AERONAVES EN GENERAL

CONTENIDO A TRATARAERONAVES EN GENERAL

1. EL AVIÓN Función HistoriaEvolución y proyección2. CLASES DE MATERIALES AERONÁUTICOS• Aceros• Aceros al cromo, níquel• Aceros al cromo-níquel • Aceros resistentes a la corrosión• Aceros al cromo-molibdeno• Aleaciones ligeras de aluminio• Propiedades de los metales• Propiedades del trabajo

LA AVIACIÓN FUNCION AVIACION: Término aplicado a la ciencia y práctica del vuelo de las aeronaves más pesadas que el aire, incluyendo aviones, planeadores, helicópteros, autogiros.

AERONÁUTICA es la ciencia o disciplina cuyo ámbito es el estudio, diseño y manufactura de aparatos mecánicos capaces de elevarse en vuelo, así como el conjunto de las técnicas que permiten el control de aeronaves.

AERONAVE: Es un vehículo motorizado que tiene la capacidad de desplazarse por el aire; Cuando la aeronave puede desplazarse al exterior de la atmósfera terrestre, recibe el nombre de nave espacial.

• Un aeroplano se sustenta en el aire como consecuencia de la diferencia de presión que se origina al incidir la corriente de aire en una superficie aerodinámica como es el ala.

• La forma "plana" del ala en su parte inferior, hace que el aire de abajo de la superficie del ala circule mas lento que el aire que va por arriba del ala. El aire "lento" de abajo es mas denso que el "rápido" de arriba y la diferencia de presión genera un empuje hacia arriba, que se denomina sustentación.

HISTORIA DE LA AVIACIÓN EN EL MUNDO

Ciertos sabios antiguos creían que para volar sería necesario imitar el movimiento de las alas de los pájaros.

Siglo V de nuestra era se diseñó el primer aparato volador: la cometa o papalote.

Siglo XIII el monje inglés Roger Bacon, tras años de estudio, llegó a la conclusión de que el aire podría soportar un ingenio de la misma manera que el agua soporta un barco.

Siglo XVI Leonardo da Vinci analizó el vuelo de los pájaros y anticipó varios diseños que después resultaron realizables.

• SIGLO XIX: El ingeniero aeronáutico e inventor británico George Cayley, teórico futurista, comprobó sus 2 ideas experimentando con cometas y planeadores capaces de transportar un ser humano. Diseñó un aparato en forma de helicóptero, pero propulsado por una hélice en el eje horizontal. • Sus méritos le llevaron a ser conocido por sus compatriotas como el padre

de la aviación.

• Durante la década de 1890, LOS HERMANOS WRIGHT empezaron a interesarse por el mundo de la aviación, especialmente con la idea de fabricar y hacer volar una aeronave más pesada que el aire, que pudiese despegar por medios propios.

• El avión que fabricaron los hermanos Wright era un biplano al que denominaron Flyer.

• En 1891 el brasileño Alberto Santos Dumont maravillado por el mundo de la aviación, realizó sus primeros vuelos como pasajero en globo, y posteriormente creó su propio globo; también creó una serie de modelos de dirigibles, de los que algunos lograron volar con éxito pero otros no. Dumont inventaría el primer ultraligero.

CONSULTA

•Historia sobre la aviación • La era de oro de la aviación•Desarrollos en la tecnología de la aviación

LA AVIACION SE DIVIDE EN TRES GRANDES CATEGORIAS1. Aviación militar2. Aviación comercial 3. Aviación general

LA AVIACIÓN MILITAR incluye todos los vuelos realizados por las fuerzas aéreas: estratégicos, tácticos y logísticos.

LA AVIACIÓN COMERCIAL engloba la operación de líneas aéreas regulares y chárter.

LA AVIACIÓN GENERAL comprende todas las otras formas de vuelo: deportivo, privado, publicitario, de enseñanza y de fumigación.

AVIACION MILITARLos aeroplanos militares se dividen en cuatro categorías:

combate, carga, enseñanza y observación

En la categoría de combate se incluyen los aviones de caza y los bombarderos, tanto para operaciones en tierra como en mar.

El más utilizado de los aviones militares de transporte C-130 Hércules, que puede llevar 120 toneladas de carga.

Los aviones militares de enseñanza y entrenamiento más famosos han sido el Texan T-6, de hélice, para enseñanza básica, y el reactor T-33, para enseñanza avanzada.

AVIACIÓN COMERCIAL

• La historia de la aviación comercial forma parte evidentemente de la historia de la aviación y se remonta su nacimiento a los instantes posteriores al lanzamiento de los primeros aviones y se puede centrar en los alrededor del año 1910 mediante el vuelo de los primeros aviones encargados de hacer el transporte aéreo de correo, durante la primera guerra mundial.

• En 1919 nacen las primeras compañías aéreas, que en nuestros días siguen volando en los cielos del mundo, son: KLM (Países Bajos) en Europa y Avianca (Colombia) en América.

ENTES

ORGANIZACIONES INTERNACIONALES

Objetivo: fomentar el desarrollo del transporte aéreo internacional mediante el establecimiento de principios, acuerdos, normas y reglamentos necesarios para la seguridad, regularidad y economía del transporte aéreo. Idiomas oficiales chino, ruso, inglés, francés y español.

OACI (Organización de Aviación Civil Internacioanal)FAA (Federal Aviation Administration) FAR(Federal Aviation Regulation)IATA (International Air Transport Association)IACA (International Air Carrier Association)ERA (European Regional Assotiation)EASA (Agencia Europea de SeguridadAérea)CEAC (Comisión Europea de Aviación Civil)JAA (Joint Aviation Authorities)

AVIACIÓN GENERALTodo vuelo civil que no sea de líneas aéreas regulares ni chárter’.

La Aviación General y de Trabajos Aéreos incluye, pues, actividades muy variadas e importantes para la vida, seguridad y prosperidad de un país.Se puede considerar perteneciente a la aviación general a toda aeronave con un peso inferior a 5.700kg.

La FAA define también como toda actividad de aviación civil excepto la realizada por compañías aéreas comerciales de pasajeros y carga, las compañías regionales que operan aeronaves con un Max de 60 asientos y las de taxi aéreo.

VISIÓN GLOBAL

MATERIALES AERONÁUTICOS

• Los intentos por volar han sido muchos, y se ha tardado en conseguir, no solo por la técnica inadecuada, si no por los materiales incorrectos o falta de motores ligeros y potentes.

La maderaEl aceroAluminioTitanioMateriales Compuestos (composites)

¿POR QUÉ A CIERTOS MATERIALES LOS DENOMINAMOS MATERIALES AERONÁUTICOS?

• Concepto: obtener un producto aeronáutico (aeronave, motor y hélices) de alta confiabilidad

Requerimientos estructurales de acuerdo a la categoría de la aeronave

• Para cumplir con los requerimientos estructurales y tener confiabilidad se deben certificar los materiales, es decir, debe lograrse calidad y trazabilidad del producto.

• ¿Cómo se logra esta calidad en los materiales? Cumpliendo con normas Nacional e Internacional aceptadas por las autoridades aeronáuticas.

Normas:

• MIL (Military Standard), • ASTM (American Society for Testing and Material), • NAS (National Aeronautics Standard) • AN (Airforce and Navy aeronautical Standard)• BAC (Boeing Aircraf Company), etc…

Requerimiento Aplicable

Estructura

Sistema de potencia

Instrumentos y aviónica

Sistemas de control

Materiales (normalizados)

Métodos y elementos de fijación

(normalizados)

e fijación

Cálculo estructural de acuerdo al

requerimiento, cumplimiento

LAS ESTRUCTURAS EN LA AVIACIÓN

• Las estructuras aeronáuticas han evolucionado un poco más lento que todas las de mas tecnologías empleadas en la aviación.

• Prácticamente las estructuras aeronáuticas evolucionaron a partir de las cometas o volantines y los barcos.

INTRODUCCIÓN

• Todo mecanismo y/o construcción dentro de su constitución principal cuenta con una estructura, cuya función es soportar los elementos y componentes, rigidizar la construcción, absorber y transmitir las cargas o solicitaciones que se le apliquen.

• Su dinámica debe estar diseñada de manera tal que tampoco exceda los límites mecánicos de su constitución.

HISTORIA Y DESARROLLO

• Las estructuras aeronáuticas inician su desarrollo al mismo tiempo que aparece el primer artefacto volador.

• Los diseñadores se centraban en el vuelo y no en qué y cómo estaban construidas sus máquinas,

Por ello las primeras aeronaves eran muy pesadas, además de su pobre idea acerca de la aerodinámica.

• Se ha empleado una diversidad de materiales, tratando de buscar alta resistencia y bajo peso, al mismo tiempo que se mantuviese económicamente accesible.

• En los inicios de la aviación, el material más maleable conocido era la madera, por ello se hecho mano de ella durante los primeros años.

• La metalurgia dio como resultado aleaciones ligeras de aluminio y aceros, entonces se empezó a cambiar de la madera al metal, luego vinieron los plástico, los polímeros de alta resistencia y las fibras compuestas, y esto no se va a detener mientras se busque mejorar la resistencia y desempeño de las aeronaves.

MADERAS• La madera fue el primer material de construcción que se empleó en

las aeronaves, e incluso se continúa y continuará utilizando.(trabajable, fuerte y liviano).

• Es posible fabricar cualquier clase de aeronave ligera, se puede construir cualquier tipo de estructura con ella.

• Su mayor desventaja es el detrimento de sus características con el paso del tiempo• Otra es que no poder transmitir grandes esfuerzos estructurales.

Las maderas que se emplean en aviación deben tener ciertas características especiales:

• La fibra de la madera debe ser larga, lo más recta posible y continua, hay que evitar “ojos” o nudos, pues estos concentrarían esfuerzos en esas zonas por ser más duras, fragilizando ese sector.

• La madera no debe ser ni muy dura ni muy blanda para poderla trabajar.

• Debe contener un mínimo de humedad para que no se fragilice.

Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una resistencia adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se comporta como un material compuesto, por la constitución capas.

1. Abeto2. Abedul• La madera sufre cambios en su tamaño y sus propiedades con la variación de

humedad• La madera se ve sometida al ataque biológico.

• Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en estructuras recubiertas de tela y en recubrimientos. En la Segunda Guerra Mundial se empleó en forma de laminados, en algunas estructuras y recubrimientos, siendo el ejemplo más conocido el avión británico “mosquito”.

MATERIALESDos grandes grupos: Metálicos y No metálicos

Metálicos: Aceros (aleaciones base hierro-carbono), Aceros aleados, Aleaciones no ferrosas (aleaciones de aluminio, de titanio, de magnesio).

No Metálicos: Plásticos (termorrígidos, termoplásticos, etc), Materiales compuestos (clásicamente refuerzos embebidos en una resina termorrígida), Maderas.

LOS METALES

Los metales siempre han sido empleados como componentes principales en la estructura, solo que su peso hacía que se limitara su uso solo a elementos conectores y reforzantes de las estructuras de madera.

A medida que la tecnología de materiales avanzó, también lo hicieron las distintas aleaciones.

EL ACERO

• El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene graves problemas de corrosión. • No obstante sustituyó a la madera en la construcción.• Fokker empleó la estructura del tubo de acero recubierta de tela.

CARACTERISTICAS

• Resistente• Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10

veces la de la madera.• Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio:• Corrosión galvánica Más rígido que el aluminio• Aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren

de aterrizaje, herrajes, bancadas de motor etc.• Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. • Es más pesado que el aluminio, pero también más resistente.

ACEROS

Hierro aleado con el carbono (%C no mayor a 2), y, eventualmente, con otros metales. Con el aumento del % de Carbono se tienen:

Ventajas: aumento de la resistencia mecánica (tracción, torsión,

compresión, dureza)

Desventajas: disminuye la ductilidad, la resistencia a la corrosión y las cualidades para ser soldado.

ALUMINIO• En el siglo XIX el aluminio era tan caro de producir que era considerado un metal

semiprecioso.

• A partir de la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de sus aleaciones, y la necesidad de un metal menos pesado que el acero, lleva a su implantación masiva en la aviación, y hasta nuestros días ha sido el material más usado en aeronáutica.

1. Adecuada resistencia2. Baja densidad3. Conocimiento de sus técnicas de fabricación (fácilmente forjable, fácil de trabajar y reparar, se conoce muy bien su funcionamiento)

Sin embargo:

1. Envejecimiento: con el tiempo sus propiedades mecánicas se alteran2. Pequeñas muescas, cortes o arañazos pueden causar graves perjuicios a una pieza.3. Uso limitado por temperatura.

• Como muchos otros descubrimientos, en 1909 se produjo uno, de forma accidental: El Duraluminio

Aluminio

No se encuentra en la naturaleza como tal sino como un óxido, como todos los metales. A partir de procesar la bauxita (óxido), procedente de rocas silicatoaluminicas, se logra el aluminio puro.

Ventajas: muy maleable, alta capacidad de conducir el calor y la electricidad, muy reflectivo, resistente a la corrosión, de baja densidad si se la compara con el acero (aprox. 1/3 de la densidad del acero)

Desventajas: del punto de vista de su resistencia no debe ser aplicado en estructuras ni componentes mecánicos por su muy baja resistencia mecánica. Solamente puede aumentar su resistencia por deformación (se logra el doble aproximadamente) y no adquiera resistencia por tratamientos térmicos.

Aleaciones de aluminio

La metodología utilizada para mejorar la resistencia del aluminio, incrementándola bastante sin reducir demasiado otras propiedades deseables tales como la ductilidad y la densidad, es aleándolo con uno o más metales y/o metaloides.

Las aleaciones que logran mayor resistencia que el aluminio puro se dividen en dos clases:

las que pueden ser endurecidas por trabajo en frío (deformación a temperatura

ambiente).

las que responden tanto al endurecimiento por trabajo en frío y tratamientos térmicos o a ambos por separado.

Clasificación del aluminio y sus aleaciones

• Aluminio puro y sus aleaciones (productos no fundidos) se designan de acuerdo a ANSI (American Nacional Standard Institute) H35.1.

• Aleaciones fundidas se codifican de acuerdo a ASTM B275.

Estas designaciones son internacionales aunque hay países que poseen su propia designación equivalente.

Elemento de mayor porcentaje Designación Tratamiento térmico Aluminio Puro 1xxx No tratable Cobre 2xxx Tratable Manganeso 3xxx No tratable Silicio 4xxx No tratable Magnesio 5xxx No tratable Magnesio y Silicio 6xxx Tratable Zinc 7xxx Tratable Otras aleaciones 8xxx --------------------------- Serie reservada 9xxx ---------------------------

Como se menciono los elementos aleantes del aluminio proporcionan ciertas ventajas y desventajas. A continuación se enumeran estas.

Cromo (Cr). Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg.

Cobre (Cu). Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión.

Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica.

Magnesio (Mg). Produce alta resistencia tras el conformado en frío.

Manganeso (Mn). Incrementa las propiedades mecánicas y mejora la calidad de conformación por deformación (aleación 3XXX son utilizadas en productos para almacenar líquidos, etc)

Silicio (Si). Combinado con magnesio (Mg), logra mayor resistencia mecánica.

Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica.

Zinc (Zn). Aumenta la resistencia a la corrosión.

CONSULTAR:

EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES PROPIEDADES, CARACTERISTICAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS USOS

EL TITANIO EN EL SECTOR DE LA AERONAUTICA

• La aeronáutica es el primer consumidor de titanio, y su utilización crece a gran velocidad de una generación de aparatos a la siguiente.

• Los últimos aviones civiles fabricados como el Boeing 787 Dreamliner y el Airbus A380 utilizan cantidades notablemente superiores a los modelos precedentes.

Características:

• Su densidad está entre la del aluminio y la del acero

1. Se comporta bien ante la corrosión2. Soporta bien las altas temperaturas (400 – 500ºC)

Además

1. Sus propiedades se degradan en ambientes salinos2. Su coste es 7 veces superior al del aluminio

Usos:• Estructuras de aviones militares y civiles (en los aviones civiles su

cantidad es mucho menor)2. Recubrimientos y protecciones térmicas1. Recubrimiento en la zona de los motores• Zonas altamente calentadas (Toberas)

Ventajas de la fase alfa:

Es dúctil y maleable lo cual permite fabricar láminas delgadas.Puro o aleado posee excelente resistencia a la corrosión hasta

aproximadamente los 540ºC.Material con alta afinidad con gases (H, N y O) forma soluciones sólidas

intersticiales de gran resistencia mejorando las características mecánicas.Densidad intermedia entre el acero y el aluminio y sus aleaciones. Elevado punto de fusión del orden de los 1670ºC. Tanto puro como aleado puede ser soldado mediante técnicas con

atmósfera controlada.

Aplicaciones: Se lo utiliza en tubería para procesos químicos, válvulas y tanques, paredes cortafuegos (o parallamas) de aeronaves, tubos de escape, entre otras.

Desventajas:

Es relativamente costoso obtenerlo a partir de los minerales que lo contienen (mena)

Baja capacidad de conducir el calor y la electricidad. Esto puede ser una ventaja si se lo utiliza como aislante (caso de aislacion de contactos térmicos en satélites, parallamas, etc).

Del punto de vista de su resistencia, en fase alfa, no debe ser aplicado en estructuras ni componentes por su baja resistencia mecánica específica.

Demanda control de cantidad de gases absorbidos (H, Ni y O), si se exceden los límites especificados, ocurre la fragilidad del titanio.

En la tabla siguiente se comparan dos aleaciones de aluminio con titanio en fase alfa, los valores típicos de resistencia corresponden a temperatura ambiente de laboratorio, aproximadamente 23ºC.

Otras aplicaciones aeronáuticas

El Titanio y sus aleaciones se pueden clasificar según su propósito en:

RESISTENTES A LA CORROSIÓNCP-1, CP-2, CP-3, CP-4, Ti-Pd Grado7 & 16, Ti-3Al-2.5V Grado9 & 18, entre otros.

ALTA RESISTENCIA Ti-6Al-4V Grado 5, Ti-5Al-2.5Sn Grado 6, Ti-2.5Cu, Ti-6Al-7Nb, Ti-4Al-4Mo-2Sn, Ti-6Al-6V-2Sn, entre otros.

RESISTENTES A ALTA TEMPERATURA

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-11Sn-5Zr-2.5Al-1Mo

entre otros.

MATERIALES AERONAUTICOS

ESTRUCTURAS

MADERATRABAJABLE, FUERTE Y

LIVIANO

ACERO

PESO/CORROSION

ALUMINO

< w/CORROSION

TITANIO

$/LIVIANO

LOS METALES

METALES/NO METALES

NUEVOS MATERIALES

FIBRA DE CARBONO

NANOTUBOS DE

CARBONO

FIBRA DE VIDRIO

COMPOSITES

ESTRATEGICO Y OBLIGATORIO

ALIGERA EL PESO (DUCTIL)

Permiten una reparación fácil, fiable y rentable

Los aviones que presentan partes construidas por compuestos de polímetros reforzados con fibra, pueden ”auto reparase”.

COMPOSITES

Fibra de vidrio y resina epoxi

Camelina sativa• El potencial de esta planta como una nueva fuente de

biocombustible, podría llegar a ser el nuevo combustible del futuro para aviones.

Kevlar• Es un polímetro que se una para

la fabricación de contenedores para el equipaje y en las puertas de las cabinas de los pilotos.• Es muy resistente a cualquier

tipo de impacto.

Recubrimientos• La selección de materiales está

orientada hacia la reducción de peso y la resistencia al desgaste y a la corrosión.