Manual de vuelo
Aerodinámica

Principios básicos.

Estructura del avión.

En los capítulos anteriores se han descrito algunos aspectos del mundo en que se mueve el avión (la atmósfera), las leyes que explican el vuelo, las fuerzas que actúan sobre un avión en vuelo, etc. En este capítulo se especifican de una forma general cuales son los componentes estructurales de un avión y su nomenclatura, poniendo especial énfasis en su elemento distintivo: las alas.

Aunque los aviones están diseñados con diferentes propósitos, la gran mayoría de ellos tienen los mismos componentes estructurales, aunque en cada caso concreto estos componentes varían en función del uso específico para el cual fue diseñado el aeroplano: aviación deportiva, transporte de pasajeros, transporte de carga, hidroaviones, apagar fuegos, fumigación, etc. Estos componentes estructurales son: fuselaje, alas, estabilizadores y timones, tren de aterrizaje y una planta motriz (motores y hélices).

Estructura genérica de un avión

1.4.1   Generalidades.

Fuselaje. Del francés "fuselé" que significa "ahusado", se denomina fuselaje al cuerpo principal de la estructura del avión, cuya función principal es la de dar cabida a la tripulación, a los pasajeros y a la carga, servir de soporte principal y conexión estructural al resto de componentes (alas, cola, tren de aterrizaje, etc.) y alojar los sistemas y equipos de control que mantienen al avión en funcionamiento. En aviones monomotor el grupo propulsor está contenido en el fuselaje mientras que los aviones polimotores los tienen dispuestos en las alas o en la cola del aparato.

Las estructuras de fuselaje más utilizadas hoy en día son tipo monocasco y semimonocasco pues permiten integrar en un solo cuerpo estructura y recubrimiento además de presurizar el interior para volar a mayor altura. El mas extendido es el fuselaje semimonocasco dado que, aunque es algo menos resistente resulta menos pesado. Suelen estar construidos en acero para aquellas estructuras que tienen que soportar mayor esfuerzo y aleaciones de aluminio para las partes más livianas, aunque cada vez está más extendido el uso de fibra de vidrio para algunos componentes, sobre todo en aviones ligeros.

El diseño del fuselaje además de atender a estas funciones debe proporcionar un rendimiento aceptable al propósito a que se destine el avión ofreciendo una solución de compromiso. Los fuselajes que ofrecen una menor resistencia aerodinámica son los de sección circular, elíptica u oval, y de forma alargada y ahusada.

Alas. Son el elemento primordial de cualquier aeroplano. En ellas es donde se originan las fuerzas que hacen posible el vuelo. En su diseño se tienen en cuenta numerosos aspectos: peso máximo a soportar, resistencias generadas, comportamiento en la pérdida, etc. o sea, todos aquellos factores que proporcionen el rendimiento óptimo para compaginar la mejor velocidad con el mayor alcance y el menor consumo de combustible posibles. Existen distintos diseños, tamaños, formas, colocación en el aeroplano, etc. utilizados por los constructores para dotar al aeroplano de las características esperadas.

Empenaje de cola. Está compuesto de dos conjuntos de superficies aerodinámicas, uno vertical y otro horizontal, ambos con una parte fija (estabilizadores vertical y horizontal) y otra detrás movible (timón de profundidad y timón de dirección). Los estabilizadores tienen como misión, como su propio nombre indica, contribuir a la estabilidad del avión sobre sus ejes respectivos. Los timones responden a los mandos operados por el piloto haciendo girar al aeroplano sobre sus ejes horizontal o vertical respectivamente. En algunos aparatos todo el conjunto, vertical u horizontal, es movible obedeciendo a los mandos en cabina; en otros un conjunto es mixto (fijo + movible) y otro movible (habitualmente el horizontal). A los estabilizadores a veces se los denomina “planos de deriva”.

Tren de aterrizaje. Es el soporte del avión y tiene como misión permitir el estacionamiento y movimiento del avión en tierra, incluido el despegue, así como amortiguar el impacto con la misma durante la operación de aterrizaje. Puede ser fijo o retráctil, y de triciclo (dos patas principales y una de morro, cada pata con su rueda) o patín de cola (dos patas principales y un patín o rueda en la cola) al cual se denomina también como tren convencional. El tren triciclo suele tener las patas principales retrasadas respecto al centro de gravedad mientras que el tren convencional las tiene adelantadas. El tren triciclo tiene la ventaja de que es mas fácil el aterrizaje porque la visibilidad y maniobrabilidad es mejor que con tren convencional. Los aviones grandes suelen tener varias patas principales, cada una con cuatro o más ruedas. Hay trenes adaptados a la nieve (con patines) y al agua (con flotadores).

Grupo motopropulsor. Encargado de proporcionar la potencia necesaria para contrarrestar las resistencias del aparato, tanto en tierra como en vuelo, impulsar a las alas y que estas produzcan sustentación, y por último para aportar la aceleración necesaria en cualquier momento. Este grupo puede estar constituido por uno o más motores; motores que pueden ser de pistón, de reacción, turbopropulsores, etc. Dentro de este grupo se incluyen las hélices, que pueden tener distintos tamaños, formas y número de palas.

Superficies de mando y control. Son las superficies movibles situadas en las alas y en los empenajes de cola, las cuales respondiendo a los movimientos de los mandos existentes en la cabina provocan el movimiento del avión sobre cualquiera de sus ejes (transversal, longitudinal y vertical). También entran en este grupo otras superficies secundarias, cuya función es la de proporcionar mejoras adicionales relacionadas generalmente con la sustentación (flaps, slats, aerofrenos, etc.).

Sistemas auxiliares. Resto de sistemas destinados a ayudar al funcionamiento de los elementos anteriores o bien para proporcionar más confort o mejor gobierno de la aeronave. Podemos mencionar, por ejemplo: el sistema hidráulico, el eléctrico, presurización, alimentación de combustible, etc.

1.4.2   Las alas.

Los pioneros de la aviación tratando de emular el vuelo de las aves, construyeron todo tipo de artefactos dotados de alas articuladas que generaban corrientes de aire. Solo cuando se construyeron máquinas con alas fijas que surcaban el aire en vez de generarlo, fue posible el vuelo de máquinas más pesadas que el aire. Aunque veremos que hay alas de todos los tipos y formas, todas obedecen a los mismos principios explicados con anterioridad.

En principio, los aeroplanos se construían con 2 alas (biplanos) e incluso con 3 o 4, pues las alas múltiples tenían la ventaja de aumentar la sustentación con una estructura más fuerte aún a costa de una gran resistencia al avance. El ala tipo cantilever supuso un gran avance pues al encastrarse directamente al fuselaje no necesita de cables, tirantes, riostras ni nada parecido. La gran mayoría de aviones montan alas cantilever hoy en día quedando para aviones pequeños o acrobáticos las alas con puntales y cables.

Por ser la parte más importante de un aeroplano y por ello quizá la más estudiada, es posiblemente también la que más terminología emplee para distinguir las distintas partes de la misma. A continuación se detalla esta terminología.

Las principales partes que conforman un ala son: largueros, costillas, larguerillos y el revestimiento metálico que envuelve la estructura y aporta resistencia a la estructura. La forma de las costillas determina la forma del perfil. En las alas se alojan, como una parte integral de las mismas, los depósitos de combustible, consistentes en unos contenedores flexibles alojados en su interior.

Estructura y partes de un ala

En su parte trasera o borde de salida, encontramos dos tipos de superficies de control: flaps y alerones; los flaps se encuentran cercanos al fuselaje mientras que los alerones están en los extremos de las alas. En la parte delantera o borde de ataque se pueden encontrar, aunque no es habitual en aviones ligeros, unas superficies hipersustentadoras, los slats, cuyo funcionamiento es en cierta forma similar al de los flaps.

1.4.3   Terminología del ala.

Perfil. Es la forma de la sección del ala, es decir lo que veríamos si cortáramos esta transversalmente "como en rodajas". Salvo en el caso de alas rectangulares en que todos los perfiles ("rodajas") son iguales, lo habitual es que los perfiles que componen un ala sean diferentes; se van haciendo más pequeños y estrechos hacia los extremos del ala.

Terminología general del ala

Borde de ataque. Es el borde delantero del ala, o sea la línea que une la parte anterior de todos los perfiles que forman el ala, dicho de otra forma: la parte del ala que primero toma contacto con el flujo de aire.

Borde de salida. Es el borde posterior del ala, es decir la línea que une la parte posterior de todos los perfiles del ala, o lo que es lo mismo: la parte del ala por donde el flujo de aire perturbado por el ala retorna a la corriente libre.

Intradós. Parte inferior del ala comprendida entre los bordes de ataque y salida. Espesor. Distancia máxima entre el extradós y el intradós.

Extradós. Parte superior del ala comprendida entre los bordes de ataque y salida.

Espesor. Distancia entre el extradós y el intradós, variable a lo largo de la cuerda.

Cuerda. Es la línea recta imaginaria trazada entre los bordes de ataque y de salida de cada perfil.

Cuerda media. Como los perfiles del ala no suelen ser iguales, sino que van disminuyendo hacia los extremos, lo mismo sucede con la cuerda de cada uno. Por tanto, al tener cada perfil una cuerda distinta, lo normal es hablar de cuerda media.

Línea del 25% de la cuerda. Línea imaginaria que se obtendría al unir todos los puntos situados a una distancia del 25% de la longitud de la cuerda de cada perfil, distancia medida comenzando por el borde de ataque.

Curvatura. Del ala desde el borde de ataque al de salida. Curvatura superior se refiere a la de la superficie superior (extradós); inferior a la de la superficie inferior (intradós), y curvatura media a la equidistante a ambas superficies. Aunque se puede dar en cifra absoluta, lo normal es que se exprese en % de la cuerda.

Superficie alar. Superficie total correspondiente a las alas.

Envergadura. Distancia entre los dos extremos de las alas. Por simple geometría, si multiplicamos la envergadura por la cuerda media debemos obtener la superficie alar.

Alargamiento. Cociente entre la envergadura y la cuerda media. Este dato nos dice la relación existente entre la longitud y la anchura del ala (Envergadura/Cuerda media). Por ejemplo; si este cociente fuera 1 estaríamos ante un ala cuadrada de igual longitud que anchura. Obviamente a medida que este valor se hace más elevado el ala es más larga y estrecha. Este cociente afecta a la resistencia inducida de forma que: a mayor alargamiento menor resistencia inducida.

Las alas cortas y anchas son fáciles de construir y muy resistentes, pero generan mucha resistencia; por el contrario, las alas alargadas y estrechas generan poca resistencia, pero son difíciles de construir y presentan problemas estructurales. Normalmente el alargamiento suele estar comprendido entre 5:1 y 10:1.

Flecha. Angulo que forman las alas (más concretamente la línea del 25% de la cuerda) respecto del eje transversal del avión. La flecha puede ser positiva (extremos de las alas orientados hacia atrás respecto a la raíz o encastre, que es lo habitual), neutra, o negativa (extremos adelantados). Para tener una idea más gráfica, pongamos nuestros brazos en cruz como si fueran unas alas; en esta posición tienen flecha nula, si los echamos hacia atrás tienen flecha positiva, y si los echamos hacia delante tienen flecha negativa.

Flechas de ala, positiva, neutra y negativa

Diedro. Visto el avión de frente, ángulo en forma de "V" que forman las alas con respecto al horizonte. El ángulo diedro puede ser positivo, neutro, o negativo. Volviendo a nuestros brazos en cruz, en posición normal tenemos diedro neutro, si los subimos tienen diedro positivo y si los bajamos tienen diedro negativo.

Ángulos diedros

Forma. Las alas pueden tener las formas más variadas: estrechándose hacia los extremos (tapered) o recta (straight), en la parte del borde de ataque (leading) o del borde de salida (trailing), o cualquier combinación de estas; en forma de delta, en flecha, etc. Si la velocidad es el factor principal, un ala "tapered" es más eficiente que una rectangular (straight) porque produce menos resistencia; pero un ala "tapered" tiene peores características en la pérdida salvo que tenga torsión (ángulo de incidencia decreciente hacia el borde del ala).

Álgunas formas de alas

En la siguiente figura se muestran, únicamente como ejemplo y de forma genérica, el tipo y forma de alas de algunos de los aviones habitualmente utilizados por las escuelas de entrenamiento (Piper y Cessna).

Alas de Piper y Cessna

Según la colocación de las alas en la parte alta, en medio o la parte baja del fuselaje, los aviones son de plano alto, plano medio, o plano bajo. Asimismo, según el número de pares de alas, los aviones son monoplanos, biplanos, triplanos, etc.

Colocación de alas y sujección al fuselaje

Las alas pueden estar fijadas al fuselaje mediante montantes y voladizos, con ayuda de cables, o estar fijadas sin montantes externos ni ayuda de cables (alas cantilever, también llamadas "ala en voladizo" o "ala en ménsula").

También se distinguen alas de geometría fija (la gran mayoría), de geometría variable (que pueden variar su flecha), y alas de incidencia variable (que pueden variar su ángulo de incidencia). Estos dos últimos tipos son de aplicación casi exclusiva en aviones militares.

Notas.

Como es natural, a medida que han ido pasando los años los diseños de las alas han ido sufriendo modificaciones, para adaptarse a nuevas necesidades. Las alas de aeroplanos antiguos tenían el extradós ligeramente curvado y el intradós prácticamente plano, con el máximo espesor en el primer tercio de la cuerda; con el tiempo, ambas superficies, intradós y extradós, experimentaron cambios en su curvatura en mayor o menor medida y el punto de máximo espesor se fue desplazando hacia atrás. Los aviones supersónicos han sufrido cambios muchos más drásticos en los perfiles del ala, algunos incluso perdiendo la típica forma redondeada, y sus perfiles se han hecho simétricos.

En los diseños de las alas hay invertido mucho tiempo de investigación, de pruebas y errores, pero no existe el ala ideal. Las alas de cada aeroplano son producto de un compromiso de los diseñadores con las posibles combinaciones de factores (forma, longitud, colocación, etc.).

Además de adaptarse a las características, cualidades y uso para el que se diseña el aeroplano, su diseño las hará más o menos sensibles a las pérdidas, al amortiguamiento de ráfagas de viento, a la estabilidad/inestabilidad, etc.

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