10 innovaciones de aviación sin las que estaríamos atrapados en tierra

El 1 de junio de 2009, el vuelo 447 de Air France descendió inesperadamente, cientos de pies por segundo, antes de estrellarse contra el Océano Atlántico, destrozando el avión y matando a los 228 pasajeros y miembros de la tripulación. Con el tiempo, los investigadores de accidentes pudieron reconstruir lo que salió mal en esa fatídica noche: una combinación de clima severo, mal funcionamiento del equipo y confusión de la tripulación hizo que la aeronave se detuviera y cayera del cielo.

El vuelo 447 envió una onda de choque a través de la industria de la aviación. El avión, un Airbus A330, era uno de los aviones más confiables del mundo, sin muertes registradas volando comercialmente hasta el vuelo condenado de Air France. Luego, el accidente reveló la aterradora verdad: los vehículos más pesados ​​que el aire operan con tolerancias muy estrechas. Cuando todo es de cinco por cinco, un avión hace lo que se supone que debe hacer, volar, casi sin esfuerzo aparente. En realidad, su capacidad para mantenerse en el aire se basa en una compleja interacción de tecnologías y fuerzas, todas trabajando juntas en un delicado equilibrio. Alterar ese equilibrio de alguna manera, y un avión no podrá despegar. O, si ya está en el aire, volverá al suelo, a menudo con resultados desastrosos.

Este artículo explorará la delgada línea entre volar alto y caer rápido. Consideraremos 10 innovaciones críticas para la estructura y función de un avión moderno. Comencemos con la única estructura, las alas, que poseen todos los objetos voladores.

1. Superficie sustentadora
2. Hélice
3. Motor a reacción
4. Combustible para aviones
5. Controles de vuelo (Fly-by-wire)
6. Aluminio y Aleaciones de Aluminio
7. Piloto automático
8. Tubos Pitot
9. Control de tráfico aéreo
10. Tren de aterrizaje

Los pájaros los tienen. También los murciélagos y las mariposas. Dédalo e Ícaro se los pusieron para escapar de Minos, rey de Creta. Estamos hablando de alas, por supuesto, o perfiles aerodinámicos , que funcionan para dar sustentación a un avión. Los perfiles aerodinámicos suelen tener una ligera forma de lágrima, con una superficie superior curva y una superficie inferior más plana. Como resultado, el aire que fluye sobre un ala crea un área de mayor presión debajo del ala, lo que genera la fuerza ascendente que hace que el avión despegue del suelo.

Curiosamente, algunos libros de ciencia invocan el principio de Bernoulli para explicar la edificante historia de los perfiles aerodinámicos. De acuerdo con esta lógica, el aire que se mueve sobre la superficie superior de un ala debe viajar más lejos, y por lo tanto debe viajar más rápido, para llegar al borde de fuga al mismo tiempo que el aire que se mueve a lo largo de la superficie inferior del ala. La diferencia de velocidad crea un diferencial de presión que conduce a la elevación. Otros libros descartan esto como una tontería, prefiriendo confiar en las leyes de movimiento probadas y verdaderas de Newton : el ala empuja el aire hacia abajo, por lo que el aire empuja el ala hacia arriba.

El vuelo más pesado que el aire comenzó con planeadores , aviones ligeros que podían volar durante largos períodos sin usar un motor. Los planeadores eran las ardillas voladoras de la aviación, pero pioneros como Wilbur y Orville Wright deseaban una máquina que pudiera emular a los halcones, con un vuelo fuerte y propulsado. Eso requería un sistema de propulsión para proporcionar empuje. Los hermanos diseñaron y construyeron las primeras hélices de avión, así como motores de cuatro cilindros refrigerados por agua dedicados para hacerlos girar.

Hoy en día, el diseño y la teoría de las hélices han recorrido un largo camino. En esencia, una hélice funciona como un ala giratoria, proporcionando sustentación pero en dirección hacia adelante. Vienen en una variedad de configuraciones, desde hélices de paso fijo de dos palas hasta modelos de cuatro y ocho palas con paso variable, pero todas hacen lo mismo. A medida que las aspas giran, desvían el aire hacia atrás y este aire, gracias a la ley de acción-reacción de Newton , empuja las aspas hacia adelante. Esa fuerza se conoce como empuje y trabaja para oponerse al arrastre , la fuerza que retarda el movimiento hacia adelante de un avión.

En 1937, la aviación dio un paso de gigante cuando el inventor e ingeniero británico Frank Whittle probó el primer motor a reacción del mundo . No funcionaba como los aviones de propulsión con motor de pistón de la época. En cambio, el motor de Whittle aspiraba aire a través de las paletas del compresor orientadas hacia adelante. Este aire entraba en una cámara de combustión, donde se mezclaba con el combustible y se quemaba. Luego, una corriente de gases sobrecalentados salió corriendo del tubo de escape, empujando el motor y la aeronave hacia adelante.

Hans Pabst van Ohain de Alemania tomó el diseño básico de Whittle y propulsó el primer vuelo de un avión a reacción en 1939. Dos años más tarde, el gobierno británico finalmente hizo despegar un avión, el Gloster E.28/39, utilizando el innovador motor de Whittle. diseño. Al final de la Segunda Guerra Mundial, los jets Gloster Meteor, que fueron modelos sucesivos volados por pilotos de la Royal Air Force, perseguían cohetes V-1 alemanes y los disparaban desde el cielo.

Hoy en día, los motores turborreactores están reservados principalmente para aviones militares. Los aviones comerciales utilizan motores turboventiladores, que aún consumen aire a través de un compresor orientado hacia adelante. En lugar de quemar todo el aire entrante, los motores turboventiladores permiten que algo de aire fluya alrededor de la cámara de combustión y se mezcle con el chorro de gases sobrecalentados que sale por el tubo de escape. Como resultado, los motores turboventiladores son más eficientes y producen mucho menos ruido.

Los primeros aviones de pistón usaban los mismos combustibles que su automóvil: gasolina y diésel . Pero el desarrollo de los motores a reacción requería un tipo diferente de combustible. Aunque algunos excéntricos defensores defendieron el uso de mantequilla de maní o whisky , la industria de la aviación rápidamente se decidió por el queroseno como el mejor combustible para los jets de alta potencia. El queroseno es un componente del petróleo crudo, que se obtiene cuando el petróleo se destila o se separa en sus elementos constituyentes.

Si tiene un calentador o lámpara de queroseno, es posible que esté familiarizado con el combustible de color pajizo. Los aviones comerciales, sin embargo, demandan un grado más alto de queroseno que el combustible utilizado para fines domésticos. Los combustibles para aviones deben quemarse limpiamente, pero deben tener un punto de inflamación más alto que los combustibles para automóviles para reducir el riesgo de incendio. Los combustibles para aviones también deben permanecer fluidos en el aire frío de la atmósfera superior. El proceso de refinación elimina toda el agua suspendida, que podría convertirse en partículas de hielo y bloquear las líneas de combustible. Y el punto de congelación del propio queroseno se controla cuidadosamente. La mayoría de los combustibles para aviones no se congelan hasta que el termómetro alcanza menos 58 grados Fahrenheit (menos 50 grados Celsius).

It's one thing to get an airplane into the air. It's another thing to control it effectively without crashing back to earth. In a simple light airplane, the pilot transmits steering commands via mechanical linkages to control surfaces on the wings, fin and tail. Those surfaces are, respectively, the ailerons, the elevators and the rudder. A pilot uses ailerons to roll from side to side, elevators to pitch upward or downward, and the rudder to yaw port or starboard. Turning and banking, for example, requires simultaneous action on both the ailerons and the rudder, which causes the wing to dip into the turn.

Los aviones militares y comerciales modernos tienen las mismas superficies de control y aprovechan los mismos principios, pero eliminan los vínculos mecánicos. Las primeras innovaciones incluyeron sistemas de control de vuelo hidráulico-mecánicos, pero estos eran vulnerables al daño de la batalla y ocupaban una gran cantidad de espacio. Hoy en día, casi todas las aeronaves grandes se basan en sistemas digitales fly-by-wire , que realizan ajustes en las superficies de control en función de los cálculos de una computadora a bordo. Una tecnología tan sofisticada permite que un avión comercial complejo sea pilotado por sólo dos pilotos .

En 1902, los hermanos Wright volaron el avión más sofisticado de la época: un planeador para una sola persona con una "piel" de muselina estirada sobre un marco de abeto. Con el tiempo, la madera y la tela dieron paso al monocasco de madera laminada , una estructura aeronáutica en la que la piel del avión soporta parte o la totalidad de las tensiones. Los fuselajes monocasco permitieron aviones más fuertes y aerodinámicos, lo que llevó a una serie de récords de velocidad a principios del siglo XX. Desafortunadamente, la madera utilizada en estos aviones requería un mantenimiento constante y se deterioraba cuando se exponía a la intemperie.

En la década de 1930, casi todos los diseñadores de aviación preferían la construcción totalmente metálica a la madera laminada. El acero era un candidato obvio, pero era demasiado pesado para hacer un avión práctico. El aluminio , por otro lado, era liviano, fuerte y fácil de moldear en varios componentes. Los fuselajes con paneles de aluminio cepillado, unidos por remaches, se convirtieron en un símbolo de la era de la aviación moderna. Pero el material venía con sus propios problemas, siendo el más grave la fatiga del metal. Como resultado, los fabricantes idearon nuevas técnicas para detectar áreas problemáticas en las partes metálicas de una aeronave. Los equipos de mantenimiento utilizan hoy en día la exploración por ultrasonido para detectar grietas y fracturas por tensión, incluso pequeños defectos que pueden no ser visibles en la superficie.

In the early days of aviation, flights were short, and a pilot's main concern was not crashing to the ground after a few exhilarating moments in the air. As the technology improved, however, increasingly longer flights were possible -- first across continents, then across oceans, then around the world. Pilot fatigue became a serious concern on these epic journeys. How could a lone pilot or a small crew stay awake and alert for hours on end, especially during monotonous sessions of high-altitude cruising?

Enter the automatic pilot . Invented by Lawrence Burst Sperry, son of Elmer A. Sperry, the autopilot, or automatic flight control system, linked three gyroscopes to an aircraft's surfaces controlling pitch, roll and yaw. The device made corrections based on the angle of deviation between the flight direction and the original gyroscopic settings. Sperry's revolutionary invention was capable of stabilizing normal cruising flight, but it could also perform unassisted takeoffs and landings.

El sistema de control de vuelo automático de los aviones modernos difiere poco de los primeros pilotos automáticos giroscópicos. Los sensores de movimiento, giroscopios y acelerómetros, recopilan información sobre la actitud y el movimiento de la aeronave y entregan esos datos a las computadoras de piloto automático, que envían señales a las superficies de control en las alas y la cola para mantener el rumbo deseado.

Los pilotos deben realizar un seguimiento de una gran cantidad de datos cuando están en la cabina de un avión. La velocidad del aire , la velocidad de un avión en relación con la masa de aire a través de la cual vuela, es una de las cosas más importantes que monitorean. Para una configuración de vuelo específica, ya sea aterrizaje o crucero económico, la velocidad de un avión debe permanecer dentro de un rango de valores bastante estrecho. Si vuela demasiado lento, puede sufrir una pérdida aerodinámica, cuando no hay sustentación suficiente para superar la fuerza descendente de la gravedad . Si vuela demasiado rápido, puede sufrir daños estructurales, como la pérdida de flaps.

En los aviones comerciales, los tubos de Pitot soportan la carga de medir la velocidad del aire. Los dispositivos reciben su nombre de Henri Pitot, un francés que necesitaba una herramienta para medir la velocidad del agua que fluye en ríos y canales. Su solución fue un tubo delgado con dos agujeros, uno al frente y otro al costado. Pitot orientó su dispositivo de modo que el orificio frontal mirara hacia arriba, permitiendo que el agua fluya a través del tubo. Al medir el diferencial de presión en los orificios frontal y lateral, pudo calcular la velocidad del agua en movimiento.

Los ingenieros de aviones se dieron cuenta de que podían lograr lo mismo montando tubos de Pitot en el borde de las alas o sobresaliendo del fuselaje. En esa posición, la corriente de aire en movimiento fluye a través de los tubos y permite una medición precisa de la velocidad de la aeronave.

So far, this list has focused on aircraft structures, but one of the most important aviation innovations -- actually a collection of innovations -- is air traffic control, the system that ensures aircraft can take off from one airport, travel hundreds or thousands of miles and land safely at a destination airport. In the United States, more than 20 air traffic control centers monitor the movement of airplanes across the country. Each center is responsible for a defined geographic area, so that as an airplane flies along its route, it gets handed off from one control center to the next. When the airplane arrives at its destination, control transfers to the airport's traffic tower, which provides all directions to get the plane on the ground.

Surveillance radar plays a key role in air traffic control. Fixed ground stations, located at airports and at control centers, emit short-wavelength radio waves, which travel to airplanes, strike them and bounce back. These signals allow air traffic controllers to monitor aircraft positions and courses within a given volume of airspace. At the same time, most commercial aircraft carry transponders, devices that transmit the aircraft's identity, altitude, course and speed when "interrogated" by radar.

Landing a commercial airliner seems like one of technology's most improbable feats. A plane must descend from 35,000 feet (10,668 meters) to the ground and slow from 650 miles (1,046 kilometers) to 0 miles per hour. Oh, yeah, and it has to place its entire weight -- some 170 tons -- onto just a few wheels and struts that must be strong, yet completely retractable. Is it any wonder that landing gear takes the No. 1 spot on our list?

Up until the late 1980s, the majority of civilian and military aircraft used three basic landing-gear configurations: one wheel per strut, two wheels side by side on a strut or two side-by-side wheels next to two additional side-by-side wheels. As airplanes grew larger and heavier, landing gear systems became more complex, both to reduce stress on the wheel and strut assemblies, but also to decrease forces applied to runway pavement. The landing gear of an Airbus A380 superjumbo airliner, for example, has four undercarriage units -- two with four wheels each and two with six wheels each. Regardless of configuration, strength is far more important than weight, so you'll find steel and titanium, not aluminum, in the metal components of a landing gear.

Author's Note

Orville Wright once said: "The airplane stays up because it doesn't have the time to fall." After writing this, I would call that an understatement of epic proportions.

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