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Análisis de procesos y mejora de métodos en el montaje de los estabilizadores de un avión
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2. INTRODUCCIÓN.
La teoría de vuelo está basada en la aerodinámica. El término aerodinámica se deriva de la combinación de dos palabras griegas: “aero” que significa aire y “dyne” que significa fuerza.
La Aerodinámica es la rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos.
Durante el diseño de una aeronave hay que tener en cuenta las relaciones que existen entre el aire, la aeronave y las fuerzas que actúan sobre ésta. 2.1. PARTES DEL AVIÓN.
En primer lugar se va a realizar una descripción general de las partes de un avión, ya que así es más comprensible la lectura del proyecto. Así pues, el avión se puede dividir en partes fijas y partes móviles.
Las partes fijas constituyen la estructura básica del avión y a su vez se divide en cuatro grandes grupos:
q FUSELAJE q ALAS q ESTABILIZADORES HORIZONTALES (H/STAB) q ESTABILIZADOR VERTICAL (V/STAB)
Las partes móviles son aquellas que permiten que el avión sea controlable y se
divide en dos grupos: 1. MANDOS DE VUELO PRIMARIOS: q Alerones q Timón de dirección. q Timón de profundidad. 2. MANDOS DE VUELO SECUNDARIOS: q Flaps q Slats q Compensadores o tabs q Spoilers
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-Fig. 2.1. Partes del avión-
FUSELAJE
ALAS
H/STAB
V/STAB
ALERONES
TIMÓN DE PROFUNDIDAD TIMÓN DE DIRECCIÓN
FLAP EXTERIOR
FLAP INTERIOR
SPOILERS
SLATS
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2.1.1.Partes fijas del avión.
FUSELAJE
Es la parte principal o cuerpo del avión, la de mayor volumen y por lo tanto es la principal fuente de resistencia parásita. El fuselaje es la parte donde se aprovisiona la carga, donde van los controles, accesorios y demás equipos. En un avión monomotor, el motor y sus mandos de vuelo se encuentran en la proa o morro, mientras que en un avión bimotor o con más de un motor, éstos pueden fijarse al fuselaje posterior.
La cabina de ma ndos está situada en la parte de proa del fuselaje y es donde van los
mandos de los motores, de comunicaciones, de instrumentos y mandos de vuelo (sencillos o dobles). Los mandos de vuelo dobles constan cada uno de ellos de una columna y volante para profundidad y alabeo, y pedales para el timón de dirección.
El fuselaje se construye normalmente en dos o más partes. El fuselaje aerodinámico
tiene una distribución de presiones que genera un momento de cabeceo de morro alto. El fuselaje, por lo tanto, consti tuye una parte desestabilizadora tanto longitudinalmente como lateralmente.
ALAS Representan el elemento fundamental del avión para conseguir sustentación.
Básicamente un ala se divide en las siguientes partes: 1. Cajón central. Que a su vez puede estar constituido por costillas (RIB), que
pueden ser mecanizadas, es decir hechas de un bloque de material, de chapa y de celosía, que son las que están sometidas a menos tensión. El larguero anterior (FRONT SPAR), es una pieza alargada que va situada a todo lo largo de la parte anterior del cajón (es una pieza mecanizada). El larguero posterior (REAR SPAR) es una pieza alargada que va situada a todo lo largo de la parte posterior del cajón. El revestimiento (SKINNING), el superior o extradós (upper skin) y el inferior o intradós (lower skin), que pueden ser mecanizados o de chapa.
2. Borde de ataque. Es la parte anterior del ala y es con la que el ala combate
el aire. Está formada por un revestimiento y varias costillas. Dependiendo de lo larga que sea el ala tendremos varios trozos de borde de ataque (por lo general es desmontable).
3. Borde de salida. Es la parte fija de la estructura del ala que une
aerodinámicamente el cajón central con los flaps. Va unido al cajón central mediante costillas. Pueden ser de dos tipos: fijos o desmontables, ya que a través de ellos se debe de poder acceder a las distintas instalaciones que pasan por dicha zona.
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LOS ESTABILIZADORES
Su construcción es muy similar a la usada en las alas, mediante el uso de largueros, costillas, larguerillos y revestimientos.
Las cargas en los estabilizadores son soportadas y transmitidas de la misma manera que en un ala. Flexión, torsión y cortadura, creadas por las cargas aerodinámicas, pasan de un miembro estructural a otro. Cada miembro absorbe parte de la carga y transfiere el resto a los otros miembros. Al final, las cargas llegan a los largueros, que la transmiten a la estructura del fuselaje.
Estabilizador horizontal (H/STAB)
El estabilizador horizontal contribuye en gran medida a la estabilidad longitudinal del avión. Generalmente se trata de una superficie aerodinámica simétrica, ya que debe tener posibilidad de generar cargas verticales.
Algunos aviones van provistos de las colas en “T”. Son exactamente iguales que una cola convencional, excepto que el estabilizador está unido a la parte superior del vertical en lugar de estar unido a la parte lateral del fuselaje. Es un recurso para evitar el efecto del chorro de aire de la hélice y las sacudidas que el aire turbulento produce detrás de la onda de choque en la cola convencional.
Estabilizador vertical (V/STAB)
El estabilizador vertical contribuye en gran medida a la estabilidad direccional del avión. Generalmente se trata de una superficie aerodinámica simétrica, ya que debe tener posibilidad de generar cargas horizontales.
Al objeto de mejorar la estabilidad direccional sin tener que aumentar el tamaño del estabilizador vertical se suele añadir una aleta dorsal que no aumenta tanto la resistencia parásita como lo haría el hecho de agrandar el estabilizador. 2.1.2. Partes móviles del avión. 2.1.2.1.Mandos de vuelo primarios.
ALERÓN
Son las superficies principales de mandos del avión. Están situadas en los extremos
de las alas, en las zonas del borde de salida y controlan el movimiento de alabeo alrededor del eje longitudinal. Se accionan girando el volante en la columna de mandos de la cabina. Se mueven el de cada lado en sentido opuesto al del otro lado. Su acción se basa en que al levantar el alerón de un lado ese ala tiende a bajar por disminuir la sustentación de la misma y en el otro sucede lo contrario, con lo cual, se inicia el movimiento de alabeo.
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TIMÓN DE PROFUNDIDAD
El timón de profundidad proporciona al control longitudinal o cabeceo alrededor del eje lateral o transversal.
Van instalados en la parte posterior del estabilizador horizontal y están conectados a la columna de mando para su movimiento hacia arriba y abajo.
Son usados para mantener el avión en vuelo nivelado a las diferentes velocidades. Cuando se mueve hacia atrás la columna de mando el timón se levanta, disminuye así la sustentación en la cola, con lo que ésta baja y el morro sube.
TIMÓN DE DIRECCIÓN
El timón de dirección proporciona el control direccional del avión alrededor del eje vertical. El timón se acciona como respuesta a los movimientos del piloto sobre los pedales del timón de dirección en la cabina de mando. Si se empuja el pedal izquierdo, el timón de dirección gira a la izquierda y la fuerza producida por el estabilizador vertical origina que se desplace el morro del avión a la izquierda.
2.1.2.2. Mandos de vuelo secundarios. FLAPS Para obtener baja velocidad de aterrizaje es necesario que la superficie del ala sea
relativamente grande y sirven para incrementar la curvatura del ala en las maniobras de despegue y aterrizaje aumentando la sustentación y la resistencia con la consiguiente pérdida de velocidad. Van instalados siempre en la parte central del ala y en el borde de salida. Lo común a todos los flaps es que mediante un movimiento relativo respecto al perfil del ala consiguen incrementar la curvatura, pero también hay otros tipos de flaps donde también se aumenta la superficie. Se clasifican en cinco grandes grupos:
q F. sencillo. q F. de intradós. q F. Fowler. q F. ranurados. q F. zap. q F. krueger.
-Fig. 2.2. Tipos de flaps -
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SLATS
Son otros dispositivos que sirven para aumentar la sustentación del ala. Son unos perfiles auxiliares móviles unidos al borde de ataque del ala y los cuales, cuando están cerrados coinciden con el contorno original del mismo. Su objetivo es mejorar las condiciones de la corriente de aire a grandes ángulos de ataque.
- Fig. 2.3. Slats - COMPENSADORES
Sirven para mantener las superficies de mando de vuelo en posiciones específicamente desplazadas para compensar condiciones de inestabilidad continuada o momentánea (sobre todo por diferencia de peso o corrientes de aire). Consisten en una aleta auxiliar colocada de forma que pueda girar en el borde de salida de una superficie de control primario y se pueden mover originando una deflexión (giro) mayor de dicha superficie. Tipos de compensadores:
q Trim-tab. q Servo-tab. q Balance-tab. q Spring-tab.
SPOILERS
También llamados aerofrenos, sirven para frenar el avión en las maniobras de despegue y aterrizaje, perturbando el flujo del aire a través del extradós, incrementando la resistencia y disminuyendo la sustentación, con la consiguiente pérdida de velocidad. Son placas fijadas a la superficie del extradós del ala. Generalmente son deflectados hacia arriba mediante actuadores hidráulicos. Se deflectan de manera simultánea en las dos alas para actuar como aerofrenos. El spoiler diferencial, suplementa a los alerones, permitiendo una disminución en el tamaño de los mismos, dejando más espacio para los flaps.
- Fig. 2.4. Spoilers -
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2.2. CONOCIMIENTOS AERONÁUTICOS.
2.2.1. Atmósfera estándar.
Propiedades de la atmósfera:
q Presión, en mecánica, fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.
q Densidad, masa de un cuerpo por unidad de volumen. q Humedad, medida del contenido de agua en la atmósfera. q Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en
equilibrio térmico.
El funcionamiento de las aeronaves y de los motores depende de la presión y de la temperatura.
El modelo de atmósfera estándar arroja temperaturas y presiones barométricas
estándares para incrementos de altitud dados desde el nivel del mar, a efectos de la ingeniería de la aeronave. En la atmósfera estándar la temperatura disminuye 2°C por cada 1000 ft hasta alcanzar los 36.089 ft. Por encima de este valor la temperatura se mantiene constante a –56,5°C, hasta los 65.000 ft. A partir de los 65.000 ft la temperatura aumenta.
La presión disminuye 0,934 in.Hg por cada 1000 ft de altitud. Día estándar: día
teórico en el cual la temperatura es 15°C y la presión es de 29,92 in.Hg.
- Fig.2.5. Capas atmosféricas -
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2.2.2. Conceptos físicos generales.
Definiciones: q Velocidad.- variación de la posición de un cuerpo por unidad de
tiempo. La velocidad es un vector, es decir, tiene módulo (magnitud), dirección y sentido.
q Rapidez.- es la magnitud de la velocidad. q Aceleración.- consiste en un cambio de dirección del vector
velocidad, un cambio de su magnitud o ambas cosas. q Movimiento.- es el estado de los cuerpos cuando cambian de
lugar o posición.
En 1738 fue formulado el principio de Bernouilli, por el matemático y físico suizo Daniel Bernouilli.
“La energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece
constante a lo largo de la trayectoria de flujo”
Por lo tanto el aumento de la velocidad del fluido debe compensarse con una disminución de la presión.
Un ala, o plano aerodinámico, está diseñada de forma que el aire fluya más
rápidamente sobre la superficie superior que sobre la inferior. Esto provoca una disminución de presión en la superficie de arriba con respecto a la de abajo. Esta diferencia de presiones proporciona la fuerza de sustentación que mantiene el avión en vuelo.
Estudiemos las siguientes relaciones:
F = Fuerza
L = Sustentación D = Resistencia r = Densidad V = Velocidad
La influencia de la masa se ve en las siguientes relaciones, ya que la fuerza
aerodinámica es directamente proporcional a la densidad del aire. F = cte x r , luego L = cte x r , a mitad densidad, mitad sustentación. D = cte x r , a mitad densidad, mitad resistencia. La influencia de la velocidad sobre las fuerzas aerodinámicas se aprecia en que
la fuerza aerodinámica es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad.
- Fig. 2.6. Perfil aerodinámico-
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F = cte x V^2 , luego L = cte x V^2 , a doble velocidad, cuatro veces la sustentación. D = cte x V^2 , a doble velocidad, cuatro veces la resistencia.
2.2.3. Leyes de Newton.
2.2.3.1. Primera ley de Newton.
Cuando un avión vuela a altura constante, si el Empuje es igual a la Resistencia, el avión mantiene una velocidad con respecto al aire constante.
Si el Empuje se aumenta, el avión se acelera y la velocidad con respecto al aire aumenta. Por otra parte la Resistencia depende de la velocidad y por tanto la Resistencia aumenta. Cuando la Resistencia se iguala de nuevo al Empuje, el avión ya no acelera pero alcanza una velocidad con respecto al aire mayor.
2.2.3.2. Segunda ley de Newton. 1. Forma algebraica: Fuerza = masa x aceleración F = m x a 2. Forma diferencial: Fuerza es igual a la variación de la cantidad de
movimiento por unidad de tiempo.
F = d(mv)/dt Velocidad, aceleración y cantidad de movimiento son vectores. 2.2.3.3. Tercera ley de Newton.
Cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, este otro objeto ejerce también una fuerza sobre el primero.
- Fig.2.8. Principio de acción y reacción -
- Fig.2.7. Primera Ley de Newton -
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2.2.4. Conceptos aerodinámicos. 2.2.4.1.Velocidad relativa.
2.2.4.2. Sustentación.
La sustentación es una fuerza mecánica generada por un objeto sólido al moverse en un fluido en la dirección normal a su movimiento.
- Fig.2.10. Sustentación -
Factores que afectan a la sustentación: q El objeto: forma y tamaño. q El movimiento: velocidad e inclinación con respecto al flujo. q El aire: masa, viscosidad y compresibilidad.
L= (1/2).r.v^2.A.CL CL=CLα x α
- Fig.2.9. Velocidad relativa -
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Teoría potencial y paradoja de D’Alambert.
- Fig.2.11. Perfiles aerodinámicos -
2.2.4.3. Velocidad del sonido.
La velocidad del sonido, al nivel del mar es aproximadamente 1.223 km/h.
Por debajo de la velocidad del sonido, los aviones que vuelan lentamente crean variaciones de presión que viajan a la velocidad del sonido, y que se adelantan al avión. El flujo del aire se ajusta y las variaciones se disipan.
- Fig.2.12. Vuelo por debajo de la velocidad del sonido-
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A la velocidad del sonido, los aviones que vuelan a la velocidad del sonido
experimentan un aumento dramático de la resistencia al avance porque las variaciones de presión se acumulan en lugar de disiparse. El avión casi ha alcanzado las ondas de presión que van creando su propio avance.
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-Fig.2.13. Vuelo a velocidad del sonido-
Por encima de la velocidad del sonido, los aviones que vuelan a más velocidad que el sonido crean poderosas ondas de choque porque el flujo de aire no ha tenido tiempo de ajustarse a su paso. La explosión sónica es el sonido asociado a la onda de choque.
- Fig.2.14. Vuelo por encima de la velocidad del sonido -
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2.2.4.4. Resistencia aerodinámica.
La resistencia es una fuerza mecánica generada por un objeto sólido al moverse en un fluido. Los factores que afectan a la resistencia son:
q El objeto: forma y tamaño. q El movimiento: velocidad e inclinación con respecto al flujo. q El aire: masa, viscosidad y compresibilidad.
- Fig.2.15. Resistencia aerodinámica -
-Fig.2.16. Cálculo de la resistencia aerodinámica-
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INFLUENCIA DE LA FORMA.
- Fig.2.17. Influencia de la forma- INFLUENCIA DE LA INCLINACIÓN.
-Fig.2.18. Influencia de la inclinación -
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RELACIÓN ENTRE LA SUSTENTACIÓN Y LA RESISTENCIA.
-Fig.2.19. Relación entre la sustentación y la resistencia-
2.2.4.5. Peso.
El peso es una fuerza generada por la atracción gravitacional de la tierra. La determinación del peso de una aeronave es como se explica a continuación.
- Fig.2.20. Determinación del peso -
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La determinación del centro de gravedad de una aeronave es:
- Fig.2.21. Determinación del centro de gravedad - 2.2.4.6. Empuje. El empuje es una fuerza mecánica generada por los motores para mover la aeronave en el aire. Así del exceso de empuje resultaría:
- Fig.2.22. Determinación del empuje -
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2.2.5. Estabilidad de un avión. La estabilidad la daría el equilibrio de fuerzas, de manera que si llamamos: L=Sustentación ; D=Resistencia ; W=Peso ; F=Empuje.
-Fig.2.23. Estabilidad del avión - 2.2.5.1. Equilibrado de una aeronave. Perturbaciones del equilibrio.
-Fig.2.24. Equilibrado de la aeronave -
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2.2.5.2. Movimiento de la aeronave. Desequilibrio controlado de fuerzas.
-Fig.2.25. Movimiento de la aeronave-
2.2.5.3. Control de ascensión. Equilibrio de fuerzas.
-Fig.2.26. Control de la ascensión-
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2.2.5.4. Control de giro. Movimiento alrededor de sus ejes.
-Fig.2.27. Control de giro- 2.2.5.5. Control con los flaps y los slats.
-Fig.2.28. Control con los flaps y slats -
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2.2.5.6. Control con los alerones.
-Fig.2.29. Control con los alerones- 2.2.5.7. Control con el timón de profundidad.
-Fig.2.30. Control con el timón de profundidad -
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2.2.5.8. Control con el timón de dirección.
-Fig.2.31. Control con el timón de dirección- 2.2.5.9. Control con un spoiler.
-Fig.2.32. Control con un spoiler-
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2.2.5.10. Control con dos spoilers.
-Fig.2.33. Control con dos spoiler -
En un vuelo típico el control de la aeronave se conseguiría con las siguientes
maniobras: q CARRETEO (TAXI) q DESPEGUE (TAKE OFF) q SUBIDA (CLIMB) q VUELO EN CRUCERO SOSTENIDO COMPENSADO.
COMPENSACIÓN DEL EQUILIBRIO. (CRUISE) q GIROS (TURN, ROTATION) q DESCENSO (DESCEND) q ATERRIZAJE (LANDING)
Se pueden considerar otros fenómenos aerodinámicos y aeroelásticos.
q LA PÉRDIDA: falta repentina y momentánea de la sustentación
producida por cualquier perturbación cuando volamos cerca del ángulo crítico de ataque para una velocidad dada.
q LA DIVERGENCIA EAROELÁSTICA: Cuando a cierta velocidad, la
deformación elástica ocasiona una variación de sustentación igual a la variación de la reacción estructural.
q LA INVERSIÓN DE MANDO: Cuando a cierta velocidad, la
deformación elástica ocasiona que la efectividad del elemento de control del sistema deformable se anule.
q EL FLAMEO: Resonancia estructural ocasionada por las fuerzas
aerodinámicas transitorias originadas por cualquier perturbación del sistema elástico, creándose una amplificación divergente de la oscilación.
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q EL BATANEO: Excitación estructural provocada por la incidencia de una corriente turbillonaria que crea una componente no estacionaria sobre el perfil.
q LAS RÁFAGAS: Condiciones atmosféricas transitorias que ocasionan
esfuerzos dinámicos adicionales afectando a la vida del sistema por fatiga.