Kitabı oku: «Operaciones auxiliares de mantenimiento externo de la aeronave. TMVO0109»

Capítulo 1
Conceptos básicos relativos a las aeronaves
1. Introducción

En este primer capítulo, se van a estudiar los mecanismos físicos que permiten que un avión vuele.

En primer lugar, se estudiarán las propiedades del aire y los principios de la aerodinámica que rigen las interacciones entre el aire y el avión, permitiendo que este sea capaz de volar, y, en segundo lugar, se analizarán las partes estructurales que forman parte de una aeronave y la función que cumple cada una de ellas en el vuelo.

En resumen, este capítulo es una aproximación al avión que servirá de punto de partida para ir conociendo en profundidad el diseño general de una aeronave y todos los sistemas que debe llevar: mecánicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, etc., para hacer frente a todas las necesidades que pueden darse durante un vuelo.

2. El aire

Como primer paso y en líneas generales, se va a dedicar un pequeño espacio al estudio del aire, ya que es una parte fundamental a la hora de que un avión vuele. Un avión no vuela porque tenga motor y alas, sino que el vuelo es el resultado de la interacción de un medio natural, que es el aire, con una máquina, que es el avión.

Para lograr el vuelo, es necesario que el aire y el avión actúen el uno sobre el otro de acuerdo con los principios de la aerodinámica.

El aire está compuesto por una mezcla de gases, que son el nitrógeno (78%), el oxígeno (21%) y un 1% de varios elementos como el helio, el argón, el dióxido de carbono, el vapor de agua, etc.

Se van a ver a continuación las propiedades más importantes del aire que intervienen en su comportamiento aerodinámico.

2.1. Presión

La presión es la magnitud que relaciona una fuerza con la superficie sobre la que actúa.

La atmósfera que envuelve la tierra es una capa de aire que tiene una altura aproximada de 400 km y, como el resto de la materia, tiene la propiedad de tener peso. Por lo tanto, la presión del aire a nivel del mar es el peso de una columna de aire de 400 km de altura. Esta presión equivale a 1,013 bar (10 toneladas/m²) o también a 1 atmósfera.

La presión atmosférica varía con la altura, ya que se reduce el peso de la columna de aire que se encuentra por encima. A una altura de 5.500 m (180.000 pies), la presión es la mitad de la existente a nivel del mar, es decir, la presión es de 0,5 atm.

Sabía que...

La atmósfera tipo o estándar, conocida por las siglas ISA (International Standard Atmosphere) es un modelo matemático creado por la Organización Internacional de Aviación Civil que se define como una atmósfera ideal con condiciones climáticas medias. La atmósfera real no se comporta igual que la estándar, pero se parece lo bastante como para utilizarla de patrón en diseño de aeronaves o en Climatología y Meteorología.

2.2. Temperatura

La temperatura del aire varía con la altura de forma desigual. A partir del nivel del mar, esta disminuye con la altura (unos 6,5 ºC por cada km de altitud en la llamada atmósfera estándar) hasta llegar a los 11.000 m (36.090 pies) a partir de los cuales la temperatura permanece constante con un valor de –56,5 ºC hasta los 25.900 m (85.000 pies). A partir de esta altura, hay variaciones de temperatura diferentes que, en la atmósfera estándar, se definen mediante un patrón de temperatura según la altitud.

2.3. Densidad

La densidad del aire es la propiedad más importante para la aerodinámica y, como en todos los gases, aumenta con la presión y disminuye con la temperatura. Por eso, el aire es menos denso a grandes alturas, ya que la presión es más baja, y una masa de aire frío es más densa que una masa de aire caliente.

Los cambios de densidad afectan al comportamiento del avión. A más altura, donde la densidad es más baja, un avión podrá volar más rápido utilizando la misma potencia que a baja altura, con densidad mayor. Esto es debido a que, a mayor altura, el aire ofrecerá menos resistencia, por tener menos partículas de aire por unidad de volumen.

Actividades

1. Buscar en internet cómo varía la presión atmosférica con la altitud. ¿La variación es uniforme con la altura? ¿A qué puede deberse?

2.4. Viscosidad

La viscosidad es una propiedad de los fluidos que representa la dificultad que oponen las partículas del fluido a moverse unas con respecto a las otras.

Si se suponen dos chapas infinitas separadas una distancia h, una de ellas en reposo y la otra con una velocidad v, el fluido que está entre ellas tenderá a moverse con las chapas.

Unas capas de fluido se moverán con respecto a las otras oponiendo una fuerza de rozamiento que será mayor cuanto más grande sea la viscosidad del fluido.

La viscosidad del aire será muy importante en el estudio del flujo en la superficie del ala del avión, en la denominada capa límite, que tiene aproximadamente 1 cm de espesor.

Cuando el aire se mueve sobre una superficie, las partículas de aire que están más próximas a la superficie tienen velocidad cero, debido a la viscosidad. Esta velocidad va creciendo hasta llegar a la velocidad de la corriente libre en un espesor no mayor de 1 cm, que es lo que se conoce como capa límite. En ese pequeño espacio, se producen grandes variaciones de velocidad, que va desde cero a varios cientos de metros por segundo en el exterior de la capa límite.

2.5. Velocidad del sonido

La velocidad del sonido en el aire es muy importante en el estudio del vuelo a alta velocidad. Cuando un avión se desplaza a través del aire, este provoca variaciones de presión a su alrededor que se transmiten a la velocidad del sonido. La velocidad del sonido es función del medio en el que se desplaza y de la temperatura. La velocidad del sonido a nivel del mar y 20 ºC es de 340 m/s.

Sabía que...

En el vuelo a velocidades supersónicas (por encima de la velocidad del sonido), es frecuente que la velocidad se exprese mediante el número de Mach, que se define como la velocidad del avión v dividida por la velocidad del sonido a.

Por eso, cuando se dice que un avión vuela a Mach-2 significa que va al doble de la velocidad del sonido, esto es, a 680 m/s.

Actividades

2. Buscar en internet la gráfica de variación de la velocidad del sonido con la altitud y compararla con la gráfica de temperatura. ¿Se parecen? ¿A qué se debe?

3. Buscar en internet información sobre distintos aviones comerciales o militares y comparar los datos de diseño de altitud de vuelo. ¿A qué alturas suelen volar en general?

2.6. Torbellinos

El movimiento de un cuerpo dentro de un fluido produce una serie de perturbaciones, dentro de las cuales los torbellinos son los que más interesan.

Un torbellino se crea cuando existe un movimiento de giro de una masa de aire alrededor de un eje y este giro se transmite por viscosidad a las masas adyacentes.

Los torbellinos se forman generalmente en las zonas de unión de capas de aire que se mueven a distinta velocidad.

Formación de torbellinos en extremos del ala

3. Aerodinámica básica. Teoría del vuelo

La aerodinámica es una rama de la mecánica de fluidos que estudia las fuerzas que se originan cuando existe un movimiento relativo entre un fluido y un objeto que se encuentra inmerso en él. Estas fuerzas que aparecen sobre el cuerpo se rigen por una serie de principios que se van a ver a continuación y que son fundamentales a la hora de hacer un diseño de un avión que sea capaz de volar con la seguridad y eficiencia energética requeridas.

Sabía que...

La aerodinámica tiene múltiples aplicaciones en el diseño industrial actual, principalmente en automoción y aeronáutica, pero también en el diseño de aerogeneradores o algo tan sencillo como una vela de windsurf. La aerodinámica es fundamental para buscar los diseños de las superficies que, además de cumplir su función principal, deben hacerlo con una superficie aerodinámica que oponga la menor resistencia posible al aire para que permita un consumo de combustible mínimo.

Igualmente, en el diseño de barcos o vehículos acuáticos, se utiliza la hidrodinámica, donde el medio en que se mueve la nave es el agua.

3.1. Principio de continuidad

El principio de continuidad establece que el flujo de masa de fluido que atraviesa un conducto debe ser constante, es decir, la masa que entra en un determinado intervalo de tiempo en un tubo es igual a la masa que sale en ese tiempo.

Este principio se expresa mediante la ecuación de continuidad:

Siendo ρ la densidad del fluido, A el área de la sección del conducto y v la velocidad del fluido.

Nota

La densidad es el peso por unidad de volumen y se expresa en kg/m³.

En el vuelo subsónico, la densidad del aire permanece prácticamente constante, por lo que la ecuación de continuidad queda:

Es decir, la velocidad del aire será inversamente proporcional al área de la sección.

Esto quiere decir que si se tiene una tubería por la que se mueve un fluido y esta presenta un estrechamiento, el fluido aumentará su velocidad en el estrechamiento para que la masa que atraviesa la tubería permanezca constante.

3.2. Ecuación de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli establece que la energía de un fluido que se mueve a lo largo de un conducto debe permanecer constante.

La energía de una corriente de aire es la suma de dos componentes: la energía potencial o presión estática y la energía cinética, debida a la velocidad que lleva el fluido.

Por lo tanto, de acuerdo con la conservación de la energía, si se tiene un fluido que se mueve a lo largo de un conducto y en un determinado tramo aumenta la velocidad, será necesario que disminuya la presión para que la energía permanezca constante.

La ecuación de Bernoulli se expresa matemáticamente como:

De la combinación de los dos principios que se han visto, se deduce que, en una reducción de sección de un tubo, el flujo de aire experimentará un aumento de velocidad para mantener el flujo de masa constante y, como consecuencia de este aumento de velocidad, se producirá una disminución de la presión, de acuerdo con la ecuación de Bernoulli.

3.3. Perfil aerodinámico

Un perfil aerodinámico es una superficie que se diseña para aprovechar al máximo las fuerzas que se originan por la variación de velocidad y presión cuando este perfil se mueve dentro de un fluido.

Se puede decir, por tanto, que todas las partes del avión que transforman la resistencia del aire en una fuerza útil para el vuelo son perfiles aerodinámicos.

Ejemplo

Son perfiles aerodinámicos las palas de una hélice que, con su giro, generan una fuerza de tracción, o el perfil de las alas.

Para ver cómo funciona un perfil aerodinámico, se va a estudiar el perfil de un ala convencional.

Las características geométricas de un perfil aerodinámico son:

1 Intradós: superficie inferior del perfil.

2 Extradós: superficie superior del perfil.

3 Línea de curvatura media: línea media entre el extradós y el intradós.

4 Borde de ataque: borde delantero del ala, es decir, la parte que primero entra en contacto con el aire.

5 Borde de salida: borde trasero del ala, es decir, donde se unen las corrientes perturbadas por el ala.

6 Radio de borde de ataque: medida de la forma del borde de ataque. Se define como el radio de un círculo tangente al extradós y con su centro situado en la tangente en el origen a la línea de curvatura media.

7 Cuerda: longitud de la línea que une el borde de ataque con el borde de salida.

8 Espesor máximo: máxima distancia entre el intradós y el extradós. Se mide en % de la cuerda. Suele variar entre el 3% en los perfiles muy delgados y el 24% en los perfiles gruesos y su localización también suele ser importante. Un valor típico es el 30% respecto al borde de ataque.

Actividades

4. Buscar en internet distintos perfiles aerodinámicos de alas con sus características geométricas principales, indicando el tipo de avión de que se trata y sus datos de tamaño y peso.

3.4. ¿Por qué vuela un avión?

Supóngase un perfil aerodinámico que se mueve en el aire. Cuando el aire choca con el borde de ataque, se divide en dos corrientes, una que recorre la superficie curvada superior y otra que recorrerá la superficie inferior.

Se puede asimilar el perfil aerodinámico que corta el aire a un estrechamiento en un tubo de fluido imaginario, que, según el principio de continuidad, elevaría la velocidad de la corriente de aire, ya que esta tendría menor sección de paso.

Las dos corrientes, superior e inferior, deben llegar al borde de salida al mismo tiempo, pero, debido a las diferentes curvaturas del intradós y extradós y a que la superficie superior es más larga, la corriente superior tendrá una velocidad mayor. Por el principio de Bernoulli se produce una variación de la presión en ambas corrientes y la presión en la parte superior del perfil será menor que en la parte inferior.

Esta diferencia de presiones origina una resultante dirigida hacia arriba, que es la llamada fuerza aerodinámica y está aplicada en un punto llamado centro de presiones.

Se puede descomponer esta fuerza en una componente vertical, que recibe el nombre de sustentación, y una componente horizontal, que se llama resistencia.

La localización del centro de presiones depende de la geometría del perfil y se desplaza a lo largo de él dependiendo del ángulo de ataque. Si aumenta el ángulo de ataque, la distribución de presiones en el intradós y extradós varía, aumentando la sustentación y desplazándose hacia delante el centro de presiones.

3.5. Factores que influyen en la fuerza aerodinámica

La sustentación total que se origina en un perfil es proporcional a la densidad del aire ρ, a la velocidad al cuadrado y a la superficie del ala, S. Matemáticamente, se expresa como:

Donde C_I es el coeficiente de sustentación del perfil (para el avión completo se utiliza C_L) que depende del ángulo de ataque.

Los factores más importantes que influyen en la distribución de presiones y la sustentación son:

1 Forma del perfil aerodinámico del ala: como se ha visto, la diferencia de curvaturas entre el extradós y el intradós del ala es lo que provoca la diferencia de velocidades entre las dos corrientes y, por lo tanto, la distribución de presiones a lo largo del perfil aerodinámico.

2 Velocidad de la corriente: a mayor velocidad de la corriente, mayor será la sustentación. La sustentación depende de la velocidad al cuadrado, por lo que este será el factor que más influye en la fuerza aerodinámica resultante.

3 Densidad del aire: a mayor densidad, mayor será el número de partículas que cambian de velocidad y presión, es el factor ρ de la ecuación de Bernoulli.

4 Viscosidad del aire: propiedad del aire que determina las velocidades del aire en la capa límite y, por lo tanto, es responsable de la distribución de presiones en la superficie aerodinámica.

5 Forma en planta y superficie alar: cuanto más grandes sean las alas de un avión, mayor será la sustentación que producen, pero también se incrementa la resistencia, ya que aumenta la superficie de ala enfrentada al aire.

6 Ángulo de ataque: ángulo que forma la línea de cuerda del perfil aerodinámico con la línea de la corriente, es decir, el ángulo con el que incide el aire sobre el ala. Normalmente, la sustentación aumenta con el ángulo de ataque, hasta llegar a un punto donde la sustentación decrece bruscamente. Este fenómeno se conoce como entrada en pérdida.

La influencia del ángulo de ataque en las fuerzas aerodinámicas que se producen en un perfil es particularmente interesante, por lo que se va a ver en detalle.

En la siguiente imagen, se puede ver cómo varía el coeficiente de sustentación para un perfil aerodinámico cuando aumenta el ángulo de ataque. Según este gráfico, la sustentación en el ala iría creciendo con el ángulo de ataque. La distribución de presiones variará debido a que la velocidad de la corriente de aire superior aumenta en mayor proporción que en la superficie inferior. El incremento de sustentación se produce hasta llegar a un determinado ángulo, llamado ángulo de pérdida, en donde decrece bruscamente y se dice que el perfil entra en pérdida.

Lo que ocurre en este punto es que la corriente de aire superior se separa del perfil y se hace turbulenta, perdiendo la distribución de presiones hacia arriba de la parte superior del perfil y, por tanto, perdiendo la fuerza de sustentación.

Es importante destacar que la entrada en pérdida depende exclusivamente de la forma del perfil y del ángulo de ataque, pudiendo ocurrir a cualquier velocidad o altitud.

Definición

Flujo laminar Se considera que el fluido se mueve en capas uniformes denominadas láminas.

Flujo turbulento En este flujo, las partículas se mueven sin orden, no siendo constante ni la velocidad ni la dirección de su movimiento.

El tipo de flujo puede variar de laminar a turbulento principalmente debido a la velocidad de la corriente, pero también debido a la existencia de rugosidades en la superficie, diferencias de presión, viscosidad, etc. Para definir el punto de paso entre un régimen y otro se utiliza el número de Reynolds.

En las maniobras de despegue y aterrizaje, se necesita baja velocidad y un gran ángulo de ataque, por lo que son especialmente propensas a la entrada en pérdida, de ahí que se utilicen dispositivos hipersustentadores en las alas, como los flaps y los slats.

Aplicación práctica

Se ha visto que un perfil aerodinámico se diseña para que la corriente de aire superior tenga más velocidad que la corriente de aire inferior, de tal forma que la resultante de presión sea vertical hacia arriba. Entonces, ¿cómo es posible que un avión pueda volar boca abajo? En este caso, la resultante estaría dirigida hacia abajo, ¿no es cierto?

SOLUCIÓN

Los factores más influyentes en la fuerza aerodinámica que se genera durante un vuelo son la forma geométrica del perfil aerodinámico y el ángulo de ataque, por lo que en los vuelos acrobáticos uno de los factores que más debe controlar el piloto es la consecución del ángulo de ataque idóneo para cada situación de vuelo. En el vuelo con el avión en posición invertida, será el ángulo de ataque el responsable de la obtención de una sustentación positiva.

3.6. Resistencia aerodinámica

La resistencia aerodinámica (D) es la componente horizontal de la fuerza aerodinámica y su sentido es opuesto al avance del avión. Matemáticamente, se expresa como una función de la presión dinámica, la superficie alar y un coeficiente C_D, llamado coeficiente de resistencia, que depende del ángulo de ataque.

La resistencia que opone el aire al avance del avión se produce por varios factores que determinan los siguientes tipos de resistencia:

1 Resistencia parásita, en la que se incluyen las siguientes:

1 Resistencia de forma o de presión, debida al desprendimiento de la capa límite y a la estela que genera.

2 Resistencia de fricción superficial, debida a la viscosidad del aire sobre las superficies del avión.

3 Resistencia de interferencia, que resulta de las perturbaciones producidas por las uniones entre diferentes partes del avión (alas y fuselaje, alas y nacelles, que albergan motores, carenados, etc.) o por las interferencias entre capas límite.

1 Resistencia inducida, que es un producto de la sustentación y se incrementa con el ángulo de ataque. Como el ala no es infinita, en sus extremos se produce la unión de las corrientes de aire superior e inferior, que tienen velocidad y presión distinta. En el extremo del ala, la corriente de aire inferior con mayor presión se mueve hacia arriba hacia la corriente de menor presión, originando torbellinos que producen el efecto de inclinar la fuerza de sustentación hacia atrás.

Las aletas marginales o winglets se utilizan para disminuir este efecto y con ello reducir la resistencia inducida.

Definición

Winglets Pequeñas superficies situadas en los extremos de las alas que se diseñan para que la unión entre las dos corrientes de aire se haga de forma más gradual y, por lo tanto, el torbellino generado sea menor.

Actividades

5. Buscar fotos de diferentes aviones e identificar las zonas que usted crea que son generadoras de resistencias de interferencia.

6. ¿Cuáles son los factores que influyen en la fuerza de sustentación?