 

El daño en el lado opuesto de la estructura puede ser significativo y extenso, pero puede estar oculto a simple vista. Siempre que se tenga razón para pensar que puede haber habido un impacto, incluso uno menor, es mejor que un inspector familiarizado con los compuestos examine la estructura para determinar el daño subyacente. 

La aparición de áreas "blanquecinas" en una estructura de fibra de vidrio es una buena señal de que se ha producido deslaminaciones o fracturas de fibra.

Un impacto de energía media (quizás el automóvil que retrocede contra la estructura) resulta en la trituración local de la superficie, que debería ser visible a simple vista. El área dañada es más grande que el área aplastada visible y deberá repararse. 

Un impacto de alta energía, como un golpe de pájaro o granizo en vuelo, resulta en una perforación y una estructura gravemente dañada. En impactos de energía media y alta, el daño es visible a simple vista, pero es difícil detectar el impacto de baja energía.

Si un impacto resulta en deslaminaciones, trituración de la superficie o una perforación, entonces una reparación es obligatoria. Mientras se espera la reparación, el área dañada debe estar cubierta y protegida de la lluvia. 

Muchas partes compuestas están compuestas por pieles delgadas sobre un núcleo de panal, creando una estructura "sándwich". Si bien esto es excelente por razones de rigidez estructural, dicha estructura es un blanco fácil para la entrada de agua, lo que lleva a problemas posteriores. 

Un trozo de "cinta de velocidad" sobre la perforación es una buena manera de protegerla del agua, pero no es una reparación estructural. El uso de un relleno de pasta para cubrir el daño, aunque es aceptable por motivos estéticos, tampoco es una reparación estructural.

El potencial de daño por calor a la resina es otra desventaja del uso de compuestos. Si bien "demasiado caliente" depende del sistema de resina particular elegido, muchos epoxis comienzan a debilitarse por encima de los 150 °F. La pintura blanca en los compuestos se usa a menudo para minimizar este problema. 

Por ejemplo, el fondo de un ala pintada de negro frente a una rampa de asfalto negro en un día soleado y caluroso puede alcanzar los 220 °F. La misma estructura, pintada de blanco, rara vez supera los 140 °F. Como resultado, los aviones compuestos a menudo tienen recomendaciones específicas sobre los colores de pintura permitidos. 

Si la aeronave se repinta, estas recomendaciones deben seguirse. El daño por calor también puede ocurrir debido a un incendio. Incluso un pequeño incendio de frenos extinguido rápidamente puede dañar las pieles inferiores del ala, las patas del tren de aterrizaje compuesto o los carenados de las ruedas.

Además, los decapantes químicos de pintura son muy dañinos para los compuestos y no deben usarse en ellos. Si es necesario quitar la pintura de los compuestos, solo se permiten métodos mecánicos, como el granallado suave o el lijado. Muchas partes compuestas costosas han sido arruinadas por el uso de decapantes de pintura y tales daños generalmente no son reparables.

Derrames de Líquidos en Materiaes Compuestos - Fluid Spills on Composites 

Algunos propietarios están preocupados por los derrames de combustible, aceite o líquido hidráulico en superficies compuestas. Estos generalmente no son un problema con los compuestos modernos que utilizan resina epoxi. Por lo general, si el derrame no ataca la pintura, no dañará el compuesto subyacente. 

Algunas aeronaves utilizan tanques de combustible de fibra de vidrio, por ejemplo, en los que el combustible viaja directamente contra la superficie compuesta sin usar sellador. Si la estructura de fibra de vidrio está hecha con algunos de los tipos más baratos de resina de poliéster, puede haber un problema al usar gasolina con etanol mezclado en la mezcla. 

Los tipos más caros de resina de poliéster, así como la resina epoxi, se pueden usar con gasolina, así como con gasolina de aviación de 100 octanos (avgas) y combustible para aviones a reacción.

Protección contra Impactos de Rayos - Lightning Strike Protection 

La protección contra impactos de rayos es una consideración importante en el diseño de aeronaves. Cuando una aeronave es golpeada por un rayo, se entrega una cantidad muy grande de energía a la estructura. 

Ya sea que vuele una aeronave de aviación general ligera o un gran avión de pasajeros, el principio básico de protección contra impactos de rayos es el mismo. Para cualquier tamaño de aeronave, la energía del impacto debe distribuirse sobre una gran superficie para reducir los amperios por pulgada cuadrada a un nivel inofensivo.

Si un rayo golpea un avión de aluminio, la energía eléctrica se conduce fácilmente a través de la estructura de aluminio. El desafío es mantener la energía fuera de los aviónicos, sistemas de combustible, etc., hasta que pueda conducirse de manera segura hacia fuera. La piel externa de la aeronave es el camino de menor resistencia.

En una aeronave compuesta, la fibra de vidrio es un excelente aislante eléctrico, mientras que la fibra de carbono conduce electricidad, pero no tan fácilmente como el aluminio. Por lo tanto, se debe agregar conductividad eléctrica adicional a la capa externa de la piel compuesta. Esto se hace típicamente con mallas metálicas finas adheridas a las superficies de la piel. 

La malla de aluminio y cobre son los dos tipos más comunes, con aluminio utilizado en fibra de vidrio y cobre en fibra de carbono. Cualquier reparación estructural en áreas protegidas contra impactos de rayos también debe incluir la malla, así como la estructura subyacente.

Para aeronaves compuestas con antenas de radio internas, deben haber "ventanas" en la malla de impacto de rayos en el área de la antena. Las antenas de radio internas pueden encontrarse en compuestos de fibra de vidrio porque la fibra de vidrio es transparente a las frecuencias de radio, donde la fibra de carbono no lo es.

El Futuro de los Materiales Compuestos - The Future of Composites 

En las décadas desde la Segunda Guerra Mundial, los compuestos han ganado un papel importante en el diseño de estructuras de aeronaves. Su flexibilidad de diseño y resistencia a la corrosión, así como las altas relaciones resistencia-peso posibles, sin duda seguirán conduciendo a diseños de aeronaves más innovadores en el futuro. 

Desde el Cirrus SR-20 hasta el Boeing 787, es evidente que los compuestos han encontrado un lugar en la construcción de aeronaves y están aquí para quedarse.

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B

Fuente: Esta imagen es tomada del manual Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, FAA-H-8083-25B