Tema 12 Arquitectura de Aviones

Tema 12:
Arquitectura de Aviones
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Tema 12: Arquitectura de aviones
1. Introducción
2. Evolución histórica
3. Arquitectura del fuselaje
4. Arquitectura del ala
5. Arquitectura de la cola
6. Ejemplos
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1. Introducción
La arquitectura del avión se encarga de diseñar los elementos estructurales pero también tiene
en cuenta la habitabilidad.
Se suele descomponer el avión en bloques arquitectónicos esenciales ala, fuselaje, planta
propulsora, tren de aterrizaje y cola.
La arquitectura de los aviones, en lo esencial, no ha evolucionado mucho desde que se
sustituyó la estructura monocasco por la semiomonocasco.
Las principales mejoras vienen dadas por avances en los materiales empleados.
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2. Evolución histórica
• Comienzos de la aviación: el objetivo del diseñador era soportar las cargas estructurales y
aerodinámicas. Se usaban alas de sección delgada y recubrimientos de tela, incapaces de
soportar cargas.
• Estructuras monocasco: fáciles de fabricar pero con graves problemas de inestabilidad ante
cargas a compresión.
• Estructuras semimonocasco: se incorporan refuerzos junto al propio revestimiento
corrigiéndose los problemas ante cargas a compresión.
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3. Arquitectura del fuselaje
• Diferencias de concepción del fuselaje en función de la misión del avión:
• Los pasajeros exigen seguridad y confort.
• Algunas cargas útiles requerirán un acondicionamiento particular.
• La velocidad de vuelo, la altura de crucero,… condicionan fuertemente la estructura.
• Principales cargas sobre el fuselaje:
• Aerodinámicas: pequeñas comparadas con las que aparecen en el ala.
• Concentradas: reacciones del ala, tren,…
• Inerciales: elementos en movimiento en el interior del fuselaje.
• Presurización: fuerzas normales muy importantes.
• Estructura básica:
• Tubo único de pared delgada presurizado transversalmente con cuadernas y
longitudinalmente con largueros y larguerillos. El conjunto soporta muy bien los estados
de flexión y torsión así como las cargas axiales.
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3. Arquitectura del fuselaje (Cont.)
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3. Arquitectura del fuselaje (Cont.)
• Revestimiento:
• Absorbe los esfuerzos de cortadura debido a la torsión y soporta las cargas de presión y
otras fuerzas transversales.
• Requiere elementos que lo estabilicen.
• Largueros:
• Previenen la inestabilidad global (por flexión).
• Larguerillos:
• Previenen la inestabilidad local (por pandeo).
• Cuadernas:
• Rigidizan transversalmente, dan la forma al fuselaje y previenen la inestabilidad de los
larguerillos. Si se tienen que reforzar mucho se llaman marcos.
• Mamparos de presión:
• Reparten los esfuerzos de presión.
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3. Arquitectura del fuselaje (Cont.)
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3. Arquitectura del fuselaje (Cont.)
• Aspectos constructivos:
• Fabricación conjunta o separada del revestimiento y los larguerillos.
• Refuerzos en las zonas con aberturas (se usan marcos de refuerzo).
• Espaciado entre cuadernas y larguerillos prácticamente independiente del tamaño del
avión.
• Se debe prestar atención a la colocación y los requisitos de los distintos equipos y
sistemas que se albergarán en el fuselaje.
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4. Arquitectura del ala
• Existen diferentes tipos de estructuras del ala, según las actuaciones del avión:
• Alas largas con cajón de torsión con 2 o 3 largueros.
• Alas cortas con cajón multilarguero.
• Principales cargas sobre el ala:
• Aerodinámicas: la mayor es la sustentación.
• Concentradas: las principales se deben al tren.
• Cargas en el borde de ataque y en el borde de salida.
• Cargas de presión: cargas estáticas y dinámicas debidas al combustible.
• Estructura básica:
• Cajón de torsión: es el elemento resistente del ala, va de punta a punta y está constituido
por las costillas, los largueros y los larguerillos.
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
• Revestimiento:
• Recibe las cargas aerodinámicas y las transmite a las costillas.
• El intradós se diseña a tracción (esfuerzos máximos, tenacidad a fractura y fatiga) y el
extradós a compresión (prevención del pandeo).
• Supone más del 50% del peso del ala.
• Requiere elementos que lo estabilicen.
• Largueros:
• Son los elementos estructurales más importantes del ala.
• Soportan el principal estado de cargas del ala, el momento flector creado por la
sustentación.
• Soportan las cargas del despliegue y recogida de los elementos hipersustentadores.
• Suelen ser 2 largueros rectos (excepto en la unión al fuselaje que realizan un quiebro)
más un tercero auxiliar para la sujeción del tren principal.
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
• Larguerillos:
• Previenen la inestabilidad local (por pandeo).
• Costillas:
• Dan forma al perfil del ala.
• Limitan la longitud de los larguerillos, previniendo su inestabilidad como columna.
• Transfieren y distribuyen las cargas de cortadura entre los largueros.
• Reciben cargas inerciales.
• Sufren compresión en su propio plano y torsión diagonal.
• Pueden estar paralelas al plano de simetría del avión o perpendiculares a la linea de
torsión del ala.
• Tanques de combustible:
• El interior del cajón de torsión es tanque integral de combustible. Su disposición es muy
importante en el problema del centrado.
• Ayudan a aliviar el momento flector en el encastre del ala.
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
• Prevención ante rayos:
• Estadísticamente cada 2000 horas de vuelo se produce un impacto de relámpago sobre
el ala.
• Se definen zonas con distintos niveles de riesgo:
• Zona 1: Alta probabilidad
• Puntas de ala
• Proyecciones hacia delante.
• Zona 2: Probabilidad media
• Zonas que se extienden hacia atrás desde la zona 1.
• Zona 3: Baja probabilidad
• Resto del avión.
• El material se seleccionará acorde con el riesgo.
• Se deberá asegurar el aislamiento de dispositivos eléctricos y equipos importantes,
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4. Arquitectura del ala (Cont.)
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5. Arquitectura de la cola
La arquitectura de las superficies de cola es similar a la de las alas.
No hay dispositivos hipersustentadores de borde de ataque por lo que el cajón de torsión se
adelanta mucho.
• Principales cargas sobre la cola:
• Aerodinámicas: la mayor vuelve a ser la sustentación, aunque es menor que la del ala.
• Concentradas: articulaciones de las superficies móviles (timones) que pueden inducir
flexión en la charnela.
• Problemas aeroelásticos (flameo) que obligan a dotar de rigidez a la cola.
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5. Arquitectura de la cola (Cont.)
• Cola convencional:
• 2 secciones unidas dentro de la parte posterior del fuselaje.
• En aviones grandes el estabilizador puede pivotar alrededor de dos puntos unidos a una
cuaderna del fuselaje (calado móvil).
• Cola cruciforme y cola en T:
• A carga estática el diseño estructural es igual que para la cola convencional.
• Los problemas aeroelásticos son más importantes por lo que se debe dotar al
estabilizador vertical y al amarre del horizontal de una mayor rigidez (factores 1.5 en
encastre y hasta 40 en la punta).
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5. Arquitectura de la cola (Cont.)
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5. Arquitectura de la cola (Cont.)
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6. Ejemplos
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6. Ejemplos (Cont.)
 Significant weight
reduction
Composites Are the Smart Choice
7E7 is 51% composites by weight
 Reduced corrosion
and fatigue
 Reduced scheduled
maintenance
 Proven in-service
durability
 Opens new design
possibilities
 More potential for
future development
Carbon laminate
Carbon sandwich
Fiberglass
Aluminum
Aluminum/steel/titanium pylons
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