La estructura mecánica de una aeronave se conoce como fuselaje . [1] Generalmente se considera que esta estructura incluye el fuselaje , el tren de aterrizaje , el empenaje y las alas , y excluye el sistema de propulsión . [2]
El diseño de fuselajes es un campo de la ingeniería aeroespacial que combina la aerodinámica , la tecnología de materiales y los métodos de fabricación con un enfoque en el peso, la resistencia y la resistencia aerodinámica , así como en la confiabilidad y el costo.
La historia moderna de los aviones comenzó en los Estados Unidos cuando un biplano de madera de 1903 fabricado por Orville y Wilbur Wright mostró el potencial de los diseños de ala fija .
En 1912, el Deperdussin Monocoque fue pionero en el fuselaje monocasco ligero, fuerte y aerodinámico formado por finas capas de madera contrachapada sobre un marco circular, alcanzando una velocidad de 210 km/h (130 mph). [3] [4]
Muchos de los primeros acontecimientos fueron impulsados por las necesidades militares durante la Primera Guerra Mundial . Entre los aviones más conocidos de esa época se incluyen los aviones de combate del diseñador holandés Anthony Fokker para la Luftstreitkräfte del Imperio Alemán , los hidroaviones Curtiss estadounidenses y los monoplanos Taube alemanes/austriacos . Estos utilizaron estructuras híbridas de madera y metal.
En el período 1915/16, la firma alemana Luft-Fahrzeug-Gesellschaft había ideado una estructura totalmente monocasco de madera con sólo un marco interno esquelético, utilizando tiras de madera contrachapada laboriosamente "envueltas" en forma diagonal en hasta cuatro capas, alrededor Moldes macho de hormigón en mitades "izquierda" y "derecha", conocidos como construcción Wickelrumpf (cuerpo envuelto) [5] ; apareció por primera vez en el LFG Roland C.II de 1916 , y luego se le otorgaría la licencia a Pfalz Flugzeugwerke para su D- Cazas biplanos de serie.
En 1916, los cazas biplanos alemanes Albatros D.III presentaban fuselajes semimonocasco con paneles de revestimiento de madera contrachapada que soportaban carga pegados a largueros y mamparos longitudinales ; fue reemplazada por la configuración estructural de piel estresada predominante cuando el metal reemplazó a la madera. [3] Hannoversche Waggonfabrik utilizó métodos similares al concepto de la firma Albatros para sus diseños ligeros de dos asientos CL.II a CL.V , y Siemens-Schuckert para su posterior Siemens-Schuckert D.III y D de mayor rendimiento. .IV diseños de cazas biplanos. La construcción del Albatros D.III era mucho menos compleja que el concepto patentado LFG Wickelrumpf para su revestimiento exterior. [ ¿ investigacion original? ]
El ingeniero alemán Hugo Junkers voló por primera vez estructuras de aviones totalmente metálicas en 1915 con el monoplano Junkers J 1 , totalmente metálico, con alas voladizas y revestimiento tensado, fabricado en acero . [3] Se desarrolló aún más con duraluminio más liviano , inventado por Alfred Wilm en Alemania antes de la guerra; en el fuselaje del Junkers DI de 1918, cuyas técnicas fueron adoptadas casi sin cambios después de la guerra tanto por el ingeniero estadounidense William Bushnell Stout como por el ingeniero aeroespacial soviético Andrei Tupolev , demostrando ser útil para aviones de hasta 60 metros de envergadura en la década de 1930.
Al J 1 de 1915 y al caza DI de 1918 les siguió en 1919 el primer avión de transporte totalmente metálico, el Junkers F.13, fabricado de duraluminio como lo había sido el DI; Se construyeron 300, junto con el primer avión de pasajeros cuatrimotor totalmente metálico , el único Zeppelin-Staaken E-4/20 . [3] [4] El desarrollo de aviones comerciales durante las décadas de 1920 y 1930 se centró en diseños de monoplanos que utilizaban motores radiales . Algunos se produjeron como copias individuales o en pequeñas cantidades, como el Spirit of St. Louis que Charles Lindbergh cruzó el Atlántico en 1927. William Stout diseñó los Ford Trimotors totalmente metálicos en 1926 .
El prototipo de caza naval Hall XFH volado en 1929 fue el primer avión con un fuselaje de metal remachado : un revestimiento de aluminio sobre tubos de acero. Hall también fue pionero en remaches al ras y uniones a tope entre paneles de revestimiento en el hidroavión Hall PH que también voló en 1929. [3 ] Basado en el italiano Savoia-Marchetti S.56 , el hidroavión experimental Budd BB-1 Pioneer de 1931 fue construido con acero inoxidable resistente a la corrosión ensamblado con soldadura por puntos recientemente desarrollada por el fabricante estadounidense de vagones Budd Company . [3]
La filosofía original de Junkers con estructura corrugada cubierta de duraluminio culminó en el avión de pasajeros trimotor Junkers Ju 52 de 1932, utilizado durante la Segunda Guerra Mundial por la Luftwaffe alemana nazi para necesidades de transporte y paracaidistas. Los diseños de Andrei Tupolev en la Unión Soviética de Joseph Stalin diseñaron una serie de aviones totalmente metálicos de tamaño cada vez mayor que culminaron en el avión más grande de su época, el Tupolev ANT-20 de ocho motores en 1934, y las empresas de Donald Douglas desarrollaron el icónico Avión de pasajeros bimotor Douglas DC-3 en 1936. [7] Estuvieron entre los diseños más exitosos que surgieron de la época mediante el uso de estructuras de avión totalmente metálicas.
En 1937, el Lockheed XC-35 se construyó específicamente con presurización de cabina para someterse a extensas pruebas de vuelo a gran altitud, allanando el camino para el Boeing 307 Stratoliner , que sería el primer avión con cabina presurizada en entrar en servicio comercial. [4]
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Durante la Segunda Guerra Mundial , las necesidades militares volvieron a dominar los diseños de aeronaves. Entre los más conocidos estaban los estadounidenses C-47 Skytrain , B-17 Flying Fortress , B-25 Mitchell y P-38 Lightning , y los británicos Vickers Wellington que utilizaban un método de construcción geodésico, y Avro Lancaster , todos renovaciones de diseños originales del Década de 1930. Los primeros aviones se produjeron durante la guerra, pero no en grandes cantidades.
Debido a la escasez de aluminio en tiempos de guerra, el cazabombardero Mosquito de Havilland se construyó con madera: revestimientos de madera contrachapada unidos a un núcleo de madera de balsa y formados utilizando moldes para producir estructuras monocasco, lo que llevó al desarrollo de uniones de metal con metal utilizadas más tarde para el Cometa de Havilland y Fokker F27 y F28 . [3]
El diseño de fuselajes comerciales de posguerra se centró en aviones de pasajeros , en motores turbohélice y luego en motores a reacción . Las velocidades generalmente más altas y las tensiones de tracción de los turbohélices y los jets fueron desafíos importantes. [8] Las aleaciones de aluminio recientemente desarrolladas con cobre , magnesio y zinc fueron fundamentales para estos diseños. [9]
Volado en 1952 y diseñado para volar a Mach 2, donde la fricción de la piel requería su resistencia al calor , el Douglas X-3 Stiletto fue el primer avión de titanio , pero tenía poca potencia y apenas era supersónico ; los Mach 3.2 Lockheed A-12 y SR-71 también eran principalmente de titanio, al igual que el cancelado transporte supersónico Boeing 2707 Mach 2.7 . [3]
Debido a que el titanio resistente al calor es difícil de soldar y de trabajar, se utilizó acero soldado con níquel para el caza Mach 2.8 Mikoyan-Gurevich MiG-25 , que voló por primera vez en 1964; y el Mach 3.1 North American XB-70 Valkyrie utilizó paneles alveolares de acero inoxidable soldado y titanio, pero fue cancelado cuando voló en 1964. [3]
En 1969 se desarrolló un sistema de diseño asistido por computadora para el McDonnell Douglas F-15 Eagle , que voló por primera vez en 1974 junto al Grumman F-14 Tomcat y ambos utilizaron compuestos de fibra de boro en las colas; Se utilizó polímero reforzado con fibra de carbono, menos costoso, para los revestimientos de las alas del McDonnell Douglas AV-8B Harrier II , F/A-18 Hornet y Northrop Grumman B-2 Spirit . [3]
Airbus y Boeing son los ensambladores dominantes de grandes aviones de pasajeros , mientras que ATR , Bombardier y Embraer lideran el mercado regional de aviones de pasajeros ; Muchos fabricantes producen componentes de aeronaves. [ ¿ importante? ]
El estabilizador vertical del Airbus A310-300 , que voló por primera vez en 1985, fue la primera estructura primaria de fibra de carbono utilizada en un avión comercial ; Los compuestos se utilizan cada vez más desde entonces en los aviones Airbus: el estabilizador horizontal del A320 en 1987 y del A330 / A340 en 1994, y el ala central y el fuselaje trasero del A380 en 2005. [3]
El Cirrus SR20 , con certificado de tipo en 1998, fue el primer avión de aviación general ampliamente producido fabricado con una construcción totalmente compuesta, seguido por varios otros aviones ligeros en la década de 2000. [10]
El Boeing 787 , que voló por primera vez en 2009, fue el primer avión comercial con un 50% del peso de su estructura hecho de compuestos de fibra de carbono, junto con un 20% de aluminio y un 15% de titanio: el material permite un aspecto de ala más alto y con menor resistencia. relación y mayor presurización de la cabina; El Airbus A350 de la competencia , volado en 2013, tiene un 53% de fibra de carbono en peso estructural. [3] Tiene un fuselaje de fibra de carbono de una sola pieza, que se dice que reemplaza "1.200 láminas de aluminio y 40.000 remaches". [11]
El Bombardier CSeries 2013 tiene un ala de infusión de transferencia de resina de fibra seca con un fuselaje liviano de aleación de aluminio y litio para resistencia a daños y capacidad de reparación, una combinación que podría usarse en futuros aviones de fuselaje estrecho . [3] En 2016, el Cirrus Vision SF50 se convirtió en el primer avión ligero certificado fabricado íntegramente con compuestos de fibra de carbono.
En febrero de 2017, Airbus instaló una máquina de impresión 3D para piezas estructurales de aviones de titanio utilizando fabricación aditiva por haz de electrones de Sciaky, Inc. [12]
La producción de aviones se ha convertido en un proceso exigente. Los fabricantes operan bajo estricto control de calidad y regulaciones gubernamentales. Las desviaciones de las normas establecidas se convierten en motivo de gran preocupación. [14]
Un hito en el diseño aeronáutico, el primer avión de pasajeros del mundo , el de Havilland Comet , voló por primera vez en 1949. Los primeros modelos sufrieron una fatiga catastrófica del metal de la estructura del avión , lo que provocó una serie de accidentes ampliamente publicitados. La investigación del Royal Aircraft Establishment en el aeropuerto de Farnborough fundó la ciencia de la reconstrucción de accidentes aéreos. Después de 3.000 ciclos de presurización en una cámara de presión especialmente construida, se descubrió que el fallo de la estructura del avión se debía a la concentración de tensiones, consecuencia de las ventanas de forma cuadrada. Las ventanas habían sido diseñadas para ser pegadas y remachadas, pero sólo habían sido remachadas mediante punzonado. A diferencia del remachado con taladro, la naturaleza imperfecta del orificio creado con el remachado con punzón puede provocar la aparición de grietas por fatiga alrededor del remache.
El turbohélice Lockheed L-188 Electra , volado por primera vez en 1957, se convirtió en una costosa lección sobre el control de la oscilación y la planificación en torno a la fatiga del metal . El accidente del vuelo 542 de Braniff en 1959 mostró las dificultades que pueden experimentar la industria de las estructuras aeronáuticas y sus aerolíneas clientes al adoptar nueva tecnología .
El incidente se puede comparar con el accidente del Airbus A300 durante el despegue del vuelo 587 de American Airlines en 2001, después de que su estabilizador vertical se desprendiera del fuselaje , lo que llamó la atención sobre cuestiones de operación, mantenimiento y diseño que involucran materiales compuestos que se utilizan en muchas estructuras de aviones recientes. [15] [16] [17] El A300 había experimentado otros problemas estructurales, pero ninguno de esta magnitud.
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