Un engranaje de detención , o engranaje de detención , es un sistema mecánico utilizado para desacelerar rápidamente una aeronave mientras aterriza . El equipo de detención en portaaviones es un componente esencial de la aviación naval y se usa más comúnmente en portaaviones CATOBAR y STOBAR . También se encuentran sistemas similares en aeródromos terrestres para uso expedicionario o de emergencia. Los sistemas típicos consisten en varios cables de acero tendidos a lo largo del área de aterrizaje de la aeronave, diseñados para ser atrapados por el gancho de cola de la aeronave . Durante un arresto normal, el gancho de cola engancha el cable y la energía cinética de la aeronave se transfiere a los sistemas de amortiguación hidráulica conectados debajo de la plataforma de transporte. Existen otros sistemas relacionados que utilizan redes para atrapar las alas de los aviones o el tren de aterrizaje . Estos sistemas de barricadas y barreras sólo se utilizan para detenciones de emergencia de aeronaves sin ganchos de cola operables.
Los sistemas de cable de detención fueron inventados por Hugh Robinson [ ¿cuándo? ] y fueron utilizados por Eugene Ely en su primer desembarco en un barco: el crucero blindado USS Pennsylvania , el 18 de enero de 1911. Estos primeros sistemas tenían cables pasados por poleas y sujetos a pesos muertos, como sacos de arena. En junio de 1931 se probaron cables de detención más modernos en el HMS Courageous , diseñados por el comandante CC Mitchell . [1]
Los portaaviones modernos de la Marina de los EE. UU . tienen instalado el equipo de detención Mark 7 Mod 3, que tiene la capacidad de recuperar un avión de 50.000 libras (23 t) a una velocidad de ataque de 130 nudos (240 km/h; 150 mph) en una distancia de 344 pies (105 m) en dos segundos. [2] : 52 El sistema está diseñado para absorber una energía máxima teórica de 47,5 millones de libras-pie (64,4 MJ) con la máxima extensión del cable.
Antes de la introducción de la cabina de vuelo en ángulo , se utilizaban dos sistemas (además de los cables de la cubierta) para evitar que los aviones de aterrizaje chocaran contra los aviones estacionados más adelante en la cubierta de vuelo: la barrera y la barricada. Si el gancho de cola del avión no lograba atrapar un cable, su tren de aterrizaje quedaría atrapado por una red de 3 a 4 pies de altura (0,91 a 1,22 m) conocida como barrera . Si el avión atrapaba un cable al aterrizar, la barrera podría bajarse rápidamente para permitir que el avión rodara sobre ella. La última red de seguridad fue la barricada , una gran red de 4,6 m (15 pies) de altura que impedía que los aviones de aterrizaje chocaran contra otros aviones estacionados en la proa. Las barreras ya no se utilizan, aunque los equipos de detención terrestres a veces se denominan "barreras". Las barricadas todavía se utilizan a bordo de los portaaviones, pero sólo se instalan y se utilizan en emergencias.
Una detención normal se logra cuando el gancho de detención de una aeronave entrante se engancha con uno de los colgantes de la cubierta. [3] Cuando una aeronave de aterrizaje engancha un colgante de cubierta, la fuerza del movimiento hacia adelante de la aeronave de aterrizaje se transfiere a un cable de compra, que se encamina a través de poleas hasta el motor de detención, ubicado en una sala de máquinas debajo de la cubierta de vuelo o en a ambos lados de la pista. A medida que la aeronave que se detiene tira del colgante de cubierta y del cable de sujeción, la energía cinética de la aeronave se transfiere a energía mecánica de los cables, y el motor de detención transfiere la energía mecánica de los cables a energía hidráulica. Este clásico sistema de detención hidráulica está siendo sustituido por uno electromagnético en el que la absorción de energía está controlada por un motor turboeléctrico. El motor de detención provoca una parada suave y controlada del avión que aterriza. Al finalizar la detención, el gancho de detención de la aeronave se desengancha del colgante de cubierta, que luego se retrae a su posición normal.
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Los transportistas modernos suelen tener tres o cuatro cables de detención tendidos a lo largo de la zona de aterrizaje. Todos los portaaviones estadounidenses de la clase Nimitz , junto con el Enterprise , tienen cuatro cables, con la excepción del USS Ronald Reagan y el USS George HW Bush , que sólo tienen tres. [4] Los portaaviones de la clase Gerald R. Ford también tendrán tres. Los pilotos apuntan al segundo cable para la configuración de tres cables o al tercer cable para la configuración de cuatro cables para reducir el riesgo de aterrizaje corto. Los aviones que llegan a aterrizar en un portaaviones están aproximadamente al 85% de su aceleración máxima. En el momento del aterrizaje, el piloto avanza los aceleradores a potencia militar (MIL). En los aviones F/A-18E/F Super Hornet y EA-18G Growler , el avión reduce automáticamente el empuje del motor al 70% una vez que se detecta la desaceleración de un arresto exitoso. El piloto puede anular esta característica seleccionando el posquemador máximo. Si el avión no logra atrapar un cable de detención, una condición conocida como " bólter ", el avión tiene potencia suficiente para continuar descendiendo por la cubierta de vuelo en ángulo y volver a volar. Una vez que el mecanismo de detención detiene la aeronave, el piloto vuelve a poner los aceleradores en ralentí, levanta el gancho y se aleja.
Además de los CVN ( portaaviones nucleares ) estadounidenses, el francés Charles de Gaulle , el ruso Almirante Kuznetsov , el chino Liaoning y el indio Vikramaditya son portaaviones activos o futuros equipados con dispositivos de detención.
Los aeródromos militares terrestres que operan aviones de combate o de entrenamiento también utilizan sistemas de engranajes de detención, aunque no son necesarios para todos los aterrizajes. En cambio, se utilizan para aterrizar aviones en pistas cortas o temporales, o para emergencias que involucran fallas en los frenos, problemas de dirección u otras situaciones en las que no es posible o seguro utilizar toda la longitud de la pista. Hay tres tipos básicos de sistemas terrestres: permanente, expedicionario y de invasión.
Los sistemas permanentes están instalados en casi todos los aeródromos militares de EE. UU. que operan aviones de combate o de entrenamiento. Los sistemas expedicionarios son similares a los sistemas permanentes y se utilizan para aterrizar aviones en pistas cortas o temporales. Los sistemas expedicionarios están diseñados para instalarse o desinstalarse en sólo unas pocas horas.
Como sistema de respaldo se utilizan comúnmente equipos de inercia que consisten en cables de gancho y/o redes elásticas conocidas como barreras. Las redes de barrera atrapan las alas y el fuselaje de una aeronave y utilizan un motor de detención u otros métodos, como cadenas de ancla o haces de material textil tejido, para reducir la velocidad de la aeronave. En algunos aeródromos terrestres donde el área de invasión es corta, se utiliza una serie de bloques de hormigón denominados sistema de detención de materiales de ingeniería (EMAS). Estos materiales se utilizan para atrapar el tren de aterrizaje de un avión y frenarlo mediante la resistencia a la rodadura y la fricción. Los aviones se detienen mediante la transferencia de energía necesaria para aplastar los bloques. A diferencia de otros tipos de dispositivos de detención, EMAS también se utiliza en algunos aeropuertos civiles donde el área de invasión es más corta de lo que normalmente se permitiría.
El primer uso de una barrera en un aeródromo militar fue durante la Guerra de Corea , cuando los aviones de combate tuvieron que operar desde aeródromos más cortos donde no había margen de error. El sistema utilizado fue simplemente un trasplante de la Barrera Davis utilizada en los portaaviones de cubierta recta para evitar que cualquier avión que no alcanzara los cables de detención se estrellara contra el avión estacionado delante del área de aterrizaje. Pero en lugar del sistema hidráulico más complejo utilizado en los portaaviones para detener el avión cuando golpea la barrera, el sistema terrestre utilizó pesadas cadenas de anclaje de barcos para detener el avión. [5]
Los principales sistemas que componen los equipos de detención típicos son los cables o colgantes de gancho, los cables o cintas de compra, las poleas y los motores de detención. [6]
También conocidos como cables o alambres de detención, los colgantes transversales son cables de acero flexibles que se extienden a lo largo del área de aterrizaje para ser enganchados por el gancho de detención de una aeronave entrante. En los portaaviones hay tres o cuatro cables, numerados del 1 al 4 de popa a proa. Los colgantes están hechos de cable metálico con un diámetro de 1, 1+1 ⁄ 4 o 1+3 ⁄ 8 pulgadas (25, 32 o 35 mm). Cada cable está formado por numerosos hilos trenzados alrededor de unnúcleo central de cáñamo engrasado, que proporciona un "colchón" para cada hilo y también suministra lubricación al cable. Los extremos del cable están equipados con acoplamientos terminales diseñados para un desprendimiento rápido durante el reemplazo y pueden desconectarse y reemplazarse rápidamente (en aproximadamente 2 a 3 minutos en portaaviones). [6] En los transportistas estadounidenses, los cables de detención se retiran y reemplazan después de cada 125 aterrizajes detenidos. [7] Los cables individuales a menudo se retiran y se dejan "pelados" para realizar el mantenimiento de otros componentes del mecanismo de detención durante la recuperación de aeronaves (utilizando otros sistemas en línea). Los soportes de alambre elevan los colgantes de la plataforma varias pulgadas para que puedan ser recogidos por el gancho de cola de un avión que aterriza. Los soportes de alambre en los transportadores son simplemente ballestas de acero curvadas que pueden flexionarse para permitir que una aeronave se desplace sobre el colgante de cubierta instalado. En los sistemas terrestres, unos soportes de goma en forma de "rosquilla" de 15 cm de diámetro elevan el cable de la superficie de la pista aproximadamente 7,5 cm. [8]
El cable de compra es un cable metálico que se parece mucho al cable de detención. Sin embargo, son mucho más largos y no están diseñados para quitarse fácilmente. Hay dos cables de compra por cable de detención y se conectan a cada extremo del cable de detención. Los cables comprados conectan el cable de detención a los motores del engranaje de detención y se "pagan" a medida que la aeronave engancha el cable de detención. Cuando una aeronave entrante se engancha con el colgante de cubierta, el cable de agarre transmite la fuerza de la aeronave que aterriza desde el tren de cubierta hasta el motor de detención. El colgante (cable de sujeción) está "estampado" (unido) al cable de compra mediante un bucle creado con zinc calentado a 1000 °F (538 °C). Esta fabricación a bordo se considera peligrosa y se informa que la Marina de los EE. UU. está probando el uso de una prensa automatizada para realizarla de manera más segura. [2] : 56 [6] En sistemas terrestres, se utilizan cintas de nailon pesadas en lugar de cables comprados, pero cumplen la misma función.
Compre cables o cintas que pasen a través de poleas en la cabina de vuelo o a lo largo de la pista hasta los motores de parada. Las poleas amortiguadoras actúan como amortiguadores hidráulicos que aumentan la velocidad de aterrizaje.
En 1957, el concepto de tirar de un pistón a través de un tubo de agua se propuso por primera vez como un sistema de engranaje de detención económico para bases aéreas terrestres. [9] A principios de la década de 1960, los británicos adoptaron este concepto básico y desarrollaron un sistema de engranaje de detención de tipo rociador para uso tanto en tierra como en mar. El motor tenía cilindros hidráulicos que se movían a través de una tubería llena de agua, con una tubería más pequeña al lado que tiene orificios de varios tamaños a lo largo de su longitud. La Royal Navy afirmó que no había un límite de peso teórico, pero sí un límite de velocidad. [10]
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Cada colgante tiene sus propios sistemas de motor que absorben y disipan las energías desarrolladas cuando se detiene un avión que está aterrizando. En los portaaviones estadounidenses de clase Nimitz , se utilizan sistemas hidroneumáticos, cada uno de los cuales pesa 43 toneladas cortas (39 t ), en los que el aceite se expulsa hidráulicamente de un cilindro mediante un ariete conectado al cable de compra, a través de una válvula de control. [2] : 52 [6] Un desarrollo importante en el mecanismo de detención fue la válvula de control de descentramiento constante, que controla el flujo de fluido desde el cilindro del motor al acumulador y está diseñada para detener todas las aeronaves con la misma cantidad de descentramiento independientemente de la masa y velocidad. El peso de la aeronave lo establece el operador de cada motor de engranaje de detención. Durante las operaciones normales, se utiliza una "configuración de peso único" para simplificar. Este peso suele ser el peso máximo de aterrizaje o "trampa máxima" de la aeronave. En determinados casos, normalmente fallos de funcionamiento de la aeronave, que afectan a la velocidad de aproximación, se utiliza un "ajuste de peso único" para garantizar una adecuada absorción de energía por parte del sistema. El oficial aéreo en el control primario de vuelo le da al operador el peso de la aeronave. Luego, el operador ajusta la válvula de control de escurrimiento constante al ajuste de peso apropiado para esa aeronave. El ajuste de presión para el motor de engranajes de detención permanece a una presión constante de aproximadamente 400 psi (2800 kPa). La válvula de descentramiento constante (CROV) detiene la aeronave, a diferencia de la presión hidráulica. [ cita necesaria ]
Los sistemas terrestres permanentes y expedicionarios suelen constar de dos motores de detención ubicados a cada lado de la pista. Los motores de detención aplican fuerza de frenado a los carretes que sostienen las cintas de compra, lo que a su vez reduce la velocidad del avión y lo detiene. Los dos métodos más comunes utilizados por los motores de detención terrestres para aplicar la fuerza de frenado son el freno de fricción rotativo y los sistemas hidráulicos rotativos o "tornados de agua". El freno de fricción rotativo es simplemente una bomba hidráulica acoplada al carrete, que aplica una presión graduada a los frenos multidisco montados en el carrete. El sistema hidráulico giratorio es una turbina dentro de una carcasa llena de agua/glicol acoplada al carrete. La turbulencia generada en la mezcla de agua/glicol por la turbina durante la detención proporciona la resistencia para frenar el carrete y detener la aeronave. Una vez que la aeronave se suelta del cable, las cintas y el cable se retraen mediante un motor de combustión interna o un motor eléctrico instalado en el motor de detención. [ cita necesaria ]
El agotamiento excesivo durante un arresto es una condición conocida como "dos bloques". Este nombre se deriva del lenguaje naval cuando toda la línea ha sido pasada por un sistema de poleas, los dos bloques de poleas se tocan, de ahí "dos bloqueados". El descentramiento excesivo puede ser causado por ajustes inadecuados del mecanismo de detención, exceso de peso bruto de la aeronave, exceso de velocidad de participación de la aeronave o exceso de empuje del avión aplicado durante la detención. Los aterrizajes descentrados también tienen el peligro de dañar el mecanismo de detención. [ cita necesaria ]
Los electroimanes se están utilizando en el nuevo sistema Advanced Arresting Gear (AAG) en los portaaviones estadounidenses. El sistema actual (arriba) se basa en sistemas hidráulicos para frenar y detener un avión que aterriza. Si bien el sistema hidráulico es eficaz, como lo demuestran más de cincuenta años de implementación, el sistema AAG ofrece una serie de mejoras. El sistema actual no puede capturar vehículos aéreos no tripulados (UAV) sin dañarlos debido a las tensiones extremas en la estructura del avión. Los UAV no tienen la masa necesaria para impulsar el gran pistón hidráulico utilizado para atrapar aviones tripulados más pesados. Mediante el uso de electromagnetismo, la absorción de energía está controlada por un motor turboeléctrico. Esto hace que la trampa sea más suave y reduce los golpes en las estructuras de los aviones. Aunque el sistema tendrá el mismo aspecto desde la cabina de vuelo que su predecesor, será más flexible, seguro y fiable, y requerirá menos mantenimiento y personal. [11] Este sistema se está probando en el USS Gerald R. Ford y se instalará en todos los portaaviones de la clase Gerald R. Ford .
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La barricada es un sistema de recuperación de emergencia que se utiliza sólo cuando no se puede realizar un arresto normal (colgante). La barricada normalmente está guardada y montada sólo cuando es necesario. Para montar una barricada, se extiende a lo largo de la cubierta de vuelo entre montantes, que se levantan desde la cubierta de vuelo. El personal de la cubierta de vuelo de los portaaviones estadounidenses practica habitualmente el montaje de la barricada; una tripulación bien entrenada puede realizar la tarea en menos de tres minutos. [6]
La cinta de barricada consta de correas de carga horizontales superior e inferior unidas entre sí por los extremos. Cinco correas de acoplamiento verticales, espaciadas a 20 pies (6,1 m) de distancia, están conectadas a cada correa de carga superior e inferior. La red de barricada se eleva a una altura de aproximadamente 20 pies. La cinta de barricada se acopla a las alas del avión de aterrizaje, transmitiéndose energía desde la cinta de barricada a través del cable de sujeción al motor de detención. Después del arresto de una barricada, las correas y los cables de la plataforma se descartan y los puntales se bajan nuevamente a sus ranuras empotradas. Los enfrentamientos con barricadas son raros, ya que los ganchos de cola están diseñados para ser extremadamente seguros y un avión que regresa del combate con daños tan graves probablemente no podría aterrizar. Este dispositivo ha sido instalado en todos los portaaviones estadounidenses y en el francés Charles de Gaulle , mientras que los portaaviones brasileños CATOBAR y rusos e indios STOBAR sólo tienen instalados dispositivos de detención convencionales. [ cita necesaria ]
