En aeronáutica , los arriostramientos comprenden elementos estructurales adicionales que refuerzan la estructura funcional del avión para darle rigidez y resistencia bajo carga. Los arriostramientos pueden aplicarse tanto interna como externamente y pueden adoptar la forma de puntales , que actúan en compresión o tensión según sea necesario, y/o cables , que actúan solo en tensión.
En general, los arriostramientos permiten una estructura más fuerte y liviana que una que no los tiene, pero los arriostramientos externos en particular agregan resistencia , lo que hace que la aeronave sea más lenta y plantea muchos más problemas de diseño que los arriostramientos internos. Otra desventaja de los cables de arriostramiento es que requieren una verificación y ajuste de rutina, o un aparejo , incluso cuando están ubicados internamente.
Durante los primeros años de la aviación, los arriostramientos eran una característica universal de todos los tipos de aeroplanos, incluidos los monoplanos y biplanos , que entonces eran igualmente comunes. Hoy en día, los arriostramientos en forma de puntales de sustentación todavía se utilizan para algunos diseños comerciales ligeros en los que un ala alta y un peso ligero son más importantes que el rendimiento máximo.
El arriostramiento funciona creando una estructura de celosía triangulada que resiste la flexión o la torsión. En comparación, una estructura en voladizo sin arriostramiento se dobla fácilmente a menos que lleve mucho refuerzo pesado. Hacer la estructura más profunda le permite ser mucho más liviana y rígida. Para reducir el peso y la resistencia del aire, la estructura puede hacerse hueca, con arriostramientos que conectan las partes principales del fuselaje. Por ejemplo, a un monoplano de ala alta se le puede dar un puntal de elevación diagonal que vaya desde la parte inferior del fuselaje hasta una posición más alejada hacia la punta del ala. Esto aumenta la profundidad efectiva de la raíz del ala a la altura del fuselaje, haciéndolo mucho más rígido con un pequeño aumento de peso.
Por lo general, los extremos de los puntales de refuerzo se unen a los principales componentes estructurales internos, como un larguero de ala o un mamparo de fuselaje, y los cables de refuerzo se fijan cerca.
Los tirantes se pueden utilizar para resistir las distintas fuerzas que se producen en el fuselaje, incluidas la sustentación, el peso, la resistencia y la torsión. Un puntal es un componente de refuerzo lo suficientemente rígido como para resistir estas fuerzas, ya sea que lo sometan a compresión o tensión. Un alambre es un componente de refuerzo que solo puede resistir la tensión y se afloja bajo compresión, por lo que casi siempre se utiliza junto con los tirantes.
Un armazón cuadrado hecho de barras sólidas no es rígido, pero tiende a doblarse en las esquinas. Apuntalarlo con una barra diagonal adicional sería pesado. Un alambre sería mucho más liviano, pero evitaría que se derrumbara en un solo sentido. Para mantenerlo rígido, se necesitan dos alambres de refuerzo transversal. 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 alambres.
Otra forma de disponer una estructura rígida es hacer que las piezas transversales sean lo suficientemente sólidas para actuar en compresión y luego conectar sus extremos con un rombo exterior que actúe en tensión. Este método era común en los monoplanos, donde el ala y una cabina central o un pilono forman los travesaños mientras que los arriostramientos de alambre forman el rombo 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 cables 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 un cable multifilar, de un solo hilo de cuerda de piano o de acero seccionado con perfil aerodinámico .
Los cables de refuerzo se dividen principalmente en cables de vuelo que sujetan las alas hacia abajo durante el vuelo y cables de aterrizaje que sujetan las alas hacia arriba cuando no generan sustentación. (Los cables que conectan una cesta o góndola a un globo también se denominan cables de vuelo). A veces se colocan cables de incidencia más delgados en diagonal entre los puntales de interplano delantero y trasero para evitar que el ala se tuerza y cambie su ángulo de incidencia con respecto al fuselaje. [1] En algunas aeronaves pioneras, los cables de refuerzo de las alas también se colocaban 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 refuerzo también deben soportar potentes cargas inerciales generadas durante las maniobras, como la carga aumentada en los cables de aterrizaje en el momento del aterrizaje. [2]
Los cables de refuerzo deben estar cuidadosamente atados para mantener la longitud y la tensión correctas. En vuelo, los cables tienden a estirarse bajo carga y, al aterrizar, algunos pueden aflojarse. Se requieren comprobaciones periódicas del aparejo y los ajustes necesarios antes de cada vuelo. Los ajustes del aparejo también se pueden utilizar para fijar y mantener el diedro del ala y el ángulo de incidencia , normalmente con la ayuda de un clinómetro y una plomada . Los cables individuales están equipados con tensores o accesorios con extremos roscados para que se puedan ajustar fácilmente. Una vez fijados, el ajustador se bloquea en su lugar. [3]
Los refuerzos internos fueron de gran importancia durante los primeros tiempos de la aeronáutica, cuando las estructuras de los aviones eran literalmente armazones, en el mejor de los casos cubiertos de tela dopada , que no tenía resistencia propia. Los refuerzos transversales de alambre se usaban ampliamente para reforzar dichas estructuras, tanto en las alas cubiertas de tela como en el fuselaje, que a menudo se dejaba al descubierto.
Era necesario aparejar los cables de forma rutinaria para mantener la rigidez estructural contra la flexión y la torsión. Un problema particular para los cables internos es el acceso en el estrecho interior del fuselaje.
A menudo, si se proporcionaban suficientes refuerzos internos, el diseño resultaría demasiado pesado, por lo que, para que la estructura del avión fuera ligera y resistente, se instalaban refuerzos externos. Esto era habitual en los primeros aviones debido a la limitada potencia de los motores disponible y a la necesidad de un peso ligero para poder volar. A medida que la potencia de los motores aumentó de forma constante durante las décadas de 1920 y 1930, se empezaron a fabricar fuselajes mucho más pesados y la mayoría de los diseñadores abandonaron los refuerzos externos para permitir una mayor velocidad.
Casi todos los aviones biplanos tienen sus planos superior e inferior conectados por puntales entre planos, con el ala superior cruzando por encima del fuselaje y conectada a él por puntales de cabina más cortos. Estos puntales dividen las alas en compartimentos que están apuntalados 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 cajón independiente de sus montajes de 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 del ala conectados.
Puntales paralelos : la configuración más común es la de colocar dos puntales en paralelo, uno detrás del otro. Estos puntales suelen estar apuntalados por "cables de incidencia" que corren en diagonal entre ellos. Estos cables resisten la torsión del ala, lo que afectaría su ángulo de incidencia con respecto al flujo de aire.
Los puntales N reemplazan los cables de incidencia por un tercer puntal que corre en diagonal desde la parte superior de un puntal hasta la parte inferior del otro en un par.
Los puntales en forma de V convergen desde puntos de fijación separados en el ala superior hacia un único punto en el ala inferior. Se utilizan a menudo para el ala sesquiplana , en la que el ala inferior tiene una cuerda considerablemente menor que la del ala superior.
Los puntales en I 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 de interplano o de cabina se denomina bahía . Las alas se describen por la cantidad de bahías en cada lado. Por ejemplo, un biplano con puntales de cabina y un conjunto de puntales de interplano en cada lado de la aeronave es un biplano de una sola bahía.
Para un tipo pequeño, como un explorador de la Primera Guerra Mundial como el Fokker D.VII , una bodega suele ser suficiente. Pero para alas más grandes que transportan mayores cargas útiles, se pueden utilizar varias bodegas. El Curtiss JN-4 Jenny biplaza es un biplano de dos bodegas, mientras que los tipos pesados grandes eran a menudo biplanos o triplanos de varias bodegas: los primeros ejemplos del Albatros BI alemán y todos los ejemplos de producción de los biplanos de observación desarmados biplaza DFW BI de 1914 fueron dos de los pocos biplanos monomotores de tres bodegas utilizados durante la Primera Guerra Mundial.
Algunas alas de biplanos están reforzadas con puntales inclinados lateralmente y los compartimentos forman una armadura Warren en zigzag . Algunos ejemplos son la serie Ansaldo SVA de biplanos de reconocimiento de alta velocidad y un solo motor de la Primera Guerra Mundial y el Fiat CR.42 Falco de principios de la Segunda Guerra Mundial .
También se han utilizado otras variantes. El caza SPAD S.XIII , aunque parece un biplano de dos compartimentos, sólo tiene un compartimento, pero los puntos medios del aparejo están reforzados con puntales adicionales; sin embargo, estos no son estructuralmente contiguos de arriba a abajo del ala. 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 compartimentos.
Cuando un avión tiene un ala que se extiende por encima del fuselaje principal, los dos componentes suelen estar conectados por puntales de cabina que van desde la parte superior del fuselaje o la cabina de la tripulación hasta la sección central del ala. Este tipo de ala suele estar reforzada en otras partes, y los puntales de cabina forman parte del esquema de refuerzo general.
Debido a que los puntales de la cabina a menudo transmiten el empuje del motor al ala superior para superar su resistencia, las cargas a lo largo de cada diagonal entre los puntales delantero y trasero son desiguales y a menudo tienen forma de N. También pueden tener cables de torsión con riostras para ayudar a detener la torsión del ala. Algunos diseños de biplanos, como el caza/escolta biplaza británico Bristol Fighter de 1917 , tenían su fuselaje separado del ala inferior y del superior, utilizando puntales de cabina ventrales para lograr tal característica de diseño.
Los primeros monoplanos dependían completamente de refuerzos de alambre externos, ya sea directamente al fuselaje o a postes de apoyo sobre él y 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 en voladizo con sus refuerzos de sustentación dentro del ala para evitar las penalizaciones por resistencia aerodinámica de los cables y puntales externos .
En muchos de los primeros monoplanos con arriostramiento de alambre , como el Blériot XI y el Fokker Eindecker (ambos con diseños de alabeo ), se colocaron sistemas de puntales dorsales y, a veces, ventrales o cabanes encima o encima y debajo del fuselaje. Esto podía usarse tanto para proporcionar cierta protección al piloto si la aeronave volcaba en el suelo como para la fijación de cables de aterrizaje que salían en una V ligeramente inclinada hacia los puntos de proa y popa cerca de las puntas de las alas. En los monoplanos de ala en parasol, el ala pasa por encima del fuselaje y está unida a este mediante puntales de cabane, de manera similar al ala superior de un biplano. [4]
En algunos tipos, la cabaña se sustituye por un único pilono grueso y aerodinámico.
En un avión de ala alta, un puntal de sustentación conecta un punto exterior del ala con un punto inferior del fuselaje para formar una estructura triangular rígida. Durante el vuelo, el puntal actúa en tensión para llevar la sustentación del ala al fuselaje y mantener el ala nivelada, mientras que cuando está en tierra actúa en compresión para mantener el ala levantada. [5]
En el caso de aeronaves de potencia y velocidad moderadas, los puntales de sustentación representan un compromiso entre la elevada resistencia de una estructura totalmente arriostrada y el elevado peso de un ala totalmente en voladizo. Son comunes en modelos de ala alta, como el Cessna 152 , y casi universales en modelos de ala tipo parasol, como el Consolidated PBY Catalina .
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Con menos frecuencia, algunos monoplanos de ala baja, como el Piper Pawnee, tienen 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 sustentación, como en el Cessna 152, pero a menudo vienen en pares, a veces paralelos como en el Catalina, a veces separados o como pares en forma de V (por ejemplo, Auster Autocrat ) unidos al fuselaje en un solo punto. Se han utilizado muchos arreglos más complicados, a menudo con dos puntales de sustentación 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 sustentación se han aerodinámico, a menudo encerrando miembros de soporte de carga de metal en carcasas perfiladas. El Farman F.190 , por ejemplo, tenía sus alas altas unidas al fuselaje inferior mediante tubos de duraluminio paralelos encerrados en carenados aerodinámicos de abeto [7] y el Westland Lysander utilizó vigas de sección en I extruidas de aleación ligera, sobre las que se atornillaron un par de carenados de duraluminio delantero y trasero. [8] Los aviones posteriores han tenido puntales aerodinámicos formados directamente a partir de metal perfilado, como los puntales de aleación ligera extruidos del Auster AOP.9 , [9] o de materiales compuestos, por ejemplo, los puntales de sustentación 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 los puntales entre planos. A veces, la aerodinámica se estrecha cerca del ala, como en el Farman F.190; [7] otros diseños tienen un pie extendido y carenado, 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 sustentación siguen siendo comunes en aeronaves ligeras de ala alta pequeñas (de 2 o 4 plazas) en las categorías de ultraligeros y deportivos ligeros . Entre los ejemplos más grandes se incluyen el Short 360, un avión de 36 pasajeros, 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 de elevación son pequeños puntales auxiliares que se utilizan para reforzarlo. [18] Evitan problemas como la vibración resonante y el pandeo bajo cargas de compresión.
Los puntales de juramento vienen en muchas configuraciones. En los monoplanos con un puntal principal, puede haber solo un puntal de juramento que conecta el puntal principal a un punto intermedio en el ala. Un monoplano arriostrado con puntales en "V", como el Fleet Canuck, puede tener un ensamblaje complicado de puntales de juramento.
Los primeros aviones utilizaban mucho refuerzos, tanto internos como externos, para soportar las estructuras ligeras que exigían las bajas potencias de los motores y las bajas velocidades de vuelo que se podían alcanzar en ese momento. Desde el primer avión Wright de 1903, el fuselaje no era más que una estructura reforzada e incluso se utilizaban refuerzos diagonales de proa a popa para mantener las alas en ángulo recto con respecto a él.
Algunos de los primeros aviones utilizaban puntales hechos de bambú . La mayoría de los diseños utilizaban puntales aerodinámicos hechos de madera de abeto o fresno , seleccionados por su resistencia y peso ligero. [2] También se utilizaban puntales de metal, y tanto la madera como el metal siguen utilizándose en la actualidad.
La necesidad de arriostramientos en las alas delanteras y traseras desapareció con la llegada de motores más potentes en 1909, pero los arriostramientos siguieron siendo esenciales para cualquier diseño práctico, incluso en monoplanos hasta la Primera Guerra Mundial, cuando se volvieron impopulares y los biplanos arriostrados reinaron de forma suprema.
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 el Blair Atholl Aeroplane Syndicate de J. W. Dunne , comenzaron a desarrollar y aplicar el análisis de ingeniería de compartimentos individuales en un biplano, para calcular las fuerzas estructurales y utilizar la mínima cantidad de material en cada compartimento para lograr la máxima resistencia. [19] Técnicas analíticas como ésta condujeron a aviones más ligeros y fuertes y fueron ampliamente adoptadas.
Al mismo tiempo, la cantidad de refuerzos se podía reducir progresivamente. A bajas velocidades, un alambre fino causaba muy poca resistencia y a las primeras máquinas voladoras se las llamaba a veces "jaulas de pájaros" debido a la cantidad de alambres presentes. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, el alambre debe hacerse más fino para evitar la resistencia mientras aumentan las fuerzas que soporta. 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 aparejos que generaban resistencia al avance hacia el 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 tenía ningún refuerzo externo para su diseño de ala en voladizo de perfil aerodinámico grueso, que podía volar a poco más de 160 km/h con un motor de seis pistones en línea de solo 120 caballos de fuerza.
Al final de la Primera Guerra Mundial, la potencia de los motores y la velocidad aerodinámica habían aumentado lo suficiente como para que la resistencia causada por los cables de refuerzo de un biplano típico afectara significativamente el rendimiento, mientras que el monoplano parasol, más pesado pero más elegante, con refuerzos de puntales, se estaba volviendo viable. Durante un período, este tipo de monoplano se convirtió en el diseño preferido.
Aunque el monoplano de ala alta con tirantes fue superado en la década de 1930 por el verdadero monoplano con voladizo, se ha seguido utilizando durante toda la posguerra, en funciones en las que el peso ligero es más importante que la alta velocidad o el largo alcance. Entre ellas se incluyen los aviones de cabina ligera, en los que la visibilidad hacia abajo también es importante, y los pequeños transportes.
Las alas arriostradas de alta relación de aspecto fueron utilizadas por la francesa Hurel-Dubois (ahora parte de Safran ) con el demostrador Hurel-Dubois HD.10 en 1948, y luego los aviones de pasajeros HD.31 /32/34, todavía utilizados por el Institut Geographique National francés hasta principios de la década de 1980. Un HD.45 propulsado por turborreactor fue propuesto sin éxito para competir con el Sud Aviation Caravelle , tal vez debido a que el turborreactor de alta velocidad no se adaptaba a una estructura más lenta.
