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Evolución en la estructura de las aeronaves

 

En 1903, realiza su primer vuelo público el Flyer I, creado por los hermanos Wright. Se tiene a este vuelo como el primero de la historia de la aviación, por lo significativo de tratarse de un aeroplano con motor y control sobre el mando del vuelo. Dicho aparato estaba construido con acero, madera y tela encolada, toda una proeza teniendo en cuenta los conocimientos y motores existentes para la época.

Actualmente hay quienes cuestionan los principios básicos de la estructura de las aeronaves tal y como las conocemos desde que los hermanos Wright levantaron el vuelo.

Las primeras aeronaves que se construyeron basaron su fabricación estructural en la madera y tela encolada y el control de mandos de vuelo se realizaba mediante cables de acero. Se buscaba una rigidez capaz de aguantar a la aeronave en vuelo con los materiales utilizados, por lo que era necesario un diseño donde el reparto de vectores de fuerza se dividiera de forma que el estrés sufrido por la madera no llegase a puntos que pudieran provocarle torsiones excesivas o roturas. Para esto, en el diseño se contaba con estructuras donde largueros y costillas requerían un número y unas dimensiones que aportaban gran peso en general. A esto se sumaba el problema de la inestabilidad de los materiales en relación con las condiciones de vuelo, maniobrabilidad y condiciones meteorológicas. A pesar de los cálculos que la ingeniería realizaba en relación con superficies de sustentación y de la estructura en general, llegaban a existir factores indeterminados e incontrolados que provocaban que las capacidades de vuelo fueran bastante reducidos.

Llegados a la Segunda Guerra Mundial, se planteaba la necesidad de obtener medios de transporte pesados, capaces de llevar tropas y armamento con vehículos superiores a los que existían, además de velocidad y maniobrabilidad sobre todo en los aviones de escolta y caza. Es aquí cuando comenzó el desarrollo de técnicas de control nuevas y, lo más importante, un estudio más centrado en la estructura y en la búsqueda del mayor rendimiento posible en la relación capacidad – velocidad – consumo; comenzó a utilizarse la estructura metálica, con el aluminio como principal elemento.

La capacidad de transporte de los nuevos vehículos, requerían de una capacidad de tracción más elevada de las que se tenían hasta el momento; se estudiaron nuevas formas de propulsión y técnicas para la fabricación de hélices. Los nuevos motores que aparecen a partir de ahí le daban el impulso necesario para el arrastre de la carga útil que se tenía prevista, pero estos requerían de un mayor consumo y aumentaban el peso total del aeroplano tanto por los motores empleados como por la suma del combustible. En este punto de la historia nace el primer motor a reacción mediante turbina para el transporte humano y el motor propulsor cohete como medio de elevación de vehículos no tripulados por personas. Además de los nuevos sistemas de propulsión, se observa que las superficies de sustentación y de control de la aeronave requieren de unas fuerzas de maniobrabilidad bastante elevadas. Se da el caso de que un piloto con los sistemas de cables de acero no puede manejar ciertas superficies de control (alerones, flaps), por lo que se llega a la conclusión de la necesidad de sistemas de control indirectos mediante servos hidráulicos. Nació la servodirección asistida que actualmente tenemos en los coches.

Todo esto sumaba pesos y fuerzas ejercidas sobre la estructura de las aeronaves, por lo que el diseño se modificó pensando en un reparto de vectores mucho más complejo. La consecuencia más inmediata fue que, al tratar de eliminar las acciones directas mediante la aplicación de costillas o larguerillos, el conjunto de la aeronave aumentaría aún más su peso. El estudio del diseño aeronáutico comienza a tomarse como una sección bastante importante de la ingeniería.

Tras la contienda, la aviación civil aprovechó todos los avances de ese periodo y aumentó el estudio de las nuevas capacidades del transporte aéreo. Se comenzó a realizar medidas de tensiones y fuerzas en vuelo, lo que dio lugar a cambios de diseño estructural y a la utilización de nuevos materiales que diesen más flexibilidad, resistencia a las fuerzas y menos peso. Nacen los materiales compuestos.

Gracias a los materiales compuestos, como las fibras (carbono, poliéster, etc.), sándwiches metálicos y otras técnicas similares, se está consiguiendo que la relación mencionada vaya aumentando y se obtenga un mayor rendimiento con un mínimo consumo. Actualmente, se asume que la carga útil de una aeronave comercial ronda el 30% del peso total del vehículo, con la mayor proporción de peso en el combustible en el despegue, en los motores y en el resto de equipos.

Pero el más importante de los avances actuales no reside en la filosofía de buscar una estructura menos pesada o más robusta, sino en obtener medios de empuje que no requieran una gran cantidad de combustible y en eliminar peso de equipos mediante la fabricación de sistemas electrónicos poco pesados, el uso de la fibra óptica en lugar de lógica cableada o incluso wireless robusto, de forma que la carga útil de la aeronave sea superior al peso en vacío. Obviamente, el estudio en relación con la estructura de las aeronaves se encamina hacia materiales más resistentes pero con la mayor ligereza posible. Actualmente, los estudios se centran en la búsqueda de materiales más ligeros y se ha llegado a uno nuevo conocido como “Espuma metálica”.

Para mejorar la relación de fuerza y peso de un material se puede optar por tres vías: intentar mejorar la fuerza, bajar la densidad o ambos. Para intentar crear esta relación donde se consiga bajar la densidad mejorando su fuerza, se ha creado un material en forma de espuma donde la existencia de huecos internos es controlada y corregida de forma que lleven una dirección, separación y número determinados en el diseño, para posteriormente hacer más rígida la estructura con una fina capa de óxido de aluminio. Así se consigue una dureza similar al acero pero con una densidad parecida a la del agua (revista científica «PNAS» Proceedings or the National Academy of Science of the United States of America). El problema de este nuevo material es su coste, de momento inalcanzable.

Actualmente hay muchas vías innovadoras que tienen como objetivo todo lo mencionado anteriormente, pero hay quienes incluso quieren llegar más lejos cuestionando los principios básicos de la estructura de las aeronaves tal y como las conocemos desde que los hermanos Wright levantaron el vuelo. Es posible que en unos años todos estos conceptos queden obsoletos, pero a día de hoy de lo que no cabe la menor duda es que no hay descanso en la constante evolución de la estructura de las aeronaves.

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