Introducción
Una aeronave es toda máquina que puede sustentarse en la atmósfera por aquellas reacciones del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra.
Sustentación y Aerodinámica Básica
Con el fin de comprender el funcionamiento de los principales componentes y subcomponentes de una aeronave, es importante entender los conceptos básicos de aerodinámica. Este capítulo introduce a la aerodinámica. Una explicación más detallada se puede encontrar en el capítulo 4, Aerodinámica del vuelo.
Cuatro fuerzas actúan sobre una aeronave en vuelo recto y nivelado, no acelerado.
Estas fuerzas son de empuje, sustentación, peso y resistencia. [Figura 2-1]
El empuje es la fuerza de avance producido por el grupo motor/hélice. Iguala o supera la fuerza de resistencia. Como regla general, se dice que actúa en paralelo al eje longitudinal. Esto no siempre es así como se explica más adelante.
Resistencia es una fuerza hacia atrás, que retarda, y es causada por la interrupción del flujo de aire por las alas, fuselaje, y otros objetos que sobresalgan. La resistencia se opone al empuje y actúa hacia atrás, paralela al viento relativo.
El peso es la suma de cargas del propio avión, la tripulación, el combustible y el equipaje. El peso tira del aeroplano hacia abajo debido a la fuerza de la gravedad. Se opone a la sustentación, y actúa verticalmente hacia abajo a través del centro de gravedad (CG) del avión.
La sustentación se opone a la fuerza del peso, se produce por el efecto dinámico del aire pasando sobre el ala, y actúa en forma perpendicular a la trayectoria de vuelo a través del centro de sustentación del ala.
Un avión se mueve en tres dimensiones y se controla moviéndolo de uno o más de sus ejes. El eje longitudinal o de alabeo se extiende desde la nariz hasta la cola, con la recta pasando por el centro de gravedad. El eje lateral o de cabeceo se extiende a través del avión en una línea desde las puntas de las alas, pasando otra vez por el CG. El eje vertical o de dirección, pasa a través de la aeronave verticalmente, por la intersección del CG. Todos los movimientos de control producen el movimiento de la aeronave en uno o más de estos ejes, y permite el control del avión en vuelo. [Figura 2-2]
Uno de los componentes más significativos en la construcción aeronáutica es el CG. Es el punto específico en el que la masa o peso de la aeronave se concentra, es decir, un punto alrededor del cual, si la aeronave puede ser suspendido o equilibrada, el avión se mantendría relativamente a nivel. La posición del CG de una aeronave determina la estabilidad de la aeronave en vuelo. A medida que el CG se mueve hacia atrás (hacia la cola) el avión se vuelve más y más dinámicamente inestable. En los aviones con tanques de combustible situados delante del CG, es importante que el centro de gravedad se determine con el tanque de combustible vacío. De lo contrario, al utilizar el combustible, el avión se vuelve inestable.
[Figura 2-3] El CG se calcula durante el diseño inicial y la construcción, y se ve afectada por la instalación de equipos de a bordo, la carga de los aviones, y otros factores.
Componentes principales
Aunque los aviones están diseñados para una variedad de propósitos, la mayoría de los componentes principales son los mismos. [Figura 2-4] Las características generales son en gran parte determinadas por los objetivos del diseño original.
Entre las estructuras de avión se incluyen fuselaje, alas, empenaje, tren de aterrizaje y grupo.
Fuselaje
El fuselaje es el cuerpo central de un avión y está diseñado para dar cabida a la tripulación, pasajeros y carga.
También proporciona la conexión estructural de las alas y el empenaje de cola. Los tipos de diseño más antiguos utilizan una estructura reticular (o tubular) construida de madera, acero o aluminio. [Figura 2-5] Los tipos de estructuras de fuselaje utilizado en los aviones de hoy son el monocasco y semimonocasco.
Estos tipos de estructura se discuten en mayor detalle más adelante en este capítulo.
Alas
Las alas son perfiles aerodinámicos unidos a cada lado del fuselaje y son las principales superficies sustentadoras que mantienen al avión en vuelo.
Existen numerosos diseños de alas, tamaños y formas utilizadas por los distintos fabricantes. Cada uno responde a una necesidad determinada por el desempeño esperado para un avión en particular.
Cómo produce sustentación el ala se explica en el capítulo 4, aerodinámica del vuelo.
Las alas pueden estar unidas en la parte superior, media, o inferior del fuselaje. Estos diseños son conocidos como de ala alta, media, y baja, respectivamente. El número de las alas también puede variar. Aviones con un solo conjunto de alas se conocen como monoplanos, mientras que con dos conjuntos se llaman biplanos. [Figura 2-6]
Muchos aviones de ala alta tienen soportes externos, o montantes, que transmiten las cargas de vuelo y aterrizaje a través de los montantes a la estructura del fuselaje principal. Este tipo de estructura de las alas se llama arriostrada. Pocos aviones de ala alta y la mayoría de ala baja tienen un ala cantiléver diseñada para soportar las cargas sin soportes externos.
Las principales partes estructurales del ala son largueros, costillas y larguerillos. [Figura 2-7] Estos son reforzados por armazones, vigas en I, tubos u otros dispositivos, incluyendo el recubrimiento. Las costillas determinan la forma y el espesor del ala (perfil aerodinámico).
En la mayoría de los aviones modernos, los tanques de combustible son una parte integral de la estructura del ala, o consisten en depósitos flexibles montados en el interior del ala.
Unidos a los bordes posteriores de las alas hay dos tipos de superficies de control referidos como alerones y flaps. Los alerones se extienden desde aproximadamente la mitad de cada ala hacia la punta, y se mueven en direcciones opuestas para crear las fuerzas aerodinámicas que hacen alabear al avión.
Los flaps se extienden desde el fuselaje hasta cerca de la mitad de cada ala. Los flaps van, normalmente, nivelados con la superficie de las alas durante el vuelo de crucero. Cuando se extienden, los flaps se mueven simultáneamente hacia abajo para aumentar la fuerza de sustentación del ala para despegues y aterrizajes. [Figura 2-8]
Empenaje
El empenaje incluye el grupo de cola entera y se compone de superficies fijas, como el estabilizador vertical o deriva, y el estabilizador horizontal. Las superficies móviles incluyen el timón de dirección, el elevador o timón de profundidad, y uno o más compensadores. [Figura 2-9]
El timón se une a la parte posterior de la deriva.
Durante el vuelo, se utiliza para mover la nariz del avión a la izquierda y la derecha. El timón de profundidad, que se une a la parte posterior del estabilizador horizontal, se utiliza para mover la nariz del avión hacia arriba y hacia abajo durante el vuelo.
Los compensadores son pequeñas aletas, móviles del borde posterior de las superficies de control. Estos compensadores, que se controlan desde la cabina, reducen la presión en los controles. Los compensadores pueden ser instalados en los alerones, el timón, y/o el elevador.
Un segundo tipo de diseño de empenaje no requiere de timón de profundidad.
En su lugar, incorpora un estabilizador horizontal de una sola pieza que gira desde un punto de central. Este tipo de diseño se llama stabilator, y se mueve con el mando, al igual que el timón de profundidad. Por ejemplo, cuando un piloto tira del mando, el stabilator pivota moviendo el borde de salida hacia arriba. Esto aumenta la carga aerodinámica en la cola y hace que la nariz del avión se desplace hacia arriba. El stabilator tiene una aleta antiservo extendida a lo largo de su borde posterior. [Figura 2-10]
La aleta antiservo se mueve en la misma dirección que el borde de salida del stabilator y ayuda a que éste sea menos sensible. Esta aleta también funciona como compensador para aliviar las presiones de control y ayuda a mantener el stabilator en la posición deseada.
Tren de aterrizaje
El tren de aterrizaje es el principal apoyo del avión cuando está estacionado, en rodaje, despegando o aterrizando. El tipo más común de tren de aterrizaje se compone de ruedas, pero los aviones también pueden ser equipados con flotadores para las operaciones en el agua, o esquís para aterrizar en la nieve. [Figura 211]
El tren de aterrizaje se compone de tres ruedas, dos ruedas principales y una tercera rueda en posición delantera o trasera del avión. El tren de aterrizaje con una rueda trasera se llama el tren de aterrizaje convencional.
Los aviones con tren de aterrizaje convencional, a veces se refieren como aviones de rueda de cola.
Cuando la tercera rueda se encuentra en la nariz al diseño se lo conoce como un tren triciclo. Una rueda de nariz o rueda de cola orientable permite controlar al avión a lo largo de todas las operaciones, mientras está en el suelo. La mayoría de los aviones son dirigidos moviendo los pedales, sea con rueda de nariz o rueda de cola. Además, algunos aviones son dirigidos por frenado diferencial.
El grupo motopropulsor
El grupo motopropulsor por lo general incluye el motor y la hélice. La función principal del motor es proporcionar la energía para hacer girar la hélice.
También genera energía eléctrica, proporciona vacío para algunos instrumentos de vuelo, y en la mayoría de aviones monomotores, proporciona una fuente de calor para el piloto y los pasajeros. [Figura 2-12]
El motor está cubierto por un carenado o capot, que son dos tipos de cubiertas. El propósito de la cubierta es mejorar el flujo de aire alrededor del motor y así ayudar a enfriar el motor conduciendo el aire
alrededor de los cilindros.
La hélice, montada en la parte delantera del motor, convierte la fuerza de rotación del motor en empuje, una fuerza de avance que ayuda a mover el avión.
La hélice también puede ser montada en la parte trasera del motor. Una hélice es un perfil aerodinámico rotatorio que produce empuje por la acción aerodinámica. Un área de baja presión se forma en la parte posterior de la hélice, y la alta presión se produce en la cara delantera de la hélice, en forma similar a como se genera sustentación en un perfil aerodinámico o ala. Este diferencial de presión empuja el aire a través de la hélice, que a su vez tira del avión hacia adelante.
Hay dos factores importantes involucrados en el diseño de una hélice que afectan su eficacia. El ángulo de pala de la hélice, medida contra el cubo de la hélice, mantiene el ángulo de ataque relativamente constante a lo largo de la pala de la hélice, reduciendo o eliminando la posibilidad de pérdida.
El paso se define como la distancia que una hélice viajaría en una vuelta si se moviera en un sólido. Estos dos factores se combinan para permitir una medición de la eficacia de la hélice. Las hélices son por lo general diseñadas para una combinación específica de aeronave/motor para lograr la mejor eficiencia en una configuración de potencia particular, y tiran o empujan, dependiendo de cómo está montado el motor.
Subcomponentes
Los subcomponentes de un avión comprenden la estructura, el sistema eléctrico, controles de vuelo, y los frenos.
La estructura básica de una aeronave está diseñada para soportar todas las fuerzas aerodinámicas, así como las tensiones impuestas por el peso del combustible, la tripulación y la carga útil.
La función principal del sistema eléctrico es la de generar, regular y distribuir la energía eléctrica en todo el avión. Hay varias fuentes de energía diferentes en las aeronaves para alimentar el sistema eléctrico.
Estas fuentes de energía incluyen: generadores de corriente alterna (AC) accionados por el motor, unidades de potencia auxiliar (APU), y alimentación exterior. El sistema de energía eléctrica de la aeronave se utiliza para operar los instrumentos de vuelo,
sistemas esenciales tales como anti-hielo, etc., y los servicios de pasajeros, tales como la iluminación de la cabina.
Los controles de vuelo son los dispositivos y sistemas que gobiernan la actitud de la aeronave y, en consecuencia, la trayectoria de vuelo seguida por la aeronave. En el caso de muchos aviones convencionales, los controles de vuelo primarios utilizan superficies abisagradas en los bordes de salida llamadas timones de profundidad para cabeceo, alerones para alabeos, y timón para la dirección. Estas superficies son operadas por el piloto desde la cabina o por un piloto automático.
Los frenos consisten en pastillas que hidráulicamente se aprietan contra un disco giratorio ubicado entre ellas. Las pastillas ejercen presión contra el disco que está girando con las ruedas. Como resultado de la fricción en el disco las ruedas se frenan y dejan de girar.
Los discos y las pastillas de freno están hechos de acero, como los de un auto, o de un material de carbono que pesa menos y puede absorber más energía. Debido a que los frenos del avión se utilizan principalmente durante los aterrizajes y deben absorber enormes cantidades de energía, su vida es medida en aterrizajes en vez de kilómetros.
Tipos de Construcción de Aviones
La construcción de fuselajes evolucionó comenzando con estructuras reticulares de madera pasando por las estructuras monocasco a las estructuras semimonocasco
actuales.
Estructura Reticular
El principal inconveniente de la estructura reticular o tubular es la falta de una forma aerodinámica. En este método de construcción, largos tubos, llamados largueros, se sueldan en su lugar para formar un marco bien reforzado. Soportes verticales y
horizontales están soldados a los largueros y dan a la estructura una forma cuadrada o rectangular.
Soportes adicionales son necesarios para resistir las fuerzas que provienen de cualquier dirección. Larguerillos y cuadernas se añaden para darle la forma al fuselaje y unir el revestimiento.
Con el avance de la tecnología, los diseñadores de aviones comenzaron a cubrir la estructura para hacer más aerodinámico el avión y mejorar el rendimiento.
Esto se logró inicialmente con tela, que eventualmente dio paso a metales ligeros como el aluminio. En algunos casos, la cubierta exterior puede soportar toda, o una parte importante, de las cargas de vuelo.
Aviones más modernos utilizan una forma de esta estructura de cubrimiento conocida como monocasco o semimonocasco. [Figura 2-13]
Monocasco
La construcción monocasco utiliza un revestimiento reforzado para soportar casi todas las cargas, como una lata de bebidas de aluminio. Aunque es muy fuerte, la construcción monocasco no es muy tolerante a la deformación de la superficie. Por ejemplo, una lata de aluminio puede soportar fuerzas considerables en los extremos, pero si el lado de la lata se deforma ligeramente, mientras soporta una carga, colapsa fácilmente.
Como la mayoría de las fuerzas de torsión y flexión son soportados por el revestimiento en lugar de una estructura, los refuerzos internos fueron eliminados o reducidos, para ahorro de peso y maximizar el espacio. Uno de los métodos notables e innovadores en la construcción monocasco era empleado por Jack Northrop. En 1918, ideó una nueva manera de construir un fuselaje monocasco utilizado para el Lockheed S-1 Racer.
La técnica utilizó dos medios moldes de madera contrachapada que se pegan alrededor de aros de madera o larguerillos. A pesar de ser empleado en los inicios de la aviación, la construcción monocasco no reaparece durante varias décadas debido a la complejidad del proceso.
Ejemplos diarios de construcción monocasco se puede encontrar en la fabricación de automóviles, donde se considera el monocasco estándar en la industria manufacturera.
Semimonocasco
La construcción semimonocasco utiliza una estructura a la cual se une el revestimiento de la aeronave. Dicha estructura, que consta de mamparos y/o cuadernas de diversos tamaños y larguerillos, refuerza la cubierta tomando algunos de los esfuerzos de flexión del fuselaje. La sección principal del fuselaje también incluye los puntos de unión del ala y un cortafuegos.
En aviones monomotores, el motor está por lo general unido a la parte delantera del fuselaje. Hay una mampara a prueba de fuego entre la parte trasera del motor y la cabina para proteger al piloto y los pasajeros de los incendios accidentales del motor.
Esta mampara se llama cortafuegos y suele ser de material resistente al calor como el acero inoxidable.
Sin embargo, un nuevo proceso de construcción es la integración de los materiales compuestos o de una aeronave hecha completamente de materiales compuestos.
Construcción en materiales compuestos
(Composite)
Historia
El uso de materiales compuestos en la construcción de aviones data de la Segunda Guerra Mundial, cuando aislamientos de fibra de vidrio blando se utilizó en fuselajes de B-29. A fines de los ’50, los fabricantes europeos de planeadores de alto rendimiento utilizaban fibra de vidrio para las estructuras primarias. En 1965, la FAA (Administración Federal de Aviación, EEUU) certificó el primer avión en la categoría normal hecho completamente de fibra de vidrio, un planeador suizo llamado Diamant VHB.
Para el año 2005, más del 35 por ciento de los aviones nuevos fueron construidos en materiales compuestos.
Materiales compuestos es un término muy amplio y puede significar materiales como fibra de vidrio, fibra de carbono, Kevlar, y combinaciones de todo lo anterior. La construcción con compuestos ofrece dos ventajas: revestimientos extremadamente lisos y la capacidad de formar fácilmente estructuras curvas complejas o estructuras aerodinámicas [Figura 2-14]
Materiales compuestos en aviones
Los materiales compuestos son sistemas de matriz reforzados con fibra. La matriz es el "pegamento" que se utiliza para mantener las fibras entre sí y, una vez curada, le da forma a las partes, pero las fibras llevan la mayor parte del trabajo. Hay muchos tipos de fibras y sistemas de matriz.
En el avión, el más común es la matriz de resina epoxídica, que es un tipo de termo-plástico. En comparación con otras opciones como la resina de poliéster, la epoxi es más fuerte y tiene buenas propiedades a altas temperaturas. Hay muchos tipos diferentes de resinas epoxi, con una amplia gama de propiedades estructurales, tiempos de curado y temperaturas, y costos.
Las fibras de refuerzo más comunes utilizados en la construcción de aviones son la fibra de vidrio y la fibra de carbono. La fibra de vidrio tiene buena resistencia a la tracción y a la compresión, buena resistencia al impacto, es fácil trabajar, y es relativamente barata y fácilmente disponible. Su principal desventaja es que es relativamente pesada, y es difícil hacer una estructura que soporte cargas más livianas que una estructura de aluminio equivalente.
La fibra de carbono es generalmente más fuerte en resistencia a la tracción y a la compresión que la fibra de vidrio, y tiene una rigidez mucho mayor a la flexión. También es considerablemente más ligera que la fibra de vidrio. Sin embargo, es relativamente débil la resistencia al impacto; las fibras son frágiles y tienden a romperse bajo fuerte impacto.
Esto puede ser mejorado en gran medida con un sistema de resina epoxi reforzado, como el que se utiliza en el Boeing 787 en los estabilizadores horizontal y vertical. La fibra de carbono es más cara que la fibra de vidrio, pero el precio ha caído debido a las innovaciones impulsadas por el programa B-2 en los ’80, y Boeing 777 en la década de ’90. Estructuras de fibra de carbono bien diseñadas pueden ser mucho más livianas que una estructura de aluminio equivalente, a veces un 30 por ciento o más.
Ventajas de los materiales compuestos
La construcción en compuestos ofrece varias ventajas sobre el metal, madera o tela, siendo su menor peso lo más citado. El menor peso no siempre es automático. Hay que recordar que la construcción de una aeronave con compuestos no garantiza que será más liviana, sino que depende de la estructura, así como el tipo de compuesto que se utiliza.
Una ventaja más importante es que una estructura de compuestos, aerodinámica, con curvas muy suaves reduce la resistencia. Esta es la razón principal por la que los diseñadores de planeadores cambiaron de metal y madera a los materiales compuestos en la década de 1960.Los compuestos también ayudan a enmascarar la señal de radar de los aviones "stealth", como el B-2 y el F-22. Hoy en día, los compuestos se pueden encontrar en aviones tan variados como los la mayoría de planeadores hasta los nuevos helicópteros.
La ausencia de corrosión es una tercera ventaja de los materiales compuestos. Boeing está diseñando el 787, con el fuselaje completo en compuestos, teniendo un mayor diferencial de presión y mayor humedad en la cabina que los aviones anteriores. Los ingenieros ya no están tan preocupados por la corrosión por condensación de humedad en las zonas ocultas del revestimiento del fuselaje, como detrás de las mantas de aislamiento. Esto debería conducir a una reducción de los costes de mantenimiento para las líneas aéreas.
Otra de las ventajas de los materiales compuestos es su buen rendimiento en un entorno de flexión, como en las palas del rotor del helicóptero. Los compuestos no sufren de fatiga del metal y formación de grietas al igual que los metales. Si bien necesita una ingeniería cuidadosa, las palas en material compuesto pueden tener considerablemente más vida de uso que las palas de metal, y la mayoría de los nuevos helicópteros grandes tienen todas las palas en compuestos, y en muchos casos, rotores en materiales compuestos.
Desventajas de los materiales compuestos
La construcción con composite viene con su propio conjunto de desventajas, la más importante de las cuales es la falta de una prueba visual de daños. Los compuestos responden al impacto de manera diferente a otros materiales estructurales, y muchas veces no hay signos obvios de daños. Por ejemplo, si un auto choca un fuselaje de aluminio, puede abollar el fuselaje. Si el fuselaje no está abollado, no hay ningún daño.
Si el fuselaje está abollado, el daño es visible y se hacen las reparaciones.
En una estructura de material compuesto, un impacto de baja energía, tales como un golpe o una caída de herramientas, puede no dejar signo visible del impacto en la superficie. Por debajo del punto de impacto puede haber amplias delaminaciones, extendiéndose en un área en forma de cono desde el lugar del golpe.
El daño en la parte posterior de la estructura puede ser importante y extenso, pero estar oculto a la vista.
Cada vez que uno tiene razones para pensar que pudo haber un golpe, aunque sea menor, lo mejor es conseguir un inspector familiarizado con compuestos para examinar la estructura para determinar el daño subyacente. La aparición de áreas blanquecinas en una estructura de fibra de vidrio es un buen indicio de que se han producido delaminaciones de la fibra.
Un impacto de mediana energía resulta en un aplastamiento local de la superficie, lo que debe ser visible a la vista. El área dañada es mayor que el área aplastada visible, y tendrá que ser reparada.
Un impacto de alta energía, tales como el impacto de aves o granizo durante el vuelo, resulta en una perforación y una estructura seriamente dañada. En impactos de
media y alta energía, el daño es visible para el ojo, pero el impacto de baja energía es difícil de detectar. [Figura 2-15]
Si un impacto resulta en delaminaciones, el aplastamiento de la superficie, o una perforación, entonces es obligatoria una reparación. Hasta tanto se repare, el área dañada debe ser cubierta y protegida de la lluvia. Muchas piezas de material compuesto se componen de finas láminas sobre un núcleo en nido de abejas, creando una estructura en "sándwich".
Excelentes por razones de rigidez estructural, esta estructura es un blanco fácil para la entrada de agua, lo que lleva a problemas posteriores. Un trozo de cinta sobre la perforación es una buena manera de protegerlo del agua, pero no es una reparación
estructural. El uso de un relleno en pasta para cubrir los daños, aunque aceptable para fines cosméticos, tampoco es una reparación estructural.
El potencial daño por calor a la resina es otra desventaja del uso de materiales compuestos.
Mientras que "cuan caliente" depende del sistema de resina elegido, muchas resinas epoxi comienzan a debilitarse a más de 65 ° C. La pintura blanca en los compuestos se utiliza a menudo para minimizar este problema. Por ejemplo, la parte inferior de un ala que está pintada de negro frente a una plataforma de asfalto negro en un día caluroso y soleado, puede llegar a estar hasta 100 ° C. La misma estructura, pintada de blanco, rara vez supera los 60 ° C.
Como resultado, los aviones con composites tienen a menudo recomendaciones específicas sobre los colores de pintura permitidos. Si el avión es repintado, estas recomendaciones deben ser seguidas.
Daño por calor también puede ocurrir debido a un incendio. Incluso un pequeño fuego por los frenos, rápidamente extinguido, puede dañar la superficie inferior del ala, patas del tren de aterrizaje, o los carenados de la rueda.
Además, removedores químicos de pintura son muy perjudiciales para los compuestos, y no deben ser utilizados en ellos. Si la pintura tiene que ser removida de materiales compuestos, sólo se permiten métodos mecánicos, tales como arenado o lijado suave. Muchas piezas de composite caros han sido arruinados por el uso de removedor de pintura, y el daño es en general, no reparable.
Derrames de líquidos sobre composites
Algunos se preocupan por el derrame de combustible, aceite o líquido hidráulico en superficies de material compuesto. Estos generalmente no son un problema con los modernos compuestos de resina epoxi. Por lo general, si el derrame no ataca la pintura, no le hará daño el compuesto base. Algunos aviones utilizan tanques de combustible de fibra de vidrio, por ejemplo, en el que el combustible está directamente contra la superficie de la resina sin utilizar sellador. Si la estructura de fibra de vidrio se hace con algunos de los tipos más baratos de resina de poliéster, puede ser un problema cuando se utiliza combustible de autos con etanol en la mezcla. Los tipos más caros de resina de poliéster, así como la resina epoxi, se puede utilizar con combustible de automóviles, así como gas de aviación (AVGAS) de 100 octanos.
Protección contra rayos
La protección contra rayos es una consideración importante en el diseño de aeronaves. Cuando un avión es alcanzado por un rayo, se entrega una gran cantidad de energía a la estructura. Ya sea que vuele un avión ligero o un avión de aerolínea, el principio básico de protección contra rayos es el mismo.
Para cualquier tamaño de avión, la energía del rayo debe ser extendido por un área de gran superficie para reducir los amperes por centímetro cuadrado a un nivel aceptable.
Si un rayo cae sobre un avión de aluminio, la energía eléctrica se conduce naturalmente a través de la estructura de aluminio. El desafío es mantener la energía alejada de la aviónica, los sistemas de combustible, etc., hasta que se pueda conducir sin peligro fuera del avión. El revestimiento exterior de la aeronave es el camino de menor resistencia.
En un avión hecho de compuestos, la fibra de vidrio es un excelente aislante eléctrico, mientras que la fibra de carbono conduce la electricidad, pero no tan fácilmente como el aluminio. Por lo tanto, conductividad eléctrica adicional se debe agregar a la capa exterior en compuestos. Esto se hace generalmente con finas mallas de metal pegadas a la superficie.
Mallas de aluminio y de cobre son los dos tipos más comunes, con el aluminio utilizado en fibra de vidrio y el cobre en la fibra de carbono. Todas las reparaciones estructurales en las áreas protegidas contra rayos también debe incluir la malla, así como
la estructura subyacente.
En aeronaves en compuesto con antenas de radio internas, en la zona de la antena debe haber "ventanas" en la malla contra rayo. Antenas de radio internas se pueden ubicar en los materiales compuestos de fibra de vidrio debido a que la fibra de vidrio es transparente a las frecuencias de radio, y la fibra de carbono no.
El futuro de los materiales compuestos
En las décadas posteriores a la Segunda Guerra Mundial, los materiales compuestos se han ganado un papel importante en el diseño de aeronaves. Su resistencia a la corrosión y flexibilidad, así como la relación resistencia-peso, indudablemente seguirá al frente de los diseños de los aviones más innovadores en el futuro. Desde el Cirrus SR-20 hasta el Boeing 787, es obvio que los compuestos han encontrado un lugar en la construcción de aviones y están aquí para quedarse. [Figura 2-16]
Instrumentación: avanzando al futuro
Hasta hace poco, la mayoría de los aviones categoría general estaban equipados con instrumentos individuales utilizados en conjunto para operar con seguridad y maniobrar la aeronave. Con el lanzamiento de la pantalla electrónica de vuelo (EFD), los instrumentos convencionales se han sustituido por múltiples pantallas de cristal líquido (LCD). La pantalla principal se instala frente a la posición del piloto, a la izquierda, y se conoce como pantalla principal de vuelo (PFD). Una segunda pantalla, situada aproximadamente en el centro del panel de instrumentos, que se conoce como pantalla multifunción (MFD). Estas dos pantallas ordenan los paneles de instrumentos, aumentando la seguridad.
Esto se ha logrado mediante la utilización de instrumentos de estado sólido que tienen una tasa de fallos mucho menores que la instrumentación analógica convencional. [Figura 2-17]
Con las mejoras actuales en aviónica y la introducción de EFD, los pilotos con cualquier nivel de experiencia necesitan un conocimiento de los sistemas de control de vuelo, así como una comprensión de cómo la automatización se une con la toma de decisiones.
Estos temas se tratan en detalle en el capítulo 17.
Ya sea que una aeronave cuenta con instrumentos analógicos o digitales, la instrumentación se divide en tres categorías diferentes: rendimiento o performance, control y navegación.
Instrumentos de performance
Los instrumentos de performance muestran el desempeño real de la aeronave. La performance se determina con referencia al altímetro, el velocímetro o anemómetro, el indicador de velocidad vertical (VSI) o variómetro, el indicador de rumbo, y el indicador de giros y viraje. Los instrumentos de performance reflejan directamente el desempeño que está logrando la aeronave. La velocidad de la aeronave se puede leer en el indicador de velocidad. La altitud se puede leer en el altímetro. El rendimiento en ascenso puede ser determinado por referencia al VSI. Otros instrumentos de performance disponibles son el indicador de rumbo, el indicador de ángulo de ataque, y el inclinómetro (indicador de resbale/derrape). [Figura 2-18]
Instrumentos de control
Los instrumentos de control [Figura 2-19] muestran en forma inmediata cambios de actitud y potencia, y están calibrados para permitir ajustes en incrementos precisos. El instrumento para la visualización de actitud es el horizonte artificial o indicador de actitud.
Los instrumentos de control no indican la velocidad o la altitud del avión. Para determinar estas variables y otras, el piloto debe observar los instrumentos de performance.
Instrumentos de Navegación
Los instrumentos de navegación indican la posición de la aeronave en relación con una estación de navegación seleccionada. Este grupo de instrumentos incluye varios tipos de indicadores de curso, indicadores de distancia, indicadores de la senda de planeo, e indicadores de dirección. Las aeronaves más modernas, con instrumentos más avanzados tecnológicamente proporcionan información de posición más precisa.
Los instrumentos de navegación comprenden indicadores de GPS, radio omnidireccional de muy alta frecuencia (VOR), baliza no direccional (ADF), y sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS). Los instrumentos indican la posición relativa a una estación de navegación seleccionada. También brinda información para que la aeronave puede maniobrar siguiendo una ruta predeterminada.
Sistema de navegación satelital (GPS)
El GPS es un sistema de navegación por satélite integrado por una red de satélites colocados en órbita por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El GPS fue originalmente usado para aplicaciones militares, pero en la década de 1980s el gobierno autorizó el sistema para uso civil. El GPS funciona en todas las condiciones meteorológicas, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día. Un receptor GPS debe estar sincronizado con la señal de al menos tres satélites para calcular una posición bidimensional (latitud y longitud) y el movimiento.
Con cuatro o más satélites a la vista, el receptor puede determinar la posición tridimensional (latitud, longitud y altitud).