Arquitectura de aeronaves

Cortesía de NCYT / Amazings (noticiasdelaciencia.com)

Artículo escrito por Carlos Ganado Alcocer, ingeniero aeronáutico 

 En este artículo nos centraremos en las aeronaves más comunes, los aviones. En el diseño de aviones intervienen muchos factores, todos ellos relacionados con el objeto de satisfacer la misión para la que se ha proyectado dicho avión. Básicamente se estudian los siguientes puntos:

 Carga de pago típica que ha de transportar.

• Perfil de velocidades típico.
• Zonas de operación (civil/militar); aeropuertos pavimentados / sin pavimentar.
• Alcance y autonomía.
• Coste económico.
• Parámetros técnicos: factibilidad técnica, complejidad de fabricación, etc.

 Sin embargo, a la hora de proyectar una aeronave se evalúan las especificaciones que permiten alcanzar la misión objetivo. Estas especificaciones son:

 Forma del ala

• Posición del ala
• Estructura del fuselaje
• Propulsión
• Arquitectura de la cola
• Disposición de la cabina

 Forma del ala

En primer lugar conviene recordar que el avión tiene una sola ala o si se quieren estudiar por separado, dos semialas que conforman una unidad. El ala es el principal elemento aerodinámico del avión. Su misión es la de sustentar a la aeronave en el aire. Históricamente, el primer tipo de ala utilizado fue el ala rectangular por su facilidad de construcción. Este tipo de ala es muy fácil de fabricar pero tiene gran resistencia aerodinámica; además provoca un gran momento en el encastre ala-fuselaje y tiene grandes problemas de entrada en pérdida (cuando se desprende la corriente, el ala deja de sustentar) ya que una parte considerable del ala tiene problemas para mantener adherida la corriente y esa superficie no sustenta.

El ala elíptica tiene una aerodinámica mucho mejor que el anterior. Por la menor superficie en la punta del ala, se genera menos sustentación en esa zona y como consecuencia el momento en el encastre es inferior que en el caso anterior. Además retiene adherida la corriente retrasando la entrada en perdida. Este tipo de ala conlleva una complejidad considerable a la hora de ser construida.

El ala con flecha es la más apta cuando se ha de volar a velocidades altas (mayores de 0, 6 Mach). Al estrecharse en la punta, el momento en el encastre es pequeño. La zona del ala que entra en perdida es pequeña y controlada. La fabricación es relativamente compleja.

El ala mixta tiene una gran superficie para sustentar y el momento creado en el encastre es menor que con ala rectangular. Se utiliza en aviones que vuelan algo por debajo de los 0, 6 Mach.

Lo que se ha estudiado anteriormente es la forma en planta del ala. También podría estudiarse la torsión del ala, esto es, la variación de la inclinación de cada perfil que conforma el ala, respecto a la horizontal a lo largo de la envergadura del ala. La torsión del ala consigue mantener adherida la corriente y reduce la resistencia aerodinámica, pero complica mucho la fabricación. La ley de torsión se determina para cada caso a través de complejos modelos aerodinámicos.

 Posición del ala

Longitudinalmente, el ala se sitúa más o menos en la zona donde se halla el centro de gravedad de la aeronave, para que se compense el peso y además los momentos aplicados en el centro de gravedad se reduzcan, al ser el brazo nulo o muy pequeño y compensable a través de otras superficies aerodinámicas: flaps, alerones, estabilizadores, etc.

En cuanto a la altura del ala en el fuselaje, puede ocupar tres posiciones: ala alta, ala baja, ala media-baja.

Ala alta: el encastre se hace en la parte superior del fuselaje. Se utiliza sobre todo para aviones cargueros debido a que toda la cabina queda diáfana. El cálculo estructural exige un gran refuerzo del encastre que da lugar a un “abombamiento” en el fuselaje. Apenas se nota el efecto suelo en el aterrizaje pero también le cuesta más el despegue.

Ala media-baja: el ala se utiliza para marcar la altura del suelo de la cabina y por debajo, dar espacio para el tren de aterrizaje y bodega sin afectar a la aerodinámica del avión ya que no requeriría un diseño determinado para la introducción del tren en el fuselaje. Es la solución más utilizada en aviones de pasajeros.

Ala baja: cuando se necesita la cabina totalmente diáfana. Tiene problemas de efecto suelo en el aterrizaje dado que hay poca distancia entre el suelo y el ala y es difícil conseguir bajar al avión a pista. También hay que tener en cuenta que los motores pueden colisionar con el suelo o absorber piedras al estar tan cerca, si no se diseña bien.

Estructura del fuselaje

El fuselaje está compuesto básicamente, por dos elementos estructurales que son las cuadernas (dispuestas transversalmente) y los larguerillos (dispuestos longitudinalmente).

Las cuadernas dan la forma en alzado al avión. Lo más eficiente para aprovechar el espacio sería una cuaderna cuadrada, sin embargo esta solución que se implementó en los albores de la aviación es muy mala desde el punto de vista aerodinámico. La cuaderna elíptica o circular es mucho más eficiente y de hecho es la que se ha impuesto como óptima. Las cuadernas más reforzadas se denominan marcos y se hallan en el encastre del ala o en la cola.

Los largueros se mecanizan directamente con el revestimiento y conforman la superficie reglada que es el fuselaje.

Propulsión

La planta propulsiva de la aeronave es muy importante. Es la que genera el empuje necesario para que el avión alcance velocidades que le permitan sustentarse.

La propulsión utilizada depende de la velocidad para la que se diseña el avión. Para bajos números de Mach se pueden utilizar motores de hélice alternativos. Para Mach del orden de 0, 4 ya se usan turbohélices (motor de reacción con hélice fuera de la góndola y turbina interior). Para aviones que vuelen por encima de 0, 6 Mach se utilizan turbofanes (motor de reacción con turbina y fan incluido dentro de la góndola para la doble derivación del flujo y aportar mayor empuje). En general, el peso de los motores no se concibe como un factor nocivo sino más bien lo contrario  porque ayuda a reducir el momento en el encastre del ala a altas velocidades.

Arquitectura de la cola

La cola es un elemento muy importante del avión. En ella se localizan los estabilizadores horizontales y verticales cuya función es la de mantener la estabilidad del avión u otorgar el momento necesario para moverse en el plano vertical (subir/bajar) con el estabilizador horizontal, o bien moverse en el plano horizontal (izquierda/derecha) con el estabilizador vertical.

La cola debe ser alta (normalmente en T), si se tiene ala alta para que no se quemen los estabilizadores con el flujo de salida de los motores. En otro caso, se encastra en la parte final del fuselaje. A continuación se muestran varias configuraciones de cola:

Disposición de la cabina

A fin de albergar la mayor carga de pago, cumplir con la normativa de seguridad aérea e intentar conseguir unos razonables estándares de confort, la cabina debe tener una disposición determinada. Para aviones con número de pasajeros inferior a 200, se pone un pasillo (narrow body). Si el número de pasajeros está entre 200 y 500 (wide body), se ponen dos pasillos. Si el número de pasajeros es superior a 500, se ponen dos pisos y dos pasillos.

Las reglas son las siguientes: Entre la pared y un pasillo no puede haber más de 3 asientos. Entre un pasillo y otro no puede haber más de 6 asientos, tres evacúan a un pasillo y otros tres al otro pasillo.  Esto significa que en aviones narrow body puede haber un máximo de 6 asientos por fila y en los wide body el máximo es de 12 asientos por fila. El paso mínimo entre fila y fila es de 0, 76 m. Con estos parámetros se puede jugar para confeccionar la zona turista y business, con distintos estándares de confort.

Utilizando estos factores (y otros muchos, como el tren de aterrizaje, diagramas carga de pago-alcance, estudio de pesos, etc.) se puede empezar a diseñar un avión.

Imágenes: Archivo de Carlos Ganado Alcocer