Armazón, diseño y componentes de una aeronave.

1. Disección del armazón del caza europeo Eurofighter.

En esta sección vamos a ver el interior de las aeronaves, sus distintos armazones desde el origen de la aviación, y llegaremos a la conclusión de que la estructura básica es prácticamente la misma, pero con distinto tipo de materiales, y mejoras aplicadas a lo largo de los años, así como su diseño, los componentes de los aparatos, como el fuselaje, alas, estabil-zadores horizontales, verticales, tren de aterrizaje, sujeciones de las plantas motrices, en la parte trasera del fuselaje o las alas.

2. Diferentes tipos de estructuras para el fuselaje.

En la imagen superior vemos las distintas estructuras utilizadas para la construcción de las aeronaves y su evolución a lo largo del tiempo. La primera, Truss with canvas, esqueleto recubierto de tela. Se trata de una estructura monocasco de madera utilizado en el primer aparato más pe-sado que el aire en levantar el vuelo, el Flier de los hermanos Wright, pio-nero y creador del apasionante mundo de la Aviación, que nos ocupa.

3. Evolución del Flier de los hermanos Wright a lo largo del  tiempo.

En 1912 el Deperdussin monocoque, con una estructura de madera monocasco, tanto en su fuselaje como en su estructura alar, y forrado todo él de tela, fue el aparato más elegante y bonito de la época, en la que alcanzaba la friolera de 210 km/h, correspondiente a la primera categoría  de la imagen número 2, tal y como vemos en la fotografía inferior. Esta fue la estructura utilizada en todos los aparatos militares de la Primera Guerra Mundial entre 1915 y 1917, primordialmente alemanes y posteriormente los fabricantes franceses, ingleses e italianos.

4. Estructura del Deperdussin monocoque.

En 1916 los cazas alemanes, los Albatros D.III utilizaron una estructura de madera tipo semi-monocoque, de casco partido, con largueros y mam-paros, a lo largo de todo el fuselaje  para dar mayor rigidez a la estructura, vislumbrándose la utilización del metal en la construcción de las nuevas estructuras, inmersas de lleno en la Primera Guerra Mundial. Siendo Ale-mania la creadora de los mejores cazas de la época, dado que también fueron los provocadores de ésta.

5. Estructura del Albatros D.III y siguientes modelos.

El ingeniero alemán Hugo Junkers, fue el primero en utilizar el acero en la estructura de su nuevo caza, Junkers J 1, conocida por su acepción ingle-sa de, truss with corrugate plate, estructura metálica recubierta de me-tal ondulado y alas encastradas en el fuselaje, aunque este prototipo no contaba con el metal ondulado, sino liso. Su desarrollo posterior fue pro-ducido en duraluminio, material mucho mas ligero, inventado por el tam-bién ingeniero alemán Alfred Wilm. El Junkers D.I de 1918 fue el modelo que contaba con todas estas características, tal y como vemos en la ima-gen inferior.

6. Caza alemán Junkers D. I.

Esta nueva técnica fue plagiada sin cambio alguno por el ingeniero norte-americano William Bushnell Stout y el ingeniero aeroespacial soviético Andrei Tupolev, creador de los famosos aparatos rusos, realizando la construcción de un bombardero, con una envergadura de 60 metros en 1930, el Tupolev ANT-20 Maxim Gorky, propulsado por 8 motores  de ori-gen soviético, con una envergadura similar a la del B-747. Siendo utiliza-do en su versión civil, en el periodo de entreguerras por la compañía aé-rea soviética Aeroflot. El  resto de los países hicieron lo mismo para la construcción de los nuevos cazas y bombarderos en la Segunda Guerra Mundial, y sin pagar nada por los derechos de copias al no llegar a estar patentado.

6. Estructura del Tupolev ANT-20 Maxim Gorki.

El periodo de entreguerras comprendido entre 1918 y 1936, fue el periodo de mayor avance en la aviación tanto militar como comercial, aunque principalmente vino por la parte militar, siendo los antiguos bombarderos convertidos en aparatos de pasajeros, con la aparición de las grandes compañías aéreas como KLM, Air France, Iberia, Imperial Airways, la actual British Airways, Alitalia, Sabena, la actual Brussels Air-lines y Swissair, la actual Swiss entre otras, utilizando aparatos alemanes, como el Junkers 52 en sus distintas versiones. Por su parte EE.UU. desa-rrolló aparatos como el Spirit of St. Louis, en el que Charles Lindberg, realizo el hito de cruzar el Atlantico en solitario por primera vez.

7. Junkers 52/3M.

William Stout diseñó el Ford Trimotor, aparato prácticamente idéntico al modelo alemán mostrado arriba. Fue la época de los hidroaviones, dado que hay más agua que tierra en el planeta, por lo que se diseñaron apa-ratos con casco de barco como el italiano Savoia-Marchetti S.56, con es-tructura de acero y casco de aluminio, levantó el vuelo en 1924 y puesto en servicio en 1927 para la fuerza aérea, cuya imagen vemos más abajo. El prototipo de caza naval norteamericano Hall XFH, realizó su vuelo inaugural en 1929, con la misma estructura de acero que el modelo ita-liano pero con ruedas, le fueron añadido unos flotadores en cada tren de aterrizaje para poder despegar desde el agua.

8. Hidroavión Savoia-Marchetti S.56.

En la actualidad existen hidroaviones en servicio, como el Canadair C-212 en la mayoría de las fuerzas aéreas como apagafuegos, capaces de re-cargar en lagos y mares en vuelo. Las compañías aéreas comenzaron sus operaciones con bombarderos adaptados, añadiendo ventanillas a am-bos lados del fuselaje con interiores que ni siquiera podemos imaginar, sin calefacción o aire acondicionado ni comidas a bordo. La altura de vuelo de estas aeronaves era por debajo de los 3.000 metros para que el aire fuera respirable, dado que ni siquiera se conocía la presurización de los aparatos, algo que fue llegando poco a poco durante la Segunda Guerra Mundial y desarrollándose de forma meteórica a partir del final de ésta.

9. Interior de la cabina de un Handley Page W 10 de Imperial Airways.

Los hidroaviones comerciales fueron los grandes responsables de la creación de las rutas aéreas comerciales, a través de la compañía aérea británica Imperial Airways, a  partir de 1936, antecesora de British Air-ways dado el gran numero de colonias y países miembros de la Com-monwhealth of Nations, como EE.UU. Australia, India, Hong Kong, Sudá-frica, Canadá, como puntos más lejanos de la metrópoli y cabeza del imperio, con un lujo a bordo parecido al que podemos disponer actual-mente en el Airbus A-380 o Boeing B-747, pero con un mejor y más esmerado y cuidado servicio , tal y como vemos en la disección de la fo-tografía inferior. 

10. Hidroavión de Imperial Airways.

Durante la Segunda Guerra Mundial, 1936 -1939. Las necesidades de aparatos militares fueron las que dominaron el desarrollo de las estruc-turas de los aparatos haciéndolas mucho más resistentes para mante-nerlos en vuelo y poder regresar a sus bases, aún cuando hubiesen sido alcanzadas por el fuego enemigo en las batallas aéreas. Para lo cual se desarrollo un nuevo armazón conocido como geodesic airframe, estruc-tura geodésica, parecido a una malla metálica, que daba forma a la aero-nave, tal y como vemos en la imagen inferior.

11. Estructura geodésica del bombardero británico Vickers Wellington.

Todos los bombarderos, fortalezas volantes de los aliados, aparatos co-mo los norteamericanos, Douglas C-47 Skytrain, conocido en el mundo civil como el DC-3, el B-17, B-25 Mitchell, Lockheed P-38 Lighting y los británicos Avro Lancaster, Vickers Wellington, con una excepción impor-tante, el De Havilland Mosquito, que utilizó madera de balsa en su estruc-tura, debido a la escasez del metal al final de la Segunda Guerra Mundial, lo que le otorgaba una maniobrabilidad extraordinaria en vuelo. En la ima-gen inferior vemos representantes de distintas nacionalidades. Los pri-meros reactores militares, como el Messerschmitt ME-262 y el británico Gloster Meteor, aparecidos al final de la contienda, también utilizaron los mismos armazones.

12. Aparatos de distintas nacionalidades utilizados en la Segunda Guerra Mundial.

El pegamento fue utilizado por primera vez en la union de la estructura del De Havilland Mosquito de modo experimental. Después de la con-tienda, en la denominada Guerra Fría, se comenzó a desarrollar pega-mentos más fuertes y resistentes para la unión del metal, utilizado en la construcción de aparatos comerciales como el De Havilland Comet y los Fokker F27 y F28. Técnica aplicada a la fabricación de los turbo hélices y reactores de la época.

13. Silueta de los aparatos británicos utilizados en la postguerra.

Una vez finalizada la Gran Guerra y descabezado el poder nazi, EE.UU. y la U. R. S. S., (Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas), su aliado en la ultima contienda, crearon dos grandes bloques, mediante la partición de Alemania. La denominada R.D.A. (República Democrática Alemana) bajo el control soviético y todos los países europeos situados al Este del con-tinente y la Alemania Occidental y todos los localizados al Oeste, bajo el control de EE.UU, Inglaterra y Francia, los aliados del denominado mundo libre. 

14. Aeronaves militares experimentales norteamericanas.

Mediante la construcción del “Muro de la Vergüenza”, dividiendo Berlín, su capital en dos. Fue entonces cuando los dos bloques comenzaron la llamada Guerra Fría, compitiendo en la creación del armamento más sofisticado de la época mediante la construcción de vehículos, aerona-ves y barcos militares, y civiles, entre los que destacan los aviones es-pías, cazas  y experimentales desarrollados hasta nuestros días. Como vemos en la fotografía anterior y los soviéticos por su parte en la inferior.

15. Aeronaves militares soviéticas.

Al mismo tiempo, ambos bloques comenzaron la carrera armamentista jamás vista mediante el desarrollo de la bomba atómica y la creación de los misiles balísticos intercontinentales con cabezas nucleares, localiza-dos en silos bajo tierra y otros instalados en los submarinos atómicos de todos los países poseedores de estos, además de la carrera espacial pa-ra su control total, primeramente  con la puesta en orbita del primer cos-monauta soviético y posteriormente los astronautas norteamericanos con la llegada del primer hombre a la Luna el 20 de Julio de 1969, cuya representación de la amenaza latente que sufrimos vemos en la imagen inferior.

16. Ejemplo de misiles intercontinentales.

Los materiales utilizados en la fabricación de las aeronaves comenzó por el aluminio y sus aleaciones con cobre, magnesio y zinc. Pero según fueron diseñando y  fabricando nuevos aparatos, más rápidos, capaces de alcanzar Mach 2 y 3, se incorporaron nuevos materiales más ligeros y resistentes al calor, debido al rozamiento con el aire, como el titanio, en aparatos militares como el X-1, X-2, X -3 Stiletto, Lockheed A-12, SR-71 y como el proyecto  cancelado del supersónico civil americano, el Boeing B-2707, cuya estampa vemos mas abajo, competidor del europeo Con-corde y del soviético, Tupolev TU-144.

17. Prototipo del Boeing B-2707.

Nuevas soldaduras dieron lugar a la creación del caza soviético MiG-25 y la creación de una estructura de acero  y titanio en forma de nido de abe-ja dio lugar a la fabricación del prototipo del bombardero supersónico norteamericano Walkirie, realizando su vuelo inaugural en 1964. Como vemos en la imagen inferior. 

18. Bombardero supersónico norteamericano, Walkirie.

En la era de la computación los aparatos militares, primero, fueron di-señados con la ayuda del ordenador, modelos como el Mc Donald Dou-glas F-15, Eagle y el Grumman F-14 Tomcat, utilizando nuevos materiales más ligeros como la fibra de boro, de carbono con refuerzo de polímeros, dando lugar a la creación de aparatos como el AV-8B Harrier, el F-18 Hornet y el bombardero B-2 Spirit. Siendo posteriormente aplicado a la construcción de los aparatos comerciales, tales como el diseño total-mente por ordenador del Boeing B-777 e incluyendo partes de estos nuevos materiales, aunque el primer aparato fabricado en fibra de carbo-no y polímeros fue el Boeing B-787, siguiéndole el Airbus A-350 XWB y el nuevo Boeing B-777 X, todavía en fase de pruebas de vuelo y certifica-ción.

19. Estructura monocasco del fuselaje de una aeronave.

La Monocoque structure, estructura monocasco en castellano es la más utilizada por los grandes fabricantes aeronáuticos del mundo como Air-bus y Boeing de los grandes  reactores comerciales y los fabricantes de los aparatos regionales como ATR, (Avions de Transport Regional), Bom-bardier y Embraer, además de fabricar componentes para los dos gigan-tes aeronáuticos, cuyo detalle vemos en la imagen superior. Esta estruc-tura se aplica tanto al fuselaje, como a las alas, estabilizadores horizonta-les y verticales partes en la que la fibra de carbono fue utilizada por pri-mera vez en los estabilizadores del Airbus A-310-300 en 1985. Les si-guieron las del A-320 en 1987, las de los A-330/A-340 en 1994 y la construcción de la parte central donde van encastradas las alas del A-380 y la parte posterior del mismo aparato, conocido por su acepción inglesa como wingbox.

20. Esquema de construcción del A-380 con su wingbox.

Sin embargo, el primer aparato construido en fibra de carbono y políme-ros fue el Cirrus SR20, una aeronave para uso privado, certificada en 1998, seguido por otros aparatos, entre el que se encuentra su sucesor, el Cirrus SF50, certificado en 2016, cuya información está disponible en este blog. El Bombardier Series C, más conocido como Airbus A-220 dispone de unas alas de una nueva aleación de fibra de resina con alu-minio y litio con excelentes resultados y que puede ser aplicado en el desarrollo de los futuros aparatos de fuselaje estrecho. En Febrero de 2017, Airbus instaló en sus principales factorías una impresora tridi-mensional para la creación de componentes estructurales de titanio.

21. Estructura de un ala.

La estructura semi-monocoque, semi-monocasco en castellano, es la más utilizada en la construcción de los aparatos modernos, consistente 

22. Estructura semi monocasco de una aeronave.

El ensamblaje final de una aeronave se realiza en un hangar inmenso donde se montan varios aparatos la la vez, donde llegan las distintas secciones del fuselaje. La primera es la nariz, la segunda la parte del ,fuselaje delantero antes de las alas, luego, la o las secciones situadas después de las alas, según la longitud de la aeronave y finalmente el cono de cola del aparato. Estas secciones son fabricadas bajo estrictos controles de calidad por el fabricante o reputados constructores aero-náuticos en distintas localizaciones y transportadas por los grandes car-gueros de los dos grandes fabricantes, el Airbus Beluga, basado en el A-330 y el Boeing Dreamlifter, basado en el B-747-8, o los grandes cargue-ros Antonov An-124 y el An-225, destruido en  la guerra de Ucrania.

23. Cadena de ensamblaje del Boeing B-777.

Hay una expresión inglesa, stressed skin, que define al pie de la letra la fatiga de los materiales utilizados en la construcción de las modernas aeronaves, tanto militares como civiles, como el aluminio, acero, titanio, sus distintas aleaciones y las más modernas y ligeras composites de fibras de boro, vidrio, carbono y polímeros. Todos estos materiales, que son la cubierta de las distintas partes de los aparatos, se dilatan y con-traen con la temperatura y la diferencia de presión existente entre el exterior y el interior de la aeronave, fijada a una altitud inferior a los 3.000 metros, donde el aire es respirable. Llegándo a ser visibles como en la fotografía inferior en el fuselaje de un bombardero B-52 de la USAF.

24. Stressed skin visible en un B-52 en vuelo de la USAF.

Estos cambios les ocurren a todas las aeronaves , civiles, militares y privadas, pero no solo afecta a la cubierta del fuselaje sino a todos los materiales que van dentro del avión, dado que se expanden con la pre-sión elevada y se contraen en tierra, como en el caso del Concorde, cuya distancia llega a los 30 centímetros entre la separación de la cabina de pilotos y la del ingeniero de vuelo, tal y como vemos en la imagen inferior, cuya información puede ampliarse en éste blog. Para lo cual los fabrican-tes construyen estructuras para resistir un determinado número de ho-ras de vuelo, según modelo. En el caso del aparato supersónico llegaba hasta las 45.000 horas. Razón por la cual todas las aeronaves tienen unos ciclos estrictos de revisión, según las horas de vuelo fijadas por los fabricantes, involucrando a los organismos aéreos estatales, con normas de obligado cumplimiento a las lineas aéreas.

25. Dilatación/contracción de materiales en el Concorde.

El hito aeronáutico más importante para la aviación comercial, tuvo lugar con el desarrollo y vuelo inaugural del primer reactor comercial británico en 1949, el De Havilland, DH106 Comet, cuya imagen vemos más abajo. En los que sus primeros modelos sufrieron accidentes fatales, como ex-plosiones en vuelo debido a lo que actualmente se conoce como, fatiga del material, algo totalmente desconocido hasta la fecha en las que los siniestros tuvieron lugar.  

26. De Havilland DH106 Comet.

El Royal Aircraft Establishment durante la investigación tras los acciden-tes en el aeropuerto de Farnborough llegó a la conclusión de que tras 3.000 ciclos de presurización, la estructura se sobrecargaba en la zona más débil, las ventanillas cuadradas, por las que aparecían grietas, rom-piendo el fuselaje del aparato debido a la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la aeronave, tal y como vemos en la fotografía inferior.

27. Grieta en una de las ventanillas del DH106 Comet accidentado.

Fue a partir de entonces cuando se cambiaron todas las ventanillas a un diseño circular y la obligación de realizar revisiones periódicas cada 3.000 ciclos de vuelo para las nuevas versiones. Esta lección fue bien aprendida por los fabricantes de la época, la mayoría de ellos norteameri-canos como Boeing, Douglas, Convair, Lockheed, el holandés Fokker y el francés Dassault entre otros. Aprovechando Boeing la coyuntura para la introducción de, su primer reactor comercial, el Boeing B-707, arreba-tándole el éxito al modelo británico. El turbohélice Lockheed L-188 Ele-ctra, sufrió contratiempos parecidos en el accidente del vuelo 542 de Brannif debidos a problemas de vibraciones y fatiga de material. 

28. Desprendimiento del estabilizador vertical del A-300.

Airbus sufrió un incidente similar con su Airbus A-300 al desprenderse el estabilizador vertical durante el despegue del vuelo 587 de American Airlines, relacionado con el incorrecto anclaje  de esta pieza de los nue-vos materiales composite utilizados a partir de 2001, profusamente  uti-lizados en la fabricación de los Boeing  B-787 Dreamliner y Airbus A-350 XWB.

29. Tecnologías y disciplinas relacionadas en el diseño de las aeronaves.

Los diseños de las aeronaves por parte de los fabricantes están sujetas a los requerimientos de las autoridades de cada país, tales como la FAA, (Federal Aviation Administration), norteamericana o la europea EASA, (European Aviation Safety Agency), como los dos organismos aeronáuti-cos más importantes, abarcando todas las disciplinas  mostradas en la imagen superior además del control medioambiental, sonoro y de emi-siones a la atmósfera, mediante la utilización de combustibles menos contaminantes como los SAF, (Sustainable Aviation Fuel), para los apara-tos comerciales, además del desarrollo de aeronaves eléctricas y de hidrógeno con cero emisiones de Airbus.

30. Aviones concepto de Airbus con cero emisiones.

No cabe duda que el mundo de la aviación está lleno de riesgos natura-les, como la meteorología, tormentas, granizos, impactos de aves, los incluidos en las aeronaves como los tanques de combustible, la veloci-dad a la que estos pájaros metálicos cruzan los cielos y de los inevitables errores humanos. Pero aún con todo y con eso es el medio de transporte más seguro  que existe, debido a la estricta regulación por parte de la OACI, (Organización de Aviación Civil Internacional), además de todas las instituciones aéreas de cada uno de los países, mediante los certificados de aeronavegabilidad exigidos a los fabricantes, con estrictas normas de obligado cumplimiento para el mantenimiento de las aeronaves a las compañías aéreas, durante su vida útil.

31. Certificado de aeronavegabilidad de la FAA.

Todas las aeronaves, civiles y militares tienen que estar respaldadas por certificados similares al mostrado en la imagen superior. Los aeropuer-tos tienen mucho que decir en el tamaño de las aeronaves dado que la envergadura máxima es 80 metros, (260 pies), para evitar colisiones durante los movimientos de las aeronaves en tierra, sirva como ejemplo el Airbus A-380 cuya envergadura original era de 90 metros, pero tuvo que ser limitada hasta los 80, con una penalización del 10% en el consu-mo de combustible. Otro ejemplo es el diseño de las alas del nuevo Boeing B-777X, todavía en periodo de certificación, con la flexión de los bordes alares para poder moverse en los aeropuertos, tal y como vemos en la imagen inferior.

32. Bordes alares plegables del B-777X.

La mayoría de las críticas en el nuevo diseño de las aeronaves están cen-tradas en la acepción inglesa, conocida como crashworthiness, que podemos traducir como accidentología, que es el estudio del comporta-miento del aparato en un siniestro. El fin último de los fabricantes es la protección de los pasajeros y/o carga de un inevitable accidente aéreo, mediante la instalación de los asientos para prevenir la intrusión de ob-jetos del exterior de la cabina, la instalación de mascarillas de oxígeno, cinturones de seguridad, materiales ignífugos, pasillos iluminados y sal-vavidas, en caso de aterrizaje en el agua, incluso los interruptores insta-lados en el Airbus A-330 para cerrar las válvulas de entrada de aire y re-ducir la entrada del agua, así como la fractura controlada del fuselaje, se-gún los estudios realizados, tal y como vemos en la fotografía inferior. 

33. Resultado de las pruebas de accidentes de distintas aeronaves.

Originalmente los equipos de diseño solían estar formados  por el jefe de diseño y el equipo de montadores. Según fue aumentando la compleji-dad de los aparatos y los distintos sistemas a instalar en ellos, los equi-pos fueron creciendo de forma significativa, aún cuando todavía quedan algunos constructores de aparatos privados que nos recuerdan a los antiguos equipos pero actualizados a las nuevas tecnologías. Todas las aeronaves modernas, desde el Boeing B-777 son diseñadas por compu-tadora. La principal ventaja es que cualquier pieza por pequeña y compli-cada que sea, puede ser diseñada, creada y probada en el ordenador, y corregir sus defectos, puede ser impresa en impresoras 3D con distintos materiales e incluso realizar un modelo del aparato para hacer pruebas en el túnel de viento para ver el movimiento del aire, ver sus defectos y corregirlos antes de pasar a producción. Esto es aplicable a la fabricación de todo tipo de vehículos e instrumentos utilizados en nuestra vida dia-ria. Mediante la utilización del MATLAB, (MATrix LABo-ratory), un nuevo lenguaje numérico de computación aparecido en 1970.

34. Diseño computerizado de una aeronave.

Los nuevos programas de diseño de aeronaves, son capaces de realizar complicados estudios de aerodinámica, tales como el comportamiento de la dinámica de fluidos, en este caso el aire sobre la superficie de la fu-tura aeronave y la idoneidad para añadir un determinado winglet en el borde alar o un nuevo diseño del borde del ala, tal y como vemos en la imagen inferior, sin necesidad de la utilización del túnel de viento, u otro añadido aerodinámico en la góndola de los propulsores, aplicado tam-bién a las piezas internas de estos, los controles del funcionamiento de las piezas móviles como alerones, flaps, slats, spoilers, timón de direc-ción incluyendo los diseños de la estructura, vistos en renglones ante-riores y trenes de aterrizaje del aparato.

35. Estudio computerizado de dinámica de fluidos en una aeronave.

Vamos a describir las  distintas partes de una aeronave en detalle. La parte más grande corresponde al fuselaje, básicamente un cilindro me-tálico, cuya estructura ha sido descrita mas arriba. Aloja la cabina de pilo-taje, la de pasajeros, el departamento inferior de carga en el caso de los aparatos de pasajeros y carga para los solo cargueros, tanto comerciales como militares. Es donde van encastradas las alas del aparato, según sea de ala baja, como la mayoría de los comerciales, ala media o ala alta como los cargueros puros y militares. En su interior va instalado todo el cablea-do, para las partes móviles de la aeronave, sistema de aire acondiciona-do, calefacción y eléctrico para cada uno de los asientos e iluminación de la cabina de pasajeros.  

36. Disección de la cabina de un Boeing B-747.

Los cargueros son aeronaves especialmente diseñados para el trans-porte de carga y suelen ser los que mayor peso desplazan y están equi-pados con un sistema de rodillos para poder desplazar la carga en su interior además de unos anclajes potentes en el suelo, como ejemplo de ellos, el más grande corresponde al desaparecido en la guerra de Ucra-nia, el Antonov AN-225, el segundo es el transporte militar norteame-ricano Lockheed Galaxy C-5A. El Boeing B-747 fue diseñado original-mente como carguero  para competir con el modelo anterior, razón por la cual ese modelo tiene una nariz basculante, excepto el Dreamlifter, car-guero de Boeing, cuya zona basculante es la trasera y el Beluga XL de Airbus para el transporte de piezas de cada uno de los fabricantes.

37. Compartimento del interior de un avión carguero.

Lo último en diseño en lo que están involucrados Airbus y Boeing es en la denominada ala volante, tanto como aparato militar como civil, en el ca-so del fabricante americano se trata del X-48, y del Maveric del modelo europeo. Como aparatos experimentales, se están realizando pruebas de vuelo con maquetas a tamaño real tanto en el túnel de viento como vue-los reales, equipados con 2 y 3 motores montados en la parte trasera de la estructura, tal y como vemos en la imagen inferior.

38. Diseño experimental de Airbus.

Sin embargo, este avanzado diseño ya figuraba como proyecto a des-arrollar en los planos incautados a los nazis al final de la Segunda Guerra Mundial, continuando su desarrollo desde entonces por los americanos. Convirtiéndose en una realidad con el bombardero norteamericano B-2 Spirit, actualmente en servicio en la USAF. Las alas de los aparatos de ala fija, son las que sustentan todo el peso de la aeronave en vuelo, junto con los estabilizadores de la cola.

39. Diagrama de funcionamiento y flujo del aire en el ala.

Tienen que tener un diseño especifico, más redondeada en la parte su-perior y más plana en el inferior, como vemos en la fotografía anterior, para que con la velocidad y el aire en contra, se cree mayor presión en la parte inferior, con una menor velocidad del aire y la inversa en la superior y el avión se levante en el aire con la rotación durante el despegue y sea el aire el que sostenga todo el peso de la aeronave, ayudado por la fuerza de sus propulsores y creando el flujo de aire suficiente en sus alas duran-te el vuelo.

40. Comparativa de winglets en aves y aeronaves.

Es esencial comprender que el diseño de las alas de los aviones moder-nos son un plagio de las alas de las aves, dado que se doblan según las distintas fases de vuelo, como el despegue vuelo y aterrizaje, mediante la extension de diferentes dispositivos instalados, que veremos en detalle más adelante, incluso los winglets de los aparatos modernos, como vemos en la fotografía superior. 

41. Diagrama de entrada en pérdida de una aeronave.

La geometria y su superficie alar son esenciales para el vuelo de la aero-nave. La mayoría de los reactores comerciales tienen sus alas inclinadas hacia atrás. La superficie alar es la que determina la velocidad de entrada en pérdida, stalling speed, en su acepción inglesa, a mayor superficie menor riesgo de entrada en pérdida. Ésta se produce cuando el ángulo de ataque, AOA, (Angle Of Attack), inclinación del aparato es elevado, en despegue, vuelo o aterrizaje, es entonces cuando el aparato pierde su sustentación y comienza a caer. La única forma de corregirlo es bajar la nariz del aparato y aumentar ligeramente la potencia de los propulsores.

42. Diagrama de distintos tipos de alas.

Las alas pueden clasificarse en términos generales como de ala alta, media o baja, según la situación en el fuselaje. Los turbohélices y cargue-ros suelen ser de ala alta, los primeros debido a sus hélices y los segun-dos debido a la facilidad de carga, el ala media suele corresponder a avio-nes privados y algunos militares y en la última categoría nos encontra-mos todos los comerciales. El ala de gaviota invertida corresponde al caza norteamericano, F-4U Corsair, la de alas de gaviota a aparatos mi-litares experimentales, las cóncavas a aeronaves comerciales y milita-res, las convexas a los cargueros, militares y civiles, como el Antonov AN-124 y el desaparecido AN-225.

43. Estructura de un ala ó estabilizador.

Las alas, estabilizadores y empenaje vertical  son diseños aerodinámicos, airfoil, en la acepción norteamericana y aerofoil en la voz inglesa cuya estructura interior vemos en la fotografía anterior, lugar donde los tan-ques de combustible van instalados y cuyo funcionamiento vemos en la imagen 39.

44. Diferentes tipos de diseños aerodinámicos.

Su forma varía según el uso que se le quiera dar, como por ejemplo una hélice de avión, de barco, el ala de un avión supersónico, mucho más fina, o la de un aparato de hélice, los álabes de la turbina de los motores o las palas de los helicópteros. Podemos ver su evolución en el tiempo desde los pioneros de la aviación hasta nuestros días, en la imagen anterior. Como hemos visto renglones mas arriba, los ingenieros aeronáuticos se han inspirado e incluso plagiado el vuelo de las aves y los movimientos de sus alas para las distintas etapas del vuelo, el despegue, vuelo de cru-cero y aterrizaje.

45. Instalación de los tanques de combustible en una aeronave.

El interior de las alas y los estabilizadores traseros son los lugares esco-gidos para albergar las toneladas de combustible en sus tanques, aunque determinados modelos como el novísimo Airbus A-321 XLR, (eXtra Long Range) y el A-350 ULR, (Ultra Long Range), disponen de un tanque adi-cional en la bodega de equipajes, tal y como vemos en la imagen anterior. Todos sabemos que los aparatos tienen un peso máximo de despegue y aterrizaje, indicado por el fabricante, siendo ésta una de las razones por las que un gran número de ellas están equipados con tanques y espitas de vertido de combustible al exterior en forma de espray, situadas al final de los bordes de fuga de los planos.

46. Pruebas de flexibilidad de las alas del Airbus A-350 XWB.

Los fabricantes realizan pruebas de resistencia a todos los componentes de la nueva aeronave, en la que se incluye la flexibilidad de las alas, dado que son las encargadas del mantenimiento en vuelo y sujeción de la ae-ronave, éstas tienen que resistir la fuerza necesaria para sujetar la caída del aparato en una turbulencia de varios metros y sujetarle cuando en-cuentre aire que le sustente y que todos sus componentes respondan de la misma manera, para lo cual se realizan pruebas de fatiga de material y flexibilidad de las alas, como caso mas evidente es la fotografía que to-dos tenemos en mente del despegue casi vertical del Boeing B-787 Dreamliner y la flexibilidad de sus alas, que han dado la vuelta al mundo.

46. Flexibilidad de las alas del B-787 Dreamliner.

Las alas de todos los aparatos, tanto militares, cargueros y comerciales constan de distintos dispositivos aerodinámicos que cambian su geome-tría según las distintas operaciones a realizar, despegue, vuelo de cruce-ro y aterrizaje, al igual que lo hacen las aves de forma natural. En la parte frontal, o borde de ataque se encuentran los slats. Son, unos largueros extensibles durante el despegue y aterrizaje, que permite el vuelo a baja velocidad. 

47. Funcionamiento de apertura del slat del borde de ataque.

Los spoilers o aerofrenos, son unas láminas montadas en la parte trasera del ala que se extienden hacia arriba, tal y como vemos en la imagen infe-rior que interrumpen el flujo del aire en la parte superior del ala y reduce la velocidad de la aeronave. Son principalmente utilizadas durante el ate-rrizaje para revertir el flujo del aire, ayudado por la reversión de las plan-tas motrices.

48. Parte de las alas de una aeronave comercial en aterrizaje.

Los alerones, ailerons, en inglés, son 2 planchas instaladas sobre las alas en la misma posición que los aerofrenos, una en la mitad del ala y la otra al final de ésta, aunque según la longitud del ala puede incluirse una ter-cera, son utilizadas para realizar los giros a  babor o estribor, siempre se encuentran en movimiento. Al final del ala encontramos los winglets, que dan estabilidad en vuelo y son grandes ahorradores de combustible.

49. Diagrama de un flap de triple ranura extendido.

Los flaps, son unos elevadores aerodinámicos instalados en la parte tra-sera del ala, también conocido como borde de fuga, que aumentan la re-sistencia del aire, permitiendo el vuelo a baja velocidad, situados en 2 po-siciones, los interiores y los exteriores, que mediante su extension total, durante la aproximación final, aterrizaje y parcial durante el despegue, re-ducen considerablemente la carrera de despegue y aterrizaje. Según el tamaño de la aeronave pueden ser de ranura simple, doble o triple. También vemos los track fairings, o carenado aerodinámico que los re-trae y extiende, tal y como vemos en la imagen 48.

50. Configuración de las alas en distintas fases.

En el diagrama superior, vemos cómo va cambiando la geometría de las alas según las distintas fases del vuelo, las lineas azules nos indican la dirección del aire en ellas. Comenzando desde arriba hacia abajo. La pri-mera nos indica la configuración para el ascenso, descenso y vuelo de crucero. La segunda, la configuración para el despegue y ascenso inicial. La tercera con los slats, y flaps extendidos  para vuelo a baja velocidad en aproximación para el aterrizaje. Y la última para el frenado en la pista con los spoilers o aerofrenos totalmente extendidos.

51. El empenage de las aeronaves.

El empenage de una aeronave corresponde, como vemos en la imagen superior, a su parte trasera integrada por los estabilizadores horizonta-les basculantes, en su parte trasera incluyen los elevadores y son los en-cargados de hacer subir y bajar la aeronave. El estabilizador vertical in-cluye el timón de profundidad, encargado de los giros a babor y estribor. Existen diferentes tipos de empenages, según el diseño del aparato, pero todos ellos tienen el mismo cometido, que junto con las alas son los en-cargados de sujetar al aparato en el aire, tal y como vemos en el digrama inferior.

52. Diferentes diseños de estabilizadores en una aeronave.

Todas las aeronaves tienen un movimiento tridimensional en aire, con respecto a su centro de gravedad. En el eje lateral, conocido como pitch, cabeceo en castellano, para mover el aparato hacia arriba y abajo, con-trolado por los estabilizadores traseros, operado automáticamente en la

53. Movimientos de una aeronave en vuelo.

cabina de vuelo, a través de 2 ruedas giratorias, conocido como trim-ming, compensación en castellano, automático en los aparatos moder-nos, y manual en los pequeños de uso privado. El timón del empenage vertical para el movimiento de la aeronave en su eje vertical para girar a derecha e izquierda, conocido como yaw, guiñada, en castellano y el mo-vimiento de inclinación de las alas, conocido como roll, alabeo en caste-llano, mediante la utilización de los alerones de las alas en su eje longi-tudinal, tal y como vemos en el diagrama superior en sus distintos movi-mientos en los círculos azules.

54. Ruedas de compensación negras situadas en el centro de la consola de la cabina de vuelo de un A-320.

Todos los aparatos están sujetos a 4 fuerzas en vuelo, 2 negativas y 2 positivas que se contrarrestan, tal y como vemos en el diagrama inferior. Drag, o resistencia al avance en el aire. Se contrarresta con el thrust, empuje de los motores. El weight, peso de la aeronave, con la fuerza as-censional, lift, producida por la diferencia de presiones entre la parte su-perior y la inferior de las alas, según hemos visto renglones más arriba y en el diagrama 39.

55. Diagrama de fuerzas en una aeronave en vuelo.

La propulsión, como hemos visto en el diagrama superior es esencial en el vuelo de las aeronaves, para vencer la resistencia del aire y el peso del aparato, mantenerse en el aire y viajar a velocidades cercanas a las del sonido a gran altura, alrededor de 11.000 metros, 18.000 en el caso del Concorde. Como vemos en la imagen inferior, existe gran variedad de motores de aviación de distintos fabricantes como Pratt & Whitney, Ge-neral Electric poseedor del turbo ventilador más potente del mercado instalado en el futuro Boeing B-777X, seguido muy de cerca por el britá-nico Rolls Royce y el consorcio CFM International, formado por el cons-

56. Distintos modelos de propulsores.

tructor francés Safran y el estadounidense GE Aviation, división de Ge-neral Electric, con la fabricación del LEAP, (Leading Edge Aviation Pro-pulsion), instalado en los nuevos aparatos de corto y medio alcance de la familia Airbus A-320/321 NEO, (New Engine Option) y el responsable de los quebraderos de cabeza causados a Boeing con su instalación en el B-737 MAX, de todas las series, además de otros fabricantes más pe-queños, cuya informacion ampliada veremos en capítulo aparte en este mismo blog.

56. Diferentes tipos de tren de aterrizaje.

El tren de aterrizaje es uno de los componentes más resistentes y efec-tivos en todas las aeronaves dado que le permite la movilidad en los aeropuertos, aparcamientos, pistas de rodadura, despegue y aterrizaje, además de soportar todo el peso del aparato durante su estancia en tierra y el impacto de su peso sobre la pista durante el aterrizaje. Encargado además de la detención de la aeronave en la pista, equipado con el mejor sistema de frenado del planeta, generalmente eléctrico, apoyado por la inestimable ayuda de la reversión de los motores.

57. Sistema de frenado de una aeronave moderna.

El más utilizado  y veterano, es el denominado taildragger, o el de patín de cola, integrado generalmente por dos ruedas bajo las alas o el fuselaje y un patín o rueda en la cola, utilizado generalmente en todos los apara-tos de pistones, tales como los cazas y bombarderos de la Segunda Gue-rra Mundial, necesario para que las hélices giraran con mayor facilidad y sin obstrucción alguna, pudiendo ser facilmente sustituibles por skis o flotadores, tal y como observamos en las imágenes superiores marcadas como C y D de la fotografía 56. También utilizados frecuentemente en la actualidad en gran parte de los aparatos de hélice de uso privado.

58. Tren de aterrizaje de una fortaleza volante B-17, con rueda en la cola.

El aterrizaje y despegue en éste tipo de aeronaves requiere un entrena-miento y formación especifica, debido a su inestabilidad, en estas dos operaciones. El más común para las aeronaves modernas es del denomi-nado de tren triciclo o trycicle, en la voz inglesa por constar básicamente de un buje de 1 ó 2 ruedas bajo el fuselaje y otras dos de menor tamaño en la nariz del aparato, aunque tanto su número de bujes como de ruedas puede variar según el tamaño del aparato, tal y como vemos en la imagen 56, foto A, la mayoría de ellos son retráctiles en compartimentos situa-dos bajo las alas o el fuselaje para reducir la resistencia al aire y alcanzar mayores velocidades en vuelo, tal y como vemos en la fotografía inferior.

59. Interior del compartimento de un tren de aterrizaje.

Pueden ser totalmente cerrados una vez plegados o con la rueda a la vis-ta del tren principal en modelos pequeños y medianos como el Boeing B-737, Airbus A-220 y el Embraer E-170 y E-190 E2. El tren principal en to-dos los aparatos modernos es basculante, para que dos de sus ruedas impacten en la pista primero y luego lo hagan el resto para una toma de tierra mas suave. El  número de ruedas está en funcion del peso y mode-lo de la aeronave, por ejemplo el A-380 dispone de un total de 20 ruedas en su tren principal y 2 de menor tamaño en el frontal, siendo lo habitual en los modelos comerciales. 

60. Tren principal del Airbus A-380.

Los cargueros como los Antonov An-124 y An-225 disponen de 4 ruedas en el frontal, con la particularidad de que en ambos modelos el eje flexio-na para dar mejor acceso a la carga, tal y como podemos leer y ver en el apartado de los cargueros 1, de éste mismo blog, con 24 ruedas en el principal del AN-225 y 20 en el AN-124.

61. Partes de un tren principal de aterrizaje.

El tren de aterrizaje es uno de los componentes más complejos instala-dos en una aeronave. Desempeña a la perfección la suspensión del apa-rato en tierra, el impacto en el aterrizaje, incluye un potente sistema de frenado, generalmente eléctrico, instalado en el tren principal, tal y como vemos en el diagrama 57 y además permite el movimiento en tierra. Para lo cual incluye unos amortiguadores instalados  en el interior de las patas del tren de aterrizaje tanto en el principal como en el frontal en los apara-tos ligeros y unos hidroneumáticos, mezcla de aire y aceite tal y como ve-mos en el diagrama inferior, conocido con el nombre de riostra.

62. Componentes de la riostra del tren principal de aterrizaje.

Algunos modelos comerciales tenían instalados unas pequeñas ruedas o un patín de cola escamoteable al final del fuselaje, como fue el caso del Concorde, para evitar el impacto de la cola en  la pista el el momento de la rotación, debido a su diseño de ala delta y necesitar un ángulo de ele-vación mayor que un subsónico, cuya imagen vemos más abajo. El Boeing B- 727 fue el otro modelo en el que fue instalado de serie debido a su elevado peso en la parte posterior por la instalación del motor de cola. Otros modelos de Mc Donnell Douglas como el DC-8 Series 50 y 60, y algunos Boeing B-757, 767 y 777, también disponían de un refuer-zo en la parte posterior.

63, Rueda escamoteable del Concorde situada al final del fuselaje.

El tipo de tren de aterrizaje en bicicleta o tándem, es el integrado por, un buje de 2 ruedas en la parte central del fuselaje y 1 rueda delantera, como el utilizado por el caza embarcado Hawker Siddeley Harrier, más 2 ruedas mas pequeñas  situadas al final de las alas, tal y como vemos en la ima-gen inferior. Este tipo de tren ha sido utilizado ampliamente en aparatos militares, siendo usado en la actualidad en el  bombardero norteamerica-no B-52, con 2 bujes de 2 ruedas en la parte delantera y otras 2 después

64. Tren en tándem, del Harrier de la Armada Española.

de las alas, montadas en el fuselaje, con el apoyo de 2 ruedas más pe-queñas en el borde de las alas, al igual que el avión espía estadounidense U2, con un buje de 2 ruedas en el centro del fuselaje y 1 en la parte trase-ra con 2 ruedas menores en el borde alar, así como en los bombarderos americanos Martin X-48 y el B-47 Stratojet. Cazas soviéticos como los Yakolev Yak-25 y Yak 28, también lo utilizaron. Los planeadores, utilizan tan solo una rueda situada bajo la cabina de pilotaje y un patín trasero.

65. Tren de aterrizaje típico de un helicóptero.

El típico tren de aterrizaje de los helicópteros suelen ser los patines, cuya estructura vemos en la fotografía superior, para aparatos de menos de 4 toneladas de peso, en cuyo caso necesitan ser equipados con rue-das retráctiles como los aviones para reducir la resistencia al aire. Tam-bién pueden ser equipados con esquís para aterrizajes en la nieve y flota-dores para posarse sobre el agua, que pueden ser montados directa-mente sobre los patines. Los aviones ligeros pueden ser equipados con esquís y flotadores como los helicópteros tal y como vemos en la imagen 56.  

66. Ram Air Turbine.

El RAT, (Ram Air Turbine), es una pequeña turbina extensible, situada en la parte inferior del fuselaje o de una de las alas para producir electrici-dad a través de la corriente de aire generado por el movimiento de la aeronave en vuelo, generalmente utilizada en casos de emergencia una vez que el sistema principal y auxiliar están inoperativo, para alimentar a los controles de vuelo, el sistema hidráulico y la instrumentación necesa-ria para el vuelo del aparato, cuyos componentes, localización en distin-tas aeronaves y control en la cabina de pilotaje, vemos en la imagen su-perior. Es la tabla de salvación para cuando hay un fallo en los motores y la APU , (Auxiliary Power Unit), Unidad Auxiliar de Potencia, situada en la parte posterior del fuselaje, deja de funcionar. Es la gran desconocida pa-ra la mayoría de los viajeros.

67. RAT, instalada en un cazabombardero F-104 de la Luftwaffe.

Esta pequeña turbina se instala de serie en todas las aeronaves fabrica-das, tanto militares como civiles. Fue instalada de serie en la nariz del ca-za alemán Messerschmitt Me-163B Komet de la Segunda Guerra Mun-dial , así como en el motor Argus As 410, justo delante de la hélice y en la actualidad se utiliza como sustituto de baterías para la alimentación del AN/ALQ-99, sistema de interferencia electrónica instalado bajo las alas del EA-18G Growler de la marina estadounidense, cuya estampa vemos más abajo, bajo el ala derecha a la izquierda del tanque de combustible.

68. AN/ALQ-99, instalado en el EA-18 G Growler.

Los winglets son unos dispositivos aerodinámicos situados en el borde de las alas, instalados en las aeronaves más modernas, que además de reducir el consumo de combustible y el impacto medioambiental, tam-bién contribuyen a la seguridad y eficiencia en vuelo, tal y como vemos en el diagrama inferior, con la diferencia entre el ala derecha, con él y la izquierda sin él. 

69. Diagrama explicativo del impacto de los winglets en una aeronave.

Cuando un aparato se desplaza en el aire, las diferencias de presiones entre la parte superior e inferior del ala, crean unos vórtices al final de éstas, como observamos en el ala izquierda de la imagen, aumentando la resistencia al aire, como consecuencia un mayor consumo de combusti-ble, reduciendo la eficiencia de la aeronave. Con los nuevos diseños de las alas de los Boeing B-747-400/767/777/787 Dreamliner, esos vórti-ces desaparecen y mejoran la eficiencia de las aeronaves con las siguien-tes ventajas.

70. Distintos tipos de winglets y alas.

• Reducen el consumo de combustible en un 5% anual lo que significa un ahorro importante para las compañías.

• Aumentan el radio de acción de las aeronaves, especialmente en vuelos de larga distancia.

• Reducen considerablemente las emisiones de carbono y  las emisiones de gas, reduciendo los efectos invernadero.

• Aumentan la estabilidad de la aeronave especialmente durante el despe-gue y el aterrizaje.

A los distintos tipos de winglets mostrados en la imagen superior con sus nombres y aparatos en los que están instalados, tenemos que añadir el tipo de cimitarra partido, los instalados en los nuevos Boeing B-737-800/MAX, cuya estampa vemos más abajo.

71. Winglet del Boeing B-737-800 y MAX.

NOTA: Blog sin ánimo de lucro para la divulgación e información de aeronaves comerciales. Toda la información y las fotografías incluidas proceden de distintas fuentes, como Airlines.net, Jet Photos, Airbus, Boeing, otros fabricantes, etc, obtenidas todas ellas de internet.