La estructura mecánica de una aeronave se conoce como fuselaje . [1] Por lo general, 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 de los aviones modernos comenzó en Estados Unidos durante el vuelo inaugural del Wright Flyer , mostrando el potencial de los diseños de ala fija en las aeronaves.
En 1912, el Deperdussin Monocoque fue pionero en fabricar un fuselaje monocasco ligero, resistente y aerodinámico formado por finas capas de madera contrachapada sobre un marco circular, que alcanzaba los 210 km/h (130 mph). [3] [4]
Muchos de los primeros desarrollos fueron impulsados por las necesidades militares durante la Primera Guerra Mundial . Entre los aviones más conocidos de esa época se encuentran los aviones de combate del diseñador holandés Anthony Fokker para la Luftstreitkräfte del Imperio alemán , los hidroaviones estadounidenses Curtiss y los monoplanos germano-austriacos Taube . Estos utilizaban estructuras híbridas de madera y metal.
En el período 1915/16, la firma alemana Luft-Fahrzeug-Gesellschaft había ideado una estructura completamente monocasco de madera con solo un marco interno esquelético, utilizando tiras de madera contrachapada laboriosamente "envueltas" en forma diagonal en hasta cuatro capas, alrededor de moldes macho de hormigón en mitades "izquierda" y "derecha", conocidas como construcción Wickelrumpf (cuerpo envuelto) [5] - esto apareció por primera vez en el LFG Roland C.II de 1916 , y más tarde sería licenciado a Pfalz Flugzeugwerke para sus cazas biplanos de la serie D.
En 1916, los cazas biplanos alemanes Albatros D.III tenían fuselajes semimonocascos con paneles de revestimiento de madera contrachapada que soportaban la carga pegados a los largueros longitudinales y mamparos ; fue reemplazado por la configuración estructural de revestimiento tensado predominante cuando el metal reemplazó a la madera. [3] Métodos similares al concepto de la firma Albatros fueron utilizados tanto por Hannoversche Waggonfabrik para sus diseños ligeros biplaza CL.II a CL.V , como por Siemens-Schuckert para sus diseños posteriores de cazas biplanos Siemens-Schuckert D.III y D.IV de mayor rendimiento . La construcción del Albatros D.III era de mucha menos complejidad que el concepto patentado por LFG Wickelrumpf para su revestimiento exterior. [ investigación original? ]
El ingeniero alemán Hugo Junkers voló por primera vez con fuselajes totalmente metálicos en 1915 con el monoplano Junkers J 1 , totalmente metálico, con alas en voladizo y revestimiento estresado hecho de acero . [3] Se desarrolló aún más con duraluminio más ligero , 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.
El J 1 de 1915 y el caza DI de 1918 fueron seguidos en 1919 por el primer avión de transporte totalmente metálico, el Junkers F.13, fabricado en duraluminio como el DI; se construyeron 300, junto con el primer avión de pasajeros de cuatro motores 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 monoplanos con motores radiales . Algunos se produjeron como copias únicas o en pequeñas cantidades, como el Spirit of St. Louis que voló a través del Atlántico por Charles Lindbergh en 1927. William Stout diseñó los Ford Trimotors totalmente metálicos en 1926. [6]
El prototipo de caza naval Hall XFH que voló 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 juntas 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 en acero inoxidable resistente a la corrosión ensamblado con soldadura por puntos recientemente desarrollada por el fabricante de vagones de ferrocarril estadounidense Budd Company . [3]
La filosofía original de fuselaje cubierto de duraluminio corrugado de Junkers culminó en el avión de pasajeros trimotor Junkers Ju 52 de origen 1932, utilizado durante la Segunda Guerra Mundial por la Luftwaffe alemana nazi para necesidades de transporte y paracaidismo. 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] Fueron algunos de los diseños más exitosos que surgieron de la época mediante el uso de fuselajes totalmente metálicos.
En 1937, el Lockheed XC-35 fue construido 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 ingresar al servicio comercial. [4]
.png/1280px-Vickers_Wellington_Mark_X,_HE239_'NA-Y',_of_No._428_Squadron_RCAF_(April_1943).png)
Durante la Segunda Guerra Mundial , las necesidades militares volvieron a dominar los diseños de fuselajes. Entre los más conocidos se encuentran el C-47 Skytrain estadounidense , el B-17 Flying Fortress , el B-25 Mitchell y el P-38 Lightning , los Vickers Wellington británicos que utilizaban un método de construcción geodésica y el Avro Lancaster , todos ellos renovaciones de diseños originales de la década de 1930. Los primeros aviones a reacción se fabricaron durante la guerra, pero no en grandes cantidades.
Debido a la escasez de aluminio en tiempos de guerra, el cazabombardero De Havilland Mosquito se construyó con revestimientos de madera contrachapada adheridos a un núcleo de madera de balsa y formados utilizando moldes para producir estructuras monocasco, lo que condujo al desarrollo de la unión metal con metal utilizada más tarde para el De Havilland Comet y los Fokker F27 y F28 . [3]
El diseño de fuselajes comerciales de posguerra se centró en los aviones de pasajeros , en los motores de turbohélice y, más tarde, en los motores a reacción . Las velocidades generalmente más altas y las tensiones de tracción de los turbohélices y los aviones a reacción fueron desafíos importantes. [8] Las aleaciones de aluminio recientemente desarrolladas con cobre , magnesio y zinc fueron fundamentales para estos diseños. [9]
El Douglas X-3 Stiletto, que voló en 1952 y fue diseñado para volar a Mach 2, donde la fricción de la piel requería su resistencia al calor , fue el primer avión de titanio , pero tenía poca potencia y apenas era supersónico ; el Lockheed A-12 y el SR-71 de Mach 3,2 también eran principalmente de titanio, al igual que el cancelado Boeing 2707 de transporte supersónico de Mach 2,7 . [3]
Debido a que el titanio resistente al calor es difícil de soldar y difícil de trabajar, se utilizó acero de níquel soldado para el caza Mikoyan-Gurevich MiG-25 de Mach 2,8 , que voló por primera vez en 1964; y el North American XB-70 Valkyrie de Mach 3,1 utilizó paneles de panal de acero inoxidable soldados 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 con el Grumman F-14 Tomcat y ambos usaron compuestos de fibra de boro en las colas; se usaron polímeros reforzados con fibra de carbono menos costosos para los revestimientos de las alas del McDonnell Douglas AV-8B Harrier II , el F/A-18 Hornet y el Northrop Grumman B-2 Spirit . [3]
Airbus y Boeing son los ensambladores dominantes de grandes aviones a reacción, mientras que ATR , Bombardier y Embraer lideran el mercado de aviones regionales ; muchos fabricantes producen componentes de fuselaje. [ ¿relevante? ]
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 ; desde entonces, los materiales compuestos se utilizan cada vez más en los aviones de pasajeros de Airbus: el estabilizador horizontal del A320 en 1987 y del A330 / A340 en 1994, y el cajón del ala central y el fuselaje trasero del A380 en 2005. [3]
El Cirrus SR20 , certificado en 1998, fue el primer avión de aviación general de producción generalizada fabricado con una construcción totalmente de materiales compuestos, 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 el 50% del peso de su estructura hecha de compuestos de fibra de carbono, junto con un 20% de aluminio y un 15% de titanio: el material permite una menor resistencia, una mayor relación de aspecto del ala y una mayor presurización de la cabina; el Airbus A350 , que compite en el primero, voló en 2013, tiene un 53% de fibra de carbono en peso de estructura. [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]
Los Bombardier CSeries 2013 tienen un ala de infusión 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 para futuras aeronaves de fuselaje estrecho . [3] En 2016, el Cirrus Vision SF50 se convirtió en el primer avión a reacción ligero certificado fabricado completamente con compuestos de fibra de carbono.
En febrero de 2017, Airbus instaló una máquina de impresión 3D para piezas estructurales de aeronaves de titanio utilizando fabricación aditiva por haz de electrones de Sciaky, Inc. [12]
La producción de fuselajes se ha convertido en un proceso exigente. Los fabricantes operan bajo estrictos controles de calidad y regulaciones gubernamentales. Las desviaciones de los estándares establecidos se convierten en objeto de gran preocupación. [14]
El primer avión de pasajeros a reacción del mundo , el de Havilland Comet , fue un hito en el diseño aeronáutico y voló por primera vez en 1949. Los primeros modelos sufrieron una catastrófica fatiga 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 sentó las bases de la ciencia de la reconstrucción de accidentes aéreos. Después de 3000 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, una consecuencia de las ventanas de forma cuadrada. Las ventanas habían sido diseñadas para ser pegadas y remachadas, pero solo se habían remachado con punzón. 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 , que voló por primera vez en 1957, se convirtió en una costosa lección sobre el control de la oscilación y la planificación en relación con la fatiga del metal . El accidente del vuelo 542 de Braniff en 1959 mostró las dificultades que la industria de fuselajes y sus clientes , las aerolíneas, pueden experimentar al adoptar una nueva tecnología .
El incidente puede compararse con el accidente del Airbus A300 al despegar del vuelo 587 de American Airlines en 2001, después de que su estabilizador vertical se desprendiera del fuselaje , lo que llamó la atención sobre problemas de operación, mantenimiento y diseño que involucran materiales compuestos que se utilizan en muchos fuselajes recientes. [15] [16] [17] El A300 había experimentado otros problemas estructurales, pero ninguno de esta magnitud.
{{cite book}}: |work=ignorado ( ayuda )