Configuración general de una aeronave

En general, un avión se puede dividir en un número limitado de subconjuntos: fuselaje, tren motriz, controles de vuelo, servidumbres a bordo, aviónica, transporte interno o externo. Estos elementos, con algunas excepciones, están presentes en todos los dispositivos.

Para cada tipo de avión, encontramos posiciones relativas de estos conjuntos que son bastante similares, si no tenemos en cuenta el período de los pioneros de la aviación o los prototipos que no han sido seguidos.

Puntos comunes surgieron desde el nacimiento de la aviación, y que lo más probable es válida en toda la XXI °  siglo, para una función o una capacidad operativa específica, son más a menudo asociado con las restricciones de diseño que incluyen:

• simplicidad de producción;
• la reducción de masa gracias al uso de materiales más ligeros y resistentes;
• reducción de la resistencia aerodinámica gracias a mejoras en la aerodinámica  ;
• el aumento del rendimiento, a menudo vinculado a los dos puntos anteriores y al desarrollo del motor;
• mejorando la confiabilidad .

Además de estos puntos, principalmente para aeronaves civiles:

• el ahorro de energía  ;
• reducción de la contaminación  ;
• mejorar la seguridad .

Configuración clásica

La denominada configuración convencional corresponde a la disposición relativa de los elementos del fuselaje, que se enumeran a continuación, como se encuentra en la mayoría de aviones.

El interés de esta configuración, todavía muy utilizada (2017), radica en la sencillez de construcción y en la experiencia de las interacciones aerodinámicas. El ala baja y los empenajes fijados en la punta trasera del fuselaje permiten conexiones casi directas entre las superficies de control y los controles de vuelo con un mínimo de ángulos de retorno. En un avión, cualquier cosa corriente arriba del flujo de aire reacciona a la corriente abajo. Los recientes avances en la simulación digital de flujos permiten comprender mejor estas reacciones y, por tanto, probar configuraciones menos clásicas.

El llamado tren de aterrizaje clásico está compuesto por un tren principal y una rueda trasera. Actualmente (2017) la configuración clásica permanece presente en una gran cantidad de aviones. El tren clásico tiende a desaparecer en favor del tren principal y la combinación de rueda de morro, incluso en aviones ligeros.

La ventaja de una configuración no convencional está generalmente ligada a la función del avión: motores ubicados sobre el fuselaje de un hidroavión para limitar la absorción de agua; cola horizontal alta para permitir la liberación en vuelo; ala alta para reducir la distancia entre el fuselaje y el suelo y facilitar la carga, etc.

Configuración suave

Las prestaciones teóricas de un avión se dan para una configuración denominada suave , es decir , donde todos los elementos móviles, si existen, están en posición neutra (superficies de control primarias) o están retraídos (tren de aterrizaje, dispositivos elevadores de carga, aerofrenos). Para aviones de armas cuyas cargas (armas y tanques lanzables) generalmente se fijan debajo del ala y el fuselaje, la configuración suave corresponde al avión desnudo .

Célula

El fuselaje está formado por el fuselaje , el perfil aerodinámico , la unidad de cola (estabilizador horizontal y aleta ) y el tren de aterrizaje .

• El fuselaje es una envolvente estructural habilitada para transportar la carga útil de la aeronave (a excepción de las cargas externas) y para soportar los demás subconjuntos del fuselaje. La sección del fuselaje también se reduce tanto como sea posible para reducir la resistencia , es circular para aviones presurizados para aumentar la resistencia. En ultraligeros y aviones antiguos, el fuselaje se puede reducir a una viga o un enrejado. Al principio del XXI XX  siglo, todos los tipos de aeronaves combinados, el uso de aleaciones a base de aluminio sigue siendo el más común, pero los materiales compuestos son un avance significativo para aviones de pasajeros.

• El ala de un avión se compone de dos alas que generan la mayor parte de la sustentación que permite el vuelo. La unión con el fuselaje se realiza en uno o más marcos principales o en una caja estructural. La estructura interna del ala incluye largueros y costillas. Los aviones MultiPlane en sudarios, común a principios del XX °  siglo, casi desapareció. El revestimiento, inicialmente en lona y luego en madera, la mayoría de las veces metálico e incorporando elementos compuestos, contribuye a la rigidez torsional de la estructura. La superficie aerodinámica tiene partes móviles: alerones que se utilizan para controlar el balanceo y dispositivos de elevación alta ubicados en el borde de ataque y en el borde de salida que se utilizan para aumentar la sustentación en el despegue y también para aumentar la resistencia al aterrizaje. En algunos aviones, hay extensiones de ala llamados "Pinnes" o aletas que sirven para reducir la resistencia inducida por ascensor.

• Las unidades de cola son superficies dispuestas en la parte trasera de la aeronave para proporcionar estabilidad y control de la aeronave en cabeceo y guiñada. Su constitución es idéntica a la del ala. Incluyen partes móviles, el elevador y el timón que se utilizan para modificar la actitud de la aeronave. La denominada configuración clásica consiste en colocar el estabilizador horizontal en la cola de la aeronave y la aleta arriba, pero existen otras variantes: T, V, H ...

• El tren de aterrizaje soporta el peso de la aeronave durante el rodaje, el despegue y el aterrizaje. El tren convencional está compuesto por el tren principal con dos ruedas a cada lado del fuselaje y un volante trasero; ahora es reemplazado por el tren de aterrizaje triciclo , que consiste en un tren principal que soporta la mayor parte del peso de la aeronave y un tren de morro que se utiliza para dirigir la aeronave en tierra. El tren suele estar fijo en aviones más antiguos o ligeros y retráctil en aviones más rápidos. A menudo, la cinemática compleja permite que se pliegue en el fuselaje (tren de vía única), en góndolas ubicadas a los lados del fuselaje, en las alas o en la parte trasera de la góndola de un motor colocado en el ala.

La cadena cinemática está formada por uno o más motores , propulsores de propulsión de motor de pistón o turborreactor o proporcionando directamente el empuje necesario por reacción . El número de motores depende del empuje a generar y la fiabilidad.

• En el caso de la propulsión por hélice, el motor se coloca con mayor frecuencia en la parte delantera del fuselaje (monomotor) o en una góndola unida al ala (multimotor).
• El o los reactores pueden disponerse en la parte trasera del fuselaje, en el fuselaje (avión de combate) o en cada lado, o bien en góndolas debajo de las alas. El configuración tri-motor, uno de ellos colocado en la base de la aleta o en la parte trasera del fuselaje, común en los aviones de pasajeros y en los aviones de negocios de gama alta al final de la XX XX  siglo, es ahora casi abandonado.

Controles de vuelo

La cabina es la parte del fuselaje ocupada por la tripulación. Está ubicado en la parte delantera para garantizar la visibilidad, excepto en el caso de aviones monomotor propulsados ​​por hélice, donde se encuentra detrás del motor.

La cabina agrupa los controles utilizados por el piloto para operar las superficies de control, los motores y muchos otros dispositivos como el paso de las hélices, los flaps de alta sustentación, los aerofrenos, el tren de aterrizaje y todas las servidumbres. Las superficies de control de alabeo (alerones) y cabeceo (elevador) se controlan con una palanca en aviones viejos, ligeros o de combate o con un volante en otros aviones. El volante tiende a desaparecer en favor de una palanca lateral para aviones controlados eléctricamente controlados por computadora. La guiñada (dirección) está controlada por un timón o, a veces, por un pequeño volante (aviones de pasajeros). Cada motor está controlado por un joystick. Se colocan a la izquierda del piloto o en una consola central en la configuración de dos pilotos.

La conexión entre el actuador y el timón está asegurada por cables o bielas rígidas para aviones antiguos o ligeros; esta es una de las razones de la persistencia de la configuración clásica , donde el número de referencias es mínimo. En aviones pesados, los controles son asistidos por sistemas hidráulicos o eléctricos. En los aviones más recientes, las órdenes del piloto son analizadas por un ordenador de a bordo que tiene en cuenta numerosos parámetros y controla los servomotores que actúan sobre las superficies de control .

Servidumbres a bordo

Conjunto de sistemas que proporcionan o transmiten la energía necesaria para el funcionamiento de la aeronave así como la vida a bordo:

• circuito de combustible para el suministro de motores;
• circuito eléctrico para la alimentación de aviónica y sistemas de vuelo;
• circuito eléctrico o hidráulico para el funcionamiento de los mandos de vuelo y del tren de aterrizaje;
• circuito de aire acondicionado para presurización del fuselaje y comodidad de los pasajeros;
• Ordenador de a bordo en los aviones más recientes para el control o mando de todas las funciones.

Aviónica

Conjunto de sistemas que permiten:

• navegación: brújula, unidad inercial, GPS, receptor VOR-DME, etc.
• control y control de vuelo: indicadores de velocidad y actitud, altímetro, variómetro, parámetros del motor, etc.
• las comunicaciones
• conocimiento del entorno de vuelo: radar meteorológico, sistemas anticolisión, etc.

Interfaz hombre-máquina Los controles de vuelo y la aviónica se gestionan desde la cabina, a través de paneles de instrumentos y actuadores que constituyen la interfaz hombre-máquina. Las diversas palancas y botones que actúan directamente sobre un elemento o circuito que formaba la interfaz hombre-máquina de los aviones antiguos todavía se utilizan en los aviones más ligeros. Al principio del XXI °  siglo, tienden a desaparecer en favor de los controles electrónicos o pantallas táctiles en aviones de alta gama.

Carga útil

Las cargas útiles, o carga útil, son los elementos necesarios para el cumplimiento de la misión. La mayoría de las cargas útiles están contenidas en el fuselaje; este es el caso de los aviones de pasajeros o de carga. Las cocheras para aviones militares se componen de armas que a menudo se cuelgan debajo del fuselaje o debajo del perfil aerodinámico. El fuselaje también se puede adaptar a determinadas misiones muy concretas: el fuselaje de un avión de extinción de incendios incorpora un depósito de agua.

Configuración relacionada con el tipo de aeronave

No existe una solución única para la configuración de una aeronave . Para una misión determinada, el diseñador busca un compromiso entre el rendimiento deseado y las limitaciones tecnológicas, económicas o medioambientales. Algunas soluciones están probadas y, para un tipo determinado de misión, se encuentran en dispositivos que tienen un "parecido familiar". Son estos puntos en común que se exponen a continuación y representan las soluciones actualmente utilizadas al final del XX °  siglo - comienzo del XXI °  siglo.

El motor suele ser el elemento determinante en el diseño de la aeronave. El rendimiento deseado al diseñar un avión de combate o un avión de pasajeros solo se logrará con la última generación disponible de un tipo de motor.

Las limitaciones de diseño son numerosas: las tecnologías disponibles en un momento dado son obviamente decisivas en la búsqueda constante de reducción de masa y resistencia. Estos factores afectan los costos operativos y de producción. En ocasiones intervienen otras limitaciones como la reducción del consumo y la contaminación (ruido, escape) en el caso de aeronaves civiles o la disponibilidad de infraestructura (longitud de pistas, resistencia de pistas, evolución o estacionamiento en terminales, etc.).

Aeronaves de transporte de pasajeros (corta, media, larga distancia)

Al principio del XXI °  siglo, sólo hay tres fabricantes de este tipo de aviones. Cada uno de ellos intenta cubrir la gama completa de distancias viables del orden de 1.500  km a 10.000  km (enlaces transpacíficos) y capacidades del orden de 200 a 500 pasajeros . Además de los 3 o 4 modelos básicos , estos fabricantes ofrecen muchas variantes que permiten a las aerolíneas elegir el dispositivo que mejor se adapte a su red y densidad de pasajeros.

Características generales de este tipo de aeronaves:

• El fuselaje es de sección cilíndrica para resistir la presurización en altura. El diámetro es una función de la disposición de los asientos: cuatro asientos delanteros con un pasillo central en los motores de cuatro pistones de principios de la década de 1950 como el Douglas DC-4 , luego seis asientos en la primera fila en los motores de cuatro reactores de la década de 1960 como el Boeing 707 . Los jets Jumbo que aparecieron más tarde en los Boeing 747 permiten tener ocho, nueve e incluso diez asientos al frente con dos pasillos. Como la longitud del fuselaje está limitada por las dimensiones de la infraestructura terrestre, el Airbus A380 tiene dos cabinas cilíndricas superpuestas (fuselaje bilobulado).
• Se dice que el ala es "baja" porque el larguero del ala principal debe pasar por debajo del piso del pasajero. Esta disposición corta la bodega en dos partes, lo que requiere una puerta de carga en la parte delantera y trasera.
• El tren motriz constaba de cuatro motores de pistón en la década de 1950, luego cuatro reactores. La confiabilidad y la potencia de los motores se han vuelto tales que ahora se acepta tener solo dos reactores. En caso de avería del motor en el despegue, la potencia instalada es suficiente para continuar el despegue y volver a tierra. En el caso de una falla del motor durante la navegación, también es posible continuar navegando durante varias horas (según el tipo de aeronave) con un solo motor. Los motores se colocan en góndolas colocadas debajo del ala (mejor accesibilidad) o en la parte trasera del fuselaje (reducción del ruido en la cabina, mejor aerodinámica del perfil aerodinámico).
• El tren de aterrizaje consta de un tren delantero con dos ruedas gemelas, que soporta un pequeño porcentaje de la masa del avión (alrededor del 5%) y sirve para dirigir la aeronave en tierra, y un tren principal de 2, 3 o 4 bogies de 4 a 8 ruedas colocadas ligeramente detrás del centro de gravedad. El número de ruedas viene dictado por la resistencia de las pistas de aterrizaje al impacto. Los aviones equipados con motores de hélice tenían patas del tren de aterrizaje lo suficientemente largas como para elevar el círculo de rotación de las hélices. El tren se plegaba en la góndola, detrás del motor interior (más cercano al fuselaje). En aviones equipados con motores a reacción, los engranajes principales "exteriores" (fijados debajo de las alas) se pliegan lateralmente, las ruedas se alojan en una protuberancia local debajo del fuselaje. Los aviones más pesados ​​tienen uno o dos bogies centrales adicionales que se pliegan en el fuselaje.

Avión de carga

Características generales de este tipo de aeronaves:

• Los aviones de carga civiles son generalmente aviones de pasajeros modificados. El piso está reforzado y se agrega una puerta de carga al costado. La carga se transporta generalmente en forma de paletas y requiere que se lleve un equipo de elevación importante a la bodega o al piso. Se distinguen de un avión de transporte de pasajeros solo por el tamaño de las puertas de carga y posiblemente por la ocultación de las ventanas. Algunos aviones se mezclan con una cabina de pasajeros y una cabina de carga sobre el piso.

• el Beluga Airbus A300-600ST Airbus es un caso extremo de modificación de un avión civil. Desde el fuselaje de un A300, se ha ampliado el diámetro del fuselaje para poder acomodar secciones del fuselaje de otras aeronaves u otros elementos de dimensiones no estándar como las medias alas o la aleta. Este avión se utiliza para transportar estas secciones entre las plantas de fabricación y la planta de montaje final.

• Los aviones de transporte de mercancías militares (tipo Airbus A400M ) tienen un diámetro y una longitud de fuselaje que pueden acomodar vehículos grandes como tanques. Están equipados con una rampa de carga en la parte trasera y, a veces, con una punta abatible o inclinable para tener una segunda rampa de carga frontal. Esta disposición permite cargar sin medios de elevación, simplemente rodando, y posiblemente descargar sin dar marcha atrás.

• la forma del fuselaje depende de las especificaciones operativas (capacidad para transportar un tanque, un contenedor en formato ferroviario, etc.). Por tanto, la sección no siempre es circular.

• el dosel está en la posición alta para que el larguero principal no corte la bodega y para permitir que el piso esté lo más bajo posible. Está equipado con dispositivos de alta sustentación, listones y flaps en toda la longitud del perfil aerodinámico, para permitir una baja velocidad de aterrizaje y el uso de terrenos con pistas cortas o no preparadas.

• las unidades de cola se colocan muy altas para despejar la rampa de carga trasera y despejar la parte trasera de la aeronave porque también se utilizan para paracaidistas o equipos.

• el tren motriz está ubicado debajo del perfil aerodinámico para una mejor accesibilidad. Los motores turbohélice a menudo se prefieren a los motores a reacción porque su rendimiento de aterrizaje y despegue es mejor, y la velocidad de crucero no es un elemento clave.

• el tren se pliega en góndolas unidas al fuselaje. Esta disposición permite un tren muy corto y un piso lo más bajo posible para facilitar la carga. Los amortiguadores a menudo son desinflables para bajar el piso aún más cuando se carga la aeronave.

Avión de transporte regional

Un avión de transporte regional es un trayecto corto o muy corto. Transporta unas pocas docenas de pasajeros en distancias cortas (del orden de 200 a 1000 km) . La capacidad media de estos aviones es del orden de 30 a 40 pasajeros , con una tendencia a aumentar hacia 60 a 80 pasajeros .

Características generales de este tipo de aeronaves:

• Fuselaje de sección cilíndrica que permite la instalación de tres a cinco asientos al frente con un solo pasillo.
• ala alta: el piso de la cabina está cerca del suelo, lo que elimina la necesidad de pasarelas de acceso y dispositivos de elevación para el equipaje. La superficie aerodinámica está equipada con dispositivos de elevación alta, flaps de borde de fuga y, a veces, listones de borde de ataque, para permitir una baja velocidad de aterrizaje y el uso de aeropuertos secundarios con una pista corta. Algunas aeronaves utilizan dispositivos especiales como el ala de explosión para darles características ADAC (Short Takeoff and Landing) que les permiten utilizar pequeños aeropuertos ubicados cerca del centro de las ciudades.
• tren motriz compuesto por dos motores turbohélice. En comparación con los reactores, la mayor eficiencia de propulsión de las hélices hace que estos aviones sean mucho más económicos, a pesar de una velocidad menor (alrededor de 450 a 550  km / h ). Algunos aviones recientes están equipados con motores turbohélice muy potentes que les dan una velocidad de vuelo promedio casi tan alta como un jet en viajes cortos (menos de 600  km ).
• tren de aterrizaje fijado a las góndolas del motor, con patas largas si el ala está en posición alta, o en góndola en el lateral del fuselaje, lo que permite reducir las dimensiones y masa del tren principal así como el acceso de pasajeros sin escaleras o rampas.
• El avión de pasajeros regional “top of the line” es un pequeño twinjet similar al de corta distancia descrito anteriormente.

Avion militar

La variedad de misiones de aviones militares (interceptación, caza, bombardeo estratégico, reconocimiento, apoyo terrestre, etc.) impone ciertas características. Estos aviones suelen ser polivalentes, es decir que la adaptación a la misión se realiza cambiando las cargas.

Características comunes:

Además de las características aerodinámicas y la capacidad de cumplir una misión determinada, la aeronave militar, a diferencia de la civil, debe ser difícil de detectar (reducción de la firma electromagnética e infrarroja ). Las soluciones utilizadas, ya sea en términos de materiales utilizados o en términos de arquitectura, son a veces muy diferentes a las de una aeronave civil.

• Fuselaje: reducido a la cabina del piloto, caja de aviónica, tanques de combustible y propulsores colocados en la parte trasera del fuselaje.
• Ala: los aviones militares son los únicos ahora (desde la retirada del Concorde) que utilizan un ala delta o un ala de geometría variable .
• Tren de potencia: en el fuselaje
• Tren de aterrizaje: plegable en las alas o en el fuselaje.
• Una de las características fundamentales es la maniobrabilidad. La mayoría de los aviones están diseñados para ser estables, es decir, recuperar rápidamente una posición de equilibrio en caso de una perturbación. La estabilidad asegura la comodidad del pilotaje pero se opone a la maniobrabilidad, la rápida modificación de la actitud y la trayectoria de la aeronave. En términos de arquitectura, resulta en la reducción, ver la eliminación de estabilizadores estabilizadores (alas delta).

Avión de negocios

Un avión de negocios puede transportar algunos pasajeros, alrededor de diez o menos. El diseño de la cabina es generalmente lujoso.

Hay varios tipos de uso para esta categoría de aeronaves.

• Comercial: el propietario (s) alquila su aeronave a un cliente por un costo fijo por hora de vuelo. En este caso se aplican las reglas comerciales, se requiere una tripulación de dos pilotos, así como dos motores, etc.
• Privado: los propietarios y miembros de su familia inmediata pueden utilizarlo. Aquí las reglas son diferentes, si el fabricante ha certificado la aeronave con un solo piloto, puede ser volada por un solo piloto. El avión puede ser monomotor como el Pilatus PC-12 o el Socata TBM-700 .

Se puede diseñar un avión de negocios:

• Como un pequeño avión de pasajeros. La arquitectura es entonces idéntica, pero el diámetro del fuselaje solo permite colocar dos asientos al frente y no hay agarre. El ala baja requiere que los reactores se coloquen en una góndola en la parte trasera del fuselaje.
• Como un avión de pasajeros de primera clase. La arquitectura es idéntica excepto por la instalación frecuente de dos motores por razones de seguridad.

Plano de prueba

Una aeronave de prueba es una aeronave destinada exclusivamente a realizar pruebas en vuelo con el fin de obtener una certificación o para llevar a cabo desarrollo e investigación. Por lo general, está equipado con una instalación de prueba de vuelo (IEV) o instrumentación de prueba de vuelo.

Avión de pasajeros

Esta categoría cubre aviones monomotores de uno a seis asientos.

Se utilizan para el turismo aéreo y, por lo tanto, no siempre están equipados para volar con mal tiempo. Las escuelas de vuelo utilizan este tipo de dispositivo para la formación inicial de pilotos.

Características generales de este tipo de dispositivo:

• su estructura puede ser de madera / contrachapado, lámina de aluminio o composite (resina y fibra de vidrio o laminado de carbono);
• el sistema de propulsión consta de un motor de pistón que impulsa una hélice; en la gran mayoría de los casos se ubica en la parte delantera del fuselaje;
• el tren de aterrizaje se fija con mayor frecuencia para reducir el peso y el costo, el efecto sobre el rendimiento no es muy importante cuando el tren está carenado; la gran mayoría de las aeronaves ligeras están equipadas con tren de tres ruedas: rueda de morro y tren principal detrás del centro de gravedad; los modelos más antiguos utilizan el tren "clásico": tren principal delante del centro de gravedad y rueda de cola.

Aviones no tripulados, drones

Avión modelo a escala, micro-aviación

Notas y referencias

1. Los aviones ligeros no tienen controles asistidos por motor y, a fortiori , controles eléctricos.

Ver también

Artículos relacionados

• Configuración del ala
• Cabina de avión
• Faro y luz (aeronáutica)