Fundamentos de Estructura y Sistemas Eléctricos en Aeronaves

Módulo I: Estructura Básica de una Aeronave

¿Qué es una Aeronave?

Según la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), una aeronave es: “toda máquina que puede desplazarse en la atmósfera por reacciones del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra”.

Tipos de Aeronaves

Existen dos tipos principales de aeronaves:

• Aeróstatos: Son más livianos que el aire. Fueron los primeros en ser desarrollados, ya que su principio de elevación los hacía mucho más asequibles a nivel científico. Los aeróstatos se caracterizan por contener un fluido gaseoso de menor densidad que el aire.
• Aerodinos: Son aeronaves más pesadas que el aire y son capaces de generar sustentación.

Componentes de una Aeronave

La estructura de una aeronave es la encargada de soportar las fuerzas y cargas que permiten la actividad de vuelo.

Fuerzas que Actúan en una Aeronave

Las principales fuerzas son:

• Sustentación
• Resistencia
• Empuje
• Peso

Esfuerzos Básicos a los que se Somete una Aeronave

• Tensión: Es el esfuerzo que soporta una pieza que se opone a una fuerza dirigida a tratar de alargarla.
• Compresión: Es el esfuerzo que soporta una pieza que se opone a una fuerza dirigida a tratar de comprimirla o encogerla. Es lo contrario a la tensión.
• Torsión: Es una fuerza perpendicular al eje longitudinal de una pieza, cuyo objetivo es retorcerla sobre su eje central.
• Corte o Cizalladura: Tiene como objetivo tratar de separar las piezas o cizallar la continuidad de la pieza.
• Flexión: Es un esfuerzo perpendicular al eje longitudinal de una pieza, que tiene como finalidad deformar la pieza en el mismo eje donde se aplica el esfuerzo.

Componentes Estructurales

Se dividen en principales y secundarios:

• Principales:
  • Largueros
  • Costillas
  • Revestimiento
  • Herrajes
• Secundarios:
  • Falsas Costillas
  • Larguerillos
  • Refuerzos

Componentes Estructurales Primarios

• Largueros: Viga que se extiende a lo largo del ala o fuselaje. Es el componente principal de soporte de la estructura. Soporta los esfuerzos de flexión y torsión.
• Costilla (Rib): Miembro delantero y posterior de la estructura, da forma al perfil y transmite la carga del revestimiento a los largueros.
• Revestimiento (Skin): Su función es dar y mantener la forma aerodinámica, pudiendo contribuir también en su resistencia estructural.
• Herrajes (Fitting): Son componentes de metal empleados para unir determinadas secciones de la estructura. Resisten esfuerzos, vibraciones y deflexiones.

Componentes Estructurales Secundarios

• Larguerillos (Stringer): Son miembros longitudinales de las alas, dispuestos a lo largo para transmitir la carga soportada por el recubrimiento a las costillas del ala.
• Costillas Falsas: Se utilizan para dar forma al revestimiento.
• Refuerzos

Tipos de Estructura

Básicamente, para la construcción de la estructura, podemos encontrar los siguientes tipos:

• Reticular o Truss Structure
• Estructura Pratt
• Estructura Warren
• Estructura Monocoque
• Estructura Semimonocoque

Estructura Reticular o Truss Structure

Es la estructura más popular a lo largo de los años, también llamada estructura de puente. Todos los miembros son tratados como un solo cuerpo rígido. El recubrimiento no colabora con la resistencia de la estructura. Es una estructura muy fuerte y resistente, pero muy pesada. El área del espacio útil es muy reducida.

Estructura Pratt

Los largueros están unidos entre sí por elementos verticales y diagonales; estos deben trabajar solo a la tracción y se llaman tensores.

Estructura Warren

Es más rígida y se caracteriza por no poseer elementos verticales. Se unen entre sí solo por elementos diagonales, capaces de trabajar a tracción y compresión.

Estructura Monocoque

Consiste en un casco hueco delgado sin órganos transversales ni longitudinales. El recubrimiento es parte de la resistencia de la estructura. Se encuentra compuesto por cuadernas y costillas para darle rigidez a los tubos.

Estructura Semimonocoque

Es la evolución de la estructura monocoque. Se agregan, además de las cuadernas, refuerzos longitudinales (largueros, larguerillos). Es la construcción estándar en la actualidad. Está construida principalmente en aleación de aluminio y magnesio, y en las zonas que soportan altas temperaturas, de acero y titanio.

Fuselaje de la Aeronave

Es el cuerpo de la aeronave, el cual provee la cabina de mando, de pasajeros y el área de carga. Además, alberga diversos sistemas y equipos que sirven para dirigir el avión.

Las cargas de presurización son soportadas principalmente por la tensión del revestimiento metálico o piel del fuselaje.

La flexión que experimenta el fuselaje en sentido longitudinal es soportada por los largueros y larguerillos.

Localización de Puntos Específicos en el Fuselaje

La localización de puntos específicos a través del fuselaje se lleva a cabo mediante el uso de códigos, especificados por el fabricante:

• Estación del Fuselaje (Fus Sta)
• Sección Longitudinal (Butt Line)

Estructura Alar

Se diseña conceptualmente como una viga fuerte, capaz de sufrir pequeñas deformaciones, con la finalidad de soportar las cargas aerodinámicas y mecánicas a las que estará sometida.

Es la estructura encargada de generar la mayor parte de la sustentación de la aeronave. También es usada para albergar los tanques de combustible.

Factores que Influyen en el Diseño del Ala

El diseño de un ala varía según:

• Tamaño
• Peso a soportar
• Uso de la aeronave
• Velocidad deseada de la aeronave
• Tasa de ascenso

Definiciones Clave de la Estructura Alar

• Envergadura: Es la distancia de punta a punta del ala.
• Superficie alar: Es el área total correspondiente a las alas.
• Perfil alar: Es la forma de la sección del ala, lo que se obtiene al cortar transversalmente el ala.
• Borde de Ataque: Es el borde delantero del ala.
• Borde de Fuga: Es el borde posterior del ala.
• Espesor: Es la distancia que existe entre el extradós y el intradós.
• Extradós: Es la parte superior del ala, comprendida entre los bordes de ataque y de salida.
• Intradós: Es la parte inferior del ala, lo opuesto al extradós.
• Cuerda: Es la línea recta imaginaria trazada entre los bordes de ataque y de salida de cada perfil.
• Cuerda Media Aerodinámica: Es el producto de la variación de las distintas cuerdas de los perfiles a lo largo del ala.
• Alargamiento: Cociente entre la envergadura y la cuerda media. Este dato nos indica la relación existente entre la longitud y la anchura del ala.
• Curvatura: Es la cantidad de curva que tiene el ala desde el intradós al extradós.
• Estrechamiento: Se define por el cociente: Ct / Cr, donde Cr es la cuerda del perfil en el encastre y Ct es la cuerda del perfil en la punta.
• Flecha: Ángulo que forman las alas respecto del eje transversal del avión.
• Diedro: Ángulo que forman las alas con respecto al horizonte del avión.

Tipos de Alas

(Contenido no especificado en el documento original)

Empenaje de Cola

También llamado sección de cola, está formado por:

• Cono de cola
• Superficies fijas
• Superficies móviles

El cono de cola sirve para cerrar y aerodinamizar el extremo del fuselaje. Se compone de miembros estructurales similares a los del fuselaje; sin embargo, los conos son ligeramente más livianos puesto que reciben menos tensión que el fuselaje.

Estructura del Empenaje

Está compuesto por un estabilizador vertical y uno horizontal. Es el encargado de soportar el Rudder y el Elevador de la aeronave.

La composición estructural del empenaje (vertical y horizontal) es muy similar a la del ala. Los componentes estructurales solo varían en disposición y tamaño.

Tipos de Empenaje

(Contenido no especificado en el documento original)

Superficies de Control

Las superficies de mando y control modifican la aerodinámica del avión, provocando un desequilibrio de fuerzas, donde una o más de ellas cambian de magnitud. Este desequilibrio es lo que hace que el avión se mueva sobre uno o más de sus ejes, incremente la sustentación o aumente la resistencia.

Clasificación de las Superficies de Control

Las superficies de control se dividen en:

• Primarias:
  • Alerones
  • Elevador
  • Rudder
• Secundarias:
  • Flaps
  • Slats
  • Spoilers o Aerofrenos
  • Compensadores

Superficies de Control Primarias

• Alerones: Palabra de origen latino que significa «ala pequeña». Son operados por el timón de vuelo de forma mecánica, hidráulica o eléctricamente. Los alerones tienen un movimiento asimétrico: al girar el volante hacia un lado, el alerón del ala de ese lado sube y el del ala contraria baja, ambos en un ángulo de deflexión proporcional a la cantidad de giro dado al volante.
• Elevador: Superficies de control ubicadas en el estabilizador horizontal. Es el encargado de subir o bajar la nariz de la aeronave. Es accionado por el timón de vuelo y se encarga de modificar el ángulo de ataque de la aeronave.
  • Al tirar del timón, esta superficie sube, mientras que al empujarlo baja.
  • El timón arriba produce menor sustentación en la cola, con lo cual esta baja y, por tanto, el morro sube (mayor ángulo de ataque).
  • El timón abajo aumenta la sustentación en la cola, esta sube y, por tanto, el morro baja (menor ángulo de ataque).
• Rudder: Se suele utilizar para equilibrar las fuerzas en los virajes o para centrar el avión en la trayectoria deseada. Es la superficie móvil montada en la parte posterior del empenaje vertical de la cola del avión. Su movimiento provoca el movimiento de guiñada del avión sobre su eje vertical.
  • Al pisar el pedal derecho: Timón de Dirección a la Derecha, cola hacia la Izquierda y el morro del avión a la derecha.
  • Al pisar el pedal izquierdo, sucede lo contrario: timón a la izquierda, cola a la derecha y morro a la izquierda.

Superficies de Control Secundarias

• Compensadores (Trim): Son mecanismos que permiten que las superficies de control se mantengan en una posición fijada por el piloto, liberándole de una atención continuada a esta tarea. Los compensadores se denominan según la función o superficie a la que se aplican: de dirección, de alabeo o de profundidad.
• Flaps: Son dispositivos hipersustentadores, cuya función es aumentar la sustentación del avión cuando este vuela a velocidades inferiores a aquellas para las cuales se ha diseñado el ala.
• Tipos de Flaps: (Contenido no especificado en el documento original)
• Slats: Son superficies hipersustentadoras que actúan de modo similar a los flaps.
• Spoilers o Aerofrenos: Su función principal es disminuir la sustentación y velocidad de la aeronave.

Módulo II: Sistemas Eléctricos

Introducción a los Sistemas Eléctricos

La energía eléctrica es necesaria para el funcionamiento de muchos sistemas e instrumentos del aeroplano: arranque del motor, radios, luces, instrumentos de navegación y otros dispositivos que necesitan esta energía para su funcionamiento, como la bomba de combustible, el accionamiento de flaps, el tren de aterrizaje, la calefacción del pitot, la señal de pérdida, entre otros.

Antiguamente, muchos aeroplanos no contaban con un sistema eléctrico, sino que tenían un sistema de magnetos que proporcionaban energía eléctrica exclusivamente al sistema de encendido (bujías) del motor. Debido a esta carencia, el arranque del motor debía realizarse moviendo la hélice a mano.

Hoy en día, los aviones están equipados con un sistema eléctrico cuya energía alimenta a otros sistemas y dispositivos. No obstante, para el encendido del motor se sigue utilizando un sistema de magnetos independiente, es decir, que las magnetos no necesitan del sistema eléctrico para su operación. Gracias a esta característica, el corte del sistema eléctrico en vuelo no afecta en absoluto al funcionamiento normal del motor.

La mayoría de los aviones ligeros están equipados con un sistema de corriente continua de 12 voltios, mientras que aviones mayores suelen estar dotados de sistemas de 24 voltios, dado que necesitan mayor capacidad para sus sistemas más complejos, incluyendo la energía adicional para arrancar motores más pesados.

Componentes del Sistema Eléctrico

Los componentes principales del sistema eléctrico son:

• Batería
• Generador / Alternador
• Amperímetro
• Interruptor o Master Switch
• Fusibles y Circuit Breakers

Además de los elementos anteriores, el sistema eléctrico consta de otros componentes como: motor de arranque, reguladores, inversores de polaridad, contactores, transformadores/rectificadores, etc.

Para facilitar la conexión de los equipos al sistema eléctrico, los aviones disponen de una barra de corriente («electrical bus») que distribuye la corriente a todos ellos, simplificando sobremanera el cableado.

Batería

La batería o acumulador, como su propio nombre indica, transforma y almacena la energía eléctrica en forma química. Esta energía almacenada se utiliza para arrancar el motor y como fuente de reserva limitada para uso en caso de fallo del alternador o generador.

Generador / Alternador

Movidos por el giro del motor, proporcionan corriente eléctrica al sistema y mantienen la carga de la batería. Hay diferencias básicas entre generadores y alternadores:

• Con el motor a bajo régimen, muchos generadores no producen la suficiente energía para mantener el sistema eléctrico; por esta razón, con el motor poco revolucionado el sistema se nutre de la batería, que en poco tiempo puede quedar descargada.
• Un alternador, en cambio, produce suficiente corriente de manera constante a distintos regímenes de revoluciones.

El sistema eléctrico del avión se nutre, pues, de dos fuentes de energía: la batería y el generador/alternador. La batería se utiliza en exclusiva (salvo emergencias) para el arranque del motor; una vez puesto en marcha, es el alternador el que pasa a alimentar el sistema eléctrico.

El voltaje de salida del generador/alternador es ligeramente superior al de la batería. Por ejemplo, una batería de 12 voltios suele estar alimentada por un generador/alternador de 14 voltios, o una batería de 24 voltios se alimenta con un generador/alternador de 28 voltios. Esta diferencia de voltaje mantiene la batería cargada, encargándose un regulador de controlar y estabilizar la salida del generador/alternador hacia la batería.

Amperímetro

Es el instrumento utilizado para monitorizar el rendimiento del sistema eléctrico. En algunos aviones el amperímetro es analógico, en otros es digital, y otros no poseen amperímetro, sino que en su lugar tienen una advertencia luminosa que indica un funcionamiento anómalo del alternador o generador.

El amperímetro muestra si el alternador/generador está proporcionando una cantidad de energía adecuada al sistema eléctrico, midiendo amperios. Este instrumento también indica si la batería está recibiendo suficiente carga eléctrica.

• Un valor positivo en el amperímetro indica que el generador/alternador está aportando carga eléctrica al sistema y a la batería.
• Un valor negativo indica que el alternador/generador no aporta nada y el sistema se está nutriendo de la batería.
• Si el indicador fluctúa rápidamente, indica un mal funcionamiento del alternador/generador.

Interruptor o Master Switch

Con este interruptor, el piloto enciende (on) o apaga (off) el sistema eléctrico del avión, a excepción del encendido del motor (magnetos), que es independiente.

En la mayoría de los aviones ligeros este interruptor es doble:

• El interruptor izquierdo, marcado con las iniciales BAT, corresponde a la batería y opera de forma similar al «master»; al encenderlo, el sistema eléctrico comienza a nutrirse de la batería.
• El interruptor derecho, marcado con ALT, corresponde al alternador/generador; al encenderlo, el sistema eléctrico pasa a alimentarse de la energía generada por este dispositivo, cargándose la batería con el excedente generado.

Este desdoblamiento del interruptor posibilita que el piloto excluya del sistema eléctrico al alternador/generador en caso de mal funcionamiento de este. Este interruptor tiene un mecanismo interno de bloqueo, de manera que normalmente, el interruptor ALT solo puede activarse con el interruptor BAT también activado.

Fusibles y Circuit Breakers

Los equipos eléctricos están protegidos de sobrecargas eléctricas por medio de fusibles o breakers (interruptores de circuito).

Los breakers hacen la misma función que los fusibles, con la ventaja de que pueden ser restaurados manualmente en lugar de tener que ser reemplazados.

Los breakers tienen forma de botón, que salta hacia afuera cuando se ve sometido a una sobrecarga; el piloto solo tiene que pulsar sobre el breaker («botón») para volver a restaurarlo.

Autor: TSU. Bryan A. Borrero R
Contacto: bryanborrero1@gmail.com