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 Los compuestos en la aviación

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MensajeTema: Los compuestos en la aviación   Vie 10 Jun 2011 - 22:20

Los compuestos en la aviación
por Ing. J. Carpentier*



LAS elevadas performances que alcanzan actualmente las aeronaves se deben a la combinación de tres factores: aerodinámica, propulsión y diseño estructural. En este último juegan un papel fundamental los materiales empleados, campo en el que se registraron avances significativos, particularmente desde que aparecieron los compuestos. Estos ya son moneda corriente en la industria aeronáutica y su empleo crece constantemente, no sólo en la fabricación de aviones civiles sino también en los de combate.
Los compuestos más comunes, a los que nos referiremos aquí, están constituidos por una base continua (matriz) que generalmente es resinosa, y un elemento más resistente a base de fibras. Reciben la denominación de compuestos de matriz orgánica y su empleo en las células de aviones militares se inició a mediados de la década del '70. Hoy su uso se generalizó de manera tal que en la fabricación de aviones de caza alcanzan porcentajes considerables: por ejemplo, el 22% en el caso del F-18, el 25% en el del Rafale, 26% en el F-22 y 35% en el Eurofighter.
En el sector de los aviones civiles, se debe señalar que ese porcentaje se sitúa como promedio entre el 10 y el 15% para la familia Airbus. En donde más se emplean los compuestos es en el biturbohélice ATR-72, para el que se fabrican, entre otras cosas, las punteras de ala con fibras de carbono.
En el caso de las estructuras espaciales, satélites por ejemplo, el porcentaje llega a un 80%, en tanto que en las plantas de poder creció de cero en el turborreactor Snecma M53 que propulsa al Mirage 2000 al 14% en el M88 del Rafale.
En los helicópteros los compuestos a base de fibras de vidrio fueron los primeros en usarse, y fue para moldear las palas de los rotores. Este es un componente de diseño complejo debido a que se deben considerar los fenómenos propios de la fatiga combinados con las frecuencias de las oscilaciones. Ya en 1974 Aerospatiale desarrolló el cubo Starflex con fibras de vidrio, pero luego comenzó a experimentar con éxito otros de fibras de carbono para el helicóptero Dauphin.




Con respecto a las aleaciones de aluminio, los compuestos de matriz orgánica pesan menos y son más baratos. Entre sus principales características técnicas se cuentan elevados módulo de elasticidad y resistencia específica; muy buen comportamiento en fatiga; de fácil conformación incluso cuando se trata de piezas complejas; y excelente resistencia a la corrosión. El costo de las fibras de carbono de alta resistencia es relativamente bajo, unos u$s 70/kg, pero si se trata de las de alto módulo de elasticidad y la producción es relativamente pequeña el precio puede trepar a cerca de u$s 4 000/kg, valores a los que deben sumarse los gastos de desarrollo y certificación.
En resumen, la ventaja fundamental de los materiales compuestos es la reducción de peso: comparada con una pieza metálica idéntica, la de compuestos puede pesar hasta un 30% menos, y sin embargo aún tienen un gran potencial de desarrollo por delante ■

* El autor es Redactor en Jefe de la Revista Científica y Técnica de la Defensa Francesa.

Aeroespacio Nº 558 Mar-Abr 2004
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MensajeTema: Re: Los compuestos en la aviación   Miér 22 Jun 2011 - 0:01

Técnicas de Procesamiento de Materiales Compuestos

Autores:
Ing. Mec. Aer. Alejandra Rizzo
Ing. Mec. Aer. Gustavo Scarpin
Córdoba, octubre de 2002


1. Reseña histórica de la utilización de materiales compuestos en aviación.
1.1 Aplicaciones en grandes aviones comerciales.


Los primeros componentes de compuestos en grandes aviones de transporte comercial fueron
diseñados y construidos como parte del programa ACEE ( Aicraft Energy Efficiency) de la NASA. Y
entraron en servicio durante 1972-1986. El objetivo primario del programa fue obtener experiencia de
vuelo real con componentes de compuestos y comparar la durabilidad a largo plazo de los
componentes de vuelo para obtener datos para el programa de “ Ensayos en Tierra de Exposición al
Medio Ambiente”. Boeing, , Douglas y Lockheed participaron en el programa. Una característica
común de los tres programas fue el uso del sistema de material grafito-epoxy NARMCO T-300/5208.
La fibra T-300 es una fibra de grafito de módulo y tensión a rotura intermedia, y la matriz 5208, es un
epoxy termoestable a 175 ºC. En los primeros años del programa se diseñaron y entraron en servicio
componentes pequeños de estructuras secundarias que soportaban bajas cargas. En los últimos
años del programa se diseñaron y entraron en servicio estructuras que soportaban mayores cargas y
de mayor tamaño tales como superficies de control y empenajes. Algunos ejemplos de estos
componentes incluyen al elevador del Boeing B-727, el estabilizador horizontal del Boeing B-737, el
estabilizador vertical del Douglas DC-10 y el alerón del Lockheed L-1011 (Fig. 1).




Figura 1: Aplicaciones comerciales típicas iniciadas por el programa ACEE

Los primeros tres componentes nombrados tuvieron fallas prematuras. Posteriormente fueron
rediseñados y ensayados exitosamente. Estos fallos prematuros fueron relacionados a un
entendimiento incompleto de las diferencias en las características de fallas de las estructuras
metálicas y compuestos en el momentos en que éstas estructuras fueron diseñadas.
Para enero de 1987, 350 componentes entraron en servicio en diferentes aerolíneas comerciales.
En 1993 los 350 componentes colocados originalmente en servicio acumularon mas de 53 millones
de horas de vuelo. Las performances de servicio, características de mantenimiento y tensión residual
de numerosos componentes fueron reportados a la NASA y comparado con los datos obtenidos del
programa de ensayos en tierra de exposición al medio ambiente el cual acumulaba ya 10 años de
experiencia. Los datos indicaron una excelente performance en servicio de los componentes de
compuestos durante el período de evaluación. Las aerolíneas reportaron daños tales como
accidentes durante el manejo en tierra, daños por impacto de objetos extraños e impacto de rayos.
Sin embargo no hubo degradación en la tensión residual de los componentes de compuestos debido
a la fatiga o a la exposición al medio ambiente durante el servicio. Además existe una buena
correlación del programa de ensayo en tierra y las performances estructurales de los componentes
de los aviones reales.
Una comparación de las aplicaciones como porcentaje de peso estructural para grandes
aeronaves de transporte comercial se muestra en la Figura 2. los datos graficados muestran un
incremento en el uso de materiales compuestos en las últimas tres décadas.




Figura 2: Aplicaciones estructurales de compuesto en aviones de transporte comercial

Idéntica comparación para aeronaves de alas rotativas y aviación general se presenta en la Figura
3a y para aviones de combate en la Figura 3b; observándose idéntico comportamiento que el
observado para aviones comerciales.

La principal barrera para el incremento significativo del uso de materiales compuestos en
estructuras primarias es el alto costo de las estructuras de compuestos respecto de las estructuras
de aleación convencional y a la falta de certeza en la estimación de los costos de diseño y desarrollo
de las estructuras de compuestos.




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