En aeronáutica , el refuerzo comprende miembros estructurales adicionales que endurecen la estructura funcional del avión para darle rigidez y resistencia bajo carga. El refuerzo puede aplicarse tanto interna como externamente y puede tomar la forma de puntales , que actúan en compresión o tensión según sea necesario, y/o alambres , que actúan sólo en tensión.
En general, los refuerzos permiten una estructura más fuerte y liviana que una que no está reforzada, pero los refuerzos externos en particular agregan resistencia , lo que ralentiza la aeronave y plantea muchos más problemas de diseño que los refuerzos internos. Otra desventaja de los cables de refuerzo es que requieren controles y ajustes de rutina, o montaje , incluso cuando están ubicados internamente.
Durante los primeros años de la aviación, los refuerzos eran una característica universal de todos los tipos de aviones, incluidos los monoplanos y los biplanos , que entonces eran igualmente comunes. Hoy en día, todavía se utilizan refuerzos en forma de puntales elevadores para algunos diseños comerciales ligeros en los que un ala alta y un peso ligero son más importantes que el máximo rendimiento.
El refuerzo funciona creando una estructura de celosía triangular que resiste la flexión o la torsión. En comparación, una estructura en voladizo sin refuerzo se dobla fácilmente a menos que lleve mucho refuerzo pesado. Hacer la estructura más profunda permite que sea mucho más ligera y rígida. Para reducir el peso y la resistencia del aire, la estructura puede hacerse hueca, con refuerzos que conecten las partes principales de la estructura del avión. Por ejemplo, a un monoplano de ala alta se le puede dar un puntal de elevación diagonal que va desde la parte inferior del fuselaje hasta una posición muy alejada hacia la punta del ala. Esto aumenta la profundidad efectiva de la raíz del ala hasta la altura del fuselaje, haciéndolo mucho más rígido con un pequeño aumento de peso.
Normalmente, los extremos de los puntales de refuerzo se unen a los componentes estructurales internos principales, como un larguero de ala o un mamparo del fuselaje, y los cables de refuerzo se unen cerca.
Los refuerzos se pueden utilizar para resistir todas las diversas fuerzas que se producen en una estructura de avión, incluida la sustentación, el peso, el arrastre y la torsión. Un puntal es un componente de refuerzo lo suficientemente rígido como para resistir estas fuerzas, ya sea que lo coloquen bajo compresión o tensión. Un alambre es un componente de refuerzo capaz sólo de resistir la tensión, aflojándose bajo compresión y, en consecuencia, casi siempre se usa junto con puntales.
Un marco cuadrado hecho de barras sólidas no es rígido pero tiende a doblarse en las esquinas. Reforzarlo con una barra diagonal adicional sería pesado. Un cable sería mucho más ligero pero evitaría que colapsara en un solo sentido. Para mantenerlo rígido, se necesitan dos alambres transversales. Este método de refuerzo transversal se puede ver claramente en los primeros biplanos, donde las alas y los puntales entre planos forman un rectángulo que está reforzado por cables.
Otra forma de disponer una estructura rígida es hacer que los travesaños sean lo suficientemente sólidos para actuar en compresión y luego conectar sus extremos con un diamante exterior que actúa en tensión. Este método alguna vez fue común en los monoplanos, donde el ala y una cabina central o un pilón forman los travesaños, mientras que los refuerzos de alambre forman el diamante exterior.
Los refuerzos de alambre , que se encuentran con mayor frecuencia en biplanos y otros aviones multiplano , también eran comunes en los primeros monoplanos .
A diferencia de los puntales, los alambres de refuerzo siempre actúan en tensión.
El grosor y el perfil de un cable afectan la resistencia que provoca, especialmente a velocidades más altas. Los cables pueden estar hechos de cable multifilar, de un solo hilo de cuerda de piano o de acero con secciones de perfil aerodinámico .
Los cables de refuerzo se dividen principalmente en cables de vuelo que sujetan las alas hacia abajo cuando vuelan y cables de aterrizaje que sostienen las alas hacia arriba cuando no generan sustentación. (Los cables que conectan una canasta o góndola a un globo también se denominan cables voladores). A veces se pasan cables de incidencia más delgados en diagonal entre los puntales interplanos delanteros y traseros para evitar que el ala se tuerza y cambie su ángulo de incidencia con respecto al fuselaje. [1] En algunos aviones pioneros, los cables de refuerzo de las alas también se tendían en diagonal hacia adelante y hacia atrás para evitar la distorsión bajo cargas laterales, como al girar. Además de las cargas básicas impuestas por la sustentación y la gravedad, los cables de arriostramiento también deben soportar potentes cargas inerciales generadas durante las maniobras, como el aumento de carga sobre los cables de aterrizaje en el momento del aterrizaje. [2]
Los alambres de refuerzo deben montarse cuidadosamente para mantener la longitud y tensión correctas. En vuelo, los cables tienden a estirarse bajo carga y al aterrizar algunos pueden aflojarse. Se requieren controles regulares del aparejo y se realizan los ajustes necesarios antes de cada vuelo. Los ajustes de aparejo también se pueden utilizar para establecer y mantener el diedro del ala y el ángulo de incidencia , generalmente con la ayuda de un clinómetro y una plomada . Los cables individuales están equipados con tensores o terminales roscados para que puedan ajustarse fácilmente. Una vez configurado, el ajustador queda bloqueado en su lugar. [3]
El refuerzo interno fue más significativo durante los primeros días de la aeronáutica, cuando las células de los aviones eran literalmente armazones, en el mejor de los casos cubiertos con tela dopada que no tenía resistencia propia. Se utilizaron ampliamente refuerzos transversales de alambre para reforzar dichas estructuras, tanto en las alas cubiertas de tela como en el fuselaje, que a menudo se dejaba desnudo.
Fue necesario un montaje rutinario de los cables para mantener la rigidez estructural contra la flexión y la torsión. Un problema particular para los cables internos es el acceso al estrecho interior del fuselaje.
A menudo, proporcionar suficiente refuerzo interno haría que el diseño fuera demasiado pesado, por lo que para que la estructura del avión sea a la vez ligera y resistente, el refuerzo se coloca externamente. Esto era común en los primeros aviones debido a la limitada potencia del motor disponible y la necesidad de un peso ligero para poder volar. A medida que la potencia de los motores aumentó constantemente durante las décadas de 1920 y 1930, se hicieron viables estructuras de avión mucho más pesadas y la mayoría de los diseñadores abandonaron los refuerzos externos para permitir una mayor velocidad.
Casi todos los aviones biplano tienen sus planos superior e inferior conectados por puntales interplanos, con el ala superior cruzando por encima del fuselaje y conectada a él mediante puntales de cabane más cortos. Estos puntales dividen las alas en tramos que están sostenidos por cables diagonales. Los cables de vuelo corren hacia arriba y hacia afuera desde el ala inferior, mientras que los cables de aterrizaje corren hacia abajo y hacia afuera desde el ala superior. La combinación resultante de puntales y cables es una estructura rígida similar a una viga de caja independiente de los soportes del fuselaje.
Los puntales entre planos mantienen separadas las alas de un biplano o multiplano, y también ayudan a mantener el ángulo de incidencia correcto para los paneles de ala conectados.
Puntales paralelos : La configuración más común es colocar dos puntales en paralelo, uno detrás del otro. Estos puntales normalmente estarán reforzados por "cables de incidencia" que corren diagonalmente entre ellos. Estos cables resisten la torsión del ala que afectaría su ángulo de incidencia con el flujo de aire.
Los puntales N reemplazan los cables de incidencia por un tercer puntal que corre diagonalmente desde la parte superior de un puntal hasta la parte inferior del otro en un par.
Los puntales en V convergen desde puntos de fijación separados en el ala superior a un único punto en el ala inferior. Se utilizan a menudo para el ala de sesquiplano , en la que el ala inferior tiene una cuerda considerablemente más pequeña que la del ala superior.
Los I-struts reemplazan el par habitual de puntales por un solo puntal aerodinámico más grueso con sus extremos extendidos hacia adelante y hacia atrás a lo largo del ala.
La envergadura de un ala entre dos conjuntos de puntales interplano o cabane se llama bahía . Las alas se describen por el número de bahías a cada lado. Por ejemplo, un biplano con puntales de cabina y un juego de puntales entre planos a cada lado del avión es un biplano de bahía única.
Para un tipo pequeño como un explorador de la Primera Guerra Mundial como el Fokker D.VII , una bahía suele ser suficiente. Pero para alas más grandes que transportan mayores cargas útiles, se pueden utilizar varios compartimentos. El Curtiss JN-4 Jenny de dos asientos es un biplano de dos bahías, mientras que los tipos grandes y pesados eran a menudo biplanos o triplanos de bahías múltiples: los primeros ejemplos del Albatros BI alemán , y todos los ejemplos de producción del biplaza desarmado DFW BI. Los biplanos de observación de 1914 fueron dos de los pocos biplanos monomotores de tres bahías utilizados durante la Primera Guerra Mundial.
Algunas alas de biplano están reforzadas con puntales inclinados hacia los lados y las bahías forman una armadura Warren en zigzag . Los ejemplos incluyen la serie Ansaldo SVA de biplanos de reconocimiento monomotor de alta velocidad de la Primera Guerra Mundial y el Fiat CR.42 Falco de principios de la Segunda Guerra Mundial .
También se han utilizado otras variaciones. El caza SPAD S.XIII , aunque parece ser un biplano de dos bahías, tiene sólo una bahía, pero tiene los puntos medios del aparejo reforzados con puntales adicionales, sin embargo, estos no son estructuralmente contiguos desde el ala superior al inferior. El Sopwith 1 + 1 ⁄ 2 Strutter tiene una cabina en forma de W, sin embargo, como no conecta las alas entre sí, no aumenta el número de bahías.
Cuando un avión tiene un ala que pasa por encima del fuselaje principal, los dos componentes suelen estar conectados mediante puntales de cabina que van desde la parte superior del fuselaje o la cabina de la tripulación hasta la sección central del ala. Por lo general, un ala de este tipo también se arriostra en otro lugar, y los puntales de la cabane forman parte del esquema de arriostramiento general.
Debido a que los puntales de las cabañas a menudo llevan el empuje del motor al ala superior para superar su resistencia, las cargas a lo largo de cada diagonal entre los puntales delanteros y traseros son desiguales y a menudo están formados como puntales en N. También pueden tener cables de torsión cruzados para ayudar a detener la torsión del ala. Algunos diseños de biplanos, como el caza/escolta biplaza británico Bristol Fighter de 1917, tenían el fuselaje libre del ala inferior y del ala superior, utilizando puntales de cabane ventrales para lograr tal característica de diseño.
Los primeros monoplanos dependían completamente de refuerzos de alambre externos, ya sea directamente al fuselaje o a los postes superiores encima de él y a los puntales del tren de aterrizaje debajo para resistir las mismas fuerzas de sustentación y gravedad. Muchos monoplanos posteriores, a partir de 1915 , han utilizado alas voladizas con su sustentación apuntalada dentro del ala para evitar las penalizaciones de arrastre de los cables y puntales externos .
En muchos de los primeros monoplanos reforzados con alambre , por ejemplo, el Blériot XI y el Fokker Eindecker (ambos diseños de alabeo ), se colocaban sistemas de puntales dorsales y, a veces, ventrales o cabañas encima, o encima y debajo del fuselaje. Esto podría usarse tanto para brindar cierta protección al piloto si la nave volcara en el suelo, como también para sujetar los cables de aterrizaje que corrían en una V ligeramente inclinada hacia los puntos delanteros y traseros cerca de las puntas de las alas. En los monoplanos de ala tipo sombrilla, el ala pasa por encima del fuselaje y está unida al fuselaje mediante puntales cabane, de manera similar al ala superior de un biplano. [4]
En algunos tipos, la cabaña se reemplaza por un único pilón grueso y aerodinámico.
En un avión de ala alta, un puntal de elevación conecta un punto exterior del ala con un punto más bajo del fuselaje para formar una estructura triangular rígida. Mientras está en vuelo, el puntal actúa en tensión para llevar la sustentación del ala al fuselaje y mantener el ala nivelada, mientras que cuando vuelve al suelo actúa en compresión para mantener el ala en alto. [5]
Para aviones con potencia y velocidad de motor moderadas, los puntales de elevación representan un compromiso entre la alta resistencia de una estructura completamente cruzada y el alto peso de un ala completamente en voladizo. Son comunes en los tipos de ala alta como el Cessna 152 y casi universales en los tipos de alas tipo sombrilla como el Consolidated PBY Catalina .
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Con menos frecuencia, algunos monoplanos de alas bajas como el Piper Pawnee han tenido puntales de elevación montados sobre el ala, que actúan en compresión en vuelo y en tensión en el suelo.
A veces, cada ala tiene un solo puntal de elevación, como en el Cessna 152, pero a menudo vienen en pares, a veces paralelos como en el Catalina, a veces ensanchados o como pares en forma de V (por ejemplo, Auster Autocrat ) unidos al fuselaje en un solo punto. Se han utilizado muchas disposiciones más complicadas, a menudo con dos puntales de elevación primarios aumentados por interconexiones auxiliares conocidas como puntales de jurado entre sí o con el ala o el fuselaje. Cada par de puntales en V invertida del Pawnee, por ejemplo, está asistido por un par de puntales de soporte verticales. [6]
Desde los primeros tiempos, estos puntales de elevación se han simplificado, a menudo encerrando miembros metálicos que soportan la carga en carcasas perfiladas. El Farman F.190 , por ejemplo, tenía sus alas altas unidas a la parte inferior del fuselaje mediante tubos paralelos de duraluminio encerrados en carenados aerodinámicos de abeto [7] y el Westland Lysander usaba vigas extruidas de aleación ligera de sección I, sobre las cuales se atornillaban unas alas delanteras y traseras. Par de carenados de duraluminio en popa. [8] Los aviones posteriores han tenido puntales aerodinámicos formados directamente a partir de metal moldeado, como los puntales de aleación ligera extruidos del Auster AOP.9 , [9] o de materiales compuestos, por ejemplo, los puntales elevadores de fibra de carbono del Remos GX eLITE . [10] Los diseñadores han adoptado diferentes métodos para mejorar la aerodinámica de las conexiones puntal-ala y puntal-cuerpo, utilizando enfoques similares a los utilizados en puntales interplanos. A veces, la racionalización se estrecha cerca del ala, como en el Farman F.190; [7] Otros diseños tienen un pie carenado extendido, por ejemplo el Skyeton K-10 Swift . [11]
Los puntales de elevación a veces se combinan con otras funciones, por ejemplo ayudando a sostener los motores como en el Westland IV o el tren de aterrizaje como en el Scottish Aviation Twin Pioneer . [12] [13]
Los puntales de elevación siguen siendo comunes en aviones ligeros pequeños (de 2/4 asientos) de ala alta en las categorías ultraligeras y deportivas ligeras . Ejemplos más importantes incluyen el avión de pasajeros STOL de 10 asientos Pilatus Porter y el de Havilland Twin Otter de 19 plazas. [14] [15] [16] [17]
Un puntal de elevación puede ser tan largo y delgado que se dobla con demasiada facilidad. Los puntales del jurado son pequeños puntales subsidiarios que se utilizan para reforzarlo. [18] Previenen problemas como vibraciones resonantes y pandeo bajo cargas de compresión.
Los puntales del jurado vienen en muchas configuraciones. En monoplanos con un puntal principal, puede haber un solo puntal de jurado que conecta el puntal principal a un punto intermedio del ala. Un monoplano reforzado con puntales en 'V' como el Fleet Canuck puede tener un conjunto complicado de puntales de jurado.
Los refuerzos, tanto internos como externos, se utilizaron ampliamente en los primeros aviones para soportar las estructuras livianas exigidas por las bajas potencias de los motores y las bajas velocidades de vuelo disponibles en ese momento. Desde el primer aviador Wright de 1903, el fuselaje no era más que una estructura reforzada e incluso se utilizaban refuerzos diagonales longitudinales para sujetar las alas en ángulo recto con respecto a él.
Algunos aviones muy antiguos utilizaban puntales hechos de bambú . La mayoría de los diseños empleaban puntales aerodinámicos hechos de madera de abeto o fresno , seleccionados por su resistencia y peso ligero. [2] También se utilizaron puntales metálicos, y tanto la madera como el metal continúan utilizándose en la actualidad.
La necesidad de reforzar las alas longitudinales desapareció con la llegada de motores más potentes en 1909, pero los refuerzos siguieron siendo esenciales para cualquier diseño práctico, incluso en monoplanos hasta la Primera Guerra Mundial, cuando se volvieron impopulares y los biplanos reforzados reinaron.
A partir de 1911, el investigador británico Harris Booth, que trabajaba en el Laboratorio Nacional de Física , y el ingeniero Richard Fairey , que entonces trabajaba para Blair Atholl Aeroplane Syndicate de JW Dunne , comenzaron a desarrollar y aplicar el análisis de ingeniería de bahías individuales en un biplano, para calcular la fuerzas estructurales y utilizar la mínima cantidad de material en cada tramo para lograr la máxima resistencia. [19] Técnicas analíticas como ésta condujeron a aviones más ligeros y resistentes y fueron ampliamente adoptados.
Al mismo tiempo, se podría reducir progresivamente la cantidad de refuerzos. A bajas velocidades, un cable delgado causa muy poca resistencia y las primeras máquinas voladoras a veces se llamaban "jaulas de pájaros" debido a la cantidad de cables presentes. Sin embargo, a medida que aumentan las velocidades, el cable debe hacerse más delgado para evitar el arrastre mientras aumentan las fuerzas que transporta. El aumento constante de la potencia del motor permitió un aumento igualmente constante del peso, lo que requirió menos refuerzos. También se desarrollaron alambres de refuerzo especiales con secciones planas o aerodinámicas en un intento de reducir aún más la resistencia.
El profesor alemán Hugo Junkers estaba seriamente interesado en eliminar los puntales y los aparejos que inducían la resistencia al comienzo de la Primera Guerra Mundial, y a mediados de 1915 su empresa había diseñado el monoplano "demostrador de tecnología" totalmente metálico Junkers J 1 , que no poseía ningún tipo de tecnología. refuerzo externo para su diseño de ala voladiza de perfil grueso, que podía volar a poco más de 160 km/h con un motor de seis pistones en línea de sólo 120 caballos de fuerza.
Al final de la Primera Guerra Mundial, la potencia de los motores y la velocidad del aire habían aumentado lo suficiente como para que la resistencia causada por los cables de refuerzo en un biplano típico afectara significativamente el rendimiento, mientras que el monoplano tipo sombrilla, más pesado pero más elegante, se estaba volviendo practicable. Durante un tiempo, este tipo de monoplano se convirtió en el diseño preferido.
Aunque el monoplano de ala alta reforzado con puntales fue superado durante la década de 1930 por el verdadero monoplano voladizo, ha seguido utilizándose durante toda la era de la posguerra, en funciones en las que el peso ligero es más importante que la alta velocidad o el largo alcance. Entre ellos se incluyen aviones de cabina ligera, en los que la visibilidad hacia abajo también es importante, y transportes pequeños.
Las alas reforzadas de alta relación de aspecto fueron utilizadas por el Hurel-Dubois francés (ahora parte de Safran ) con el demostrador Hurel-Dubois HD.10 en 1948, y luego por los aviones de pasajeros HD.31 /32/34, todavía utilizados por el Instituto Geográfico Nacional francés. hasta principios de los años ochenta. Se propuso sin éxito un HD.45 propulsado por turborreactor para competir con el Sud Aviation Caravelle , tal vez debido a que el turborreactor de alta velocidad no se adaptaba a una estructura de avión más lenta.
