Arriostramiento (aeronáutica)

Un armazón cuadrado hecho de barras macizas no es rígido, sino que tiende a doblarse en las esquinas. Reforzarlo con una barra diagonal adicional resultaría pesado. Un alambre sería mucho más ligero, pero solo evitaría que colapsara en una dirección. Para mantenerlo rígido, se necesitan dos alambres de refuerzo transversales. Este método de refuerzo transversal se puede observar claramente en los primeros biplanos, donde las alas y los puntales entre planos forman un rectángulo reforzado con alambres.

Otra forma de disponer una estructura rígida consiste en fabricar travesaños lo suficientemente sólidos como para que actúen a compresión y, a continuación, conectar sus extremos con un rombo exterior que actúe a tensión. Este método era común en los monoplanos, donde el ala y una cabina central o un pilón forman los travesaños, mientras que el arriostramiento de alambre forma el rombo exterior.

El refuerzo con alambre , que se encuentra con mayor frecuencia en biplanos y otros aviones multiplano , también era común en los primeros monoplanos .

A diferencia de los puntales, los cables de refuerzo siempre actúan bajo tensión.

El grosor y el perfil de un cable influyen en la resistencia que genera, especialmente a altas velocidades. Los cables pueden ser de varios hilos, de un solo hilo de alambre de piano o de acero con sección aerodinámica .

Los cables de arriostramiento se dividen principalmente en cables de vuelo, que mantienen las alas hacia abajo durante el vuelo, y cables de aterrizaje , que las mantienen hacia arriba cuando no generan sustentación. (Los cables que conectan una cesta o góndola a un globo también se denominan cables de vuelo). En ocasiones, se colocan cables de incidencia más delgados en diagonal entre los puntales interplanos delanteros y traseros para evitar que el ala se retuerza y ​​cambie su ángulo de incidencia con respecto al fuselaje. ^{[ 1 ]} En algunas aeronaves pioneras, los cables de arriostramiento de las alas también se colocaban en diagonal de adelante hacia atrás para evitar la deformación bajo cargas laterales, como durante los giros. Además de las cargas básicas impuestas por la sustentación y la gravedad, los cables de arriostramiento también deben soportar potentes cargas inerciales generadas durante las maniobras, como la mayor carga sobre los cables de aterrizaje en el momento del contacto con el suelo. ^{[ 2 ]}

El arriostramiento interno fue fundamental en los inicios de la aeronáutica, cuando las estructuras de los aviones eran literalmente armazones, cubiertos, en el mejor de los casos, con tela impregnada , que carecía de resistencia propia. El arriostramiento transversal con alambre se utilizaba ampliamente para rigidizar dichas estructuras, tanto en las alas recubiertas de tela como en el fuselaje, que a menudo se dejaba al descubierto.

Era necesario un aparejo rutinario de los cables para mantener la rigidez estructural frente a la flexión y la torsión. Un problema particular para los cables internos es el acceso en el interior estrecho del fuselaje.

A menudo, proporcionar un refuerzo interno suficiente haría que el diseño resultara demasiado pesado, por lo que, para lograr que la estructura del avión fuera ligera y resistente a la vez, el refuerzo se instalaba externamente. Esto era común en los primeros aviones debido a la limitada potencia de los motores y a la necesidad de reducir el peso para poder volar. A medida que la potencia de los motores aumentó progresivamente durante las décadas de 1920 y 1930, se hicieron viables estructuras mucho más pesadas, y la mayoría de los diseñadores abandonaron el refuerzo externo para permitir una mayor velocidad.

Los puntales interplanos mantienen separadas las alas de un biplano o multiplano, y también ayudan a mantener el ángulo de incidencia correcto para los paneles de las alas conectados.

Puntales paralelos : La configuración más común consiste en dos puntales colocados en paralelo, uno detrás del otro. Estos puntales suelen estar reforzados con cables de incidencia que discurren diagonalmente entre ellos. Estos cables evitan la torsión del ala, lo que afectaría a su ángulo de incidencia con el flujo de aire.

Los puntales en forma de N sustituyen los cables de incidencia por un tercer puntal que discurre en diagonal desde la parte superior de un puntal hasta la parte inferior del otro, formando un par.

Los puntales en V convergen desde puntos de fijación separados en el ala superior hacia un único punto en el ala inferior. Se utilizan con frecuencia en alas sesquiplanas , en las que el ala inferior tiene una cuerda considerablemente menor que el ala superior.

El sistema de puntales en forma de I sustituye el par de puntales habituales por un único puntal aerodinámico más grueso, cuyos extremos se extienden hacia adelante y hacia atrás a lo largo del ala.

La envergadura de un ala entre dos conjuntos de puntales interplanos o de cabina se denomina bahía . Las alas se describen según el número de bahías a cada lado. Por ejemplo, un biplano con puntales de cabina y un conjunto de puntales interplanos a cada lado de la aeronave es un biplano de una sola bahía.

Para un tipo pequeño como un avión de reconocimiento de la Primera Guerra Mundial como el Fokker D.VII , una sola bahía suele ser suficiente. Pero para alas más grandes que transportan mayores cargas útiles, se pueden usar varias bahías. El Curtiss JN-4 Jenny de dos plazas es un biplano de dos bahías, mientras que los tipos grandes y pesados ​​a menudo eran biplanos o triplanos de varias bahías; los primeros ejemplos del Albatros BI alemán y todos los ejemplares de producción de los biplanos de observación desarmados de dos plazas DFW BI de 1914 fueron dos de los poquísimos biplanos monomotor de tres bahías utilizados durante la Primera Guerra Mundial.

Algunas alas de biplanos están reforzadas con puntales inclinados lateralmente, formando las secciones una estructura Warren en zigzag . Algunos ejemplos son la serie Ansaldo SVA de biplanos monomotor de reconocimiento de alta velocidad de la Primera Guerra Mundial y el Fiat CR.42 Falco de principios de la Segunda Guerra Mundial .

También se han utilizado otras variantes. El caza SPAD S.XIII , aunque aparenta ser un biplano de dos alas, en realidad solo tiene una, pero los puntos medios del aparejo están reforzados con puntales adicionales; sin embargo, estos no son estructuralmente continuos desde la parte superior hasta la inferior del ala. El Sopwith 1 + 1 ⁄ 2 Strutter tiene una cabina en forma de W; sin embargo, como no conecta las alas entre sí, no aumenta el número de alas.

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  Puntales paralelos en un Sopwith Camel
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  Puntales en V en un Nieuport 10
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  Puntales N en un Boeing-Stearman Modelo 75
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  Puntales en I en un triplano Fokker Dr.1
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  Puntales de celosía Warren en un Fiat CR42

Cuando un ala de la aeronave se extiende por encima del fuselaje principal, ambos componentes suelen estar conectados por puntales de cabina que parten de la parte superior del fuselaje o de la cabina de la tripulación hasta la sección central del ala. Por lo general, esta ala también se arriostra en otros puntos, formando los puntales de cabina parte del sistema de arriostramiento general.

Debido a que los puntales de cabina suelen transmitir el empuje del motor al ala superior para contrarrestar su resistencia, las cargas a lo largo de cada diagonal entre los puntales delanteros y traseros son desiguales y, a menudo, se configuran como puntales en forma de N. También pueden incorporar cables de torsión transversales para evitar la torsión del ala. Algunos diseños de biplanos, como el caza/escolta británico Bristol Fighter de 1917 , de dos plazas, tenían el fuselaje libre tanto del ala inferior como de la superior, utilizando puntales de cabina ventrales para lograr esta característica de diseño.

En muchos monoplanos primitivos arriostrados con cables , como el Blériot XI y el Fokker Eindecker (ambos con diseño de torsión de alas ), se colocaban sistemas de puntales dorsales y, a veces, ventrales, o caballetes, ya sea encima o encima y debajo del fuselaje. Esto podía utilizarse tanto para proporcionar cierta protección al piloto en caso de vuelco en tierra, como para la fijación de los cables de aterrizaje, que se extendían en forma de V ligeramente inclinada hacia puntos longitudinales cercanos a las puntas de las alas. En los monoplanos de ala parasol, el ala pasa por encima del fuselaje y se une a este mediante puntales de caballete, de forma similar al ala superior de un biplano. ^{[ 4 ]}

En algunos tipos, la caseta se sustituye por un único pilón grueso y aerodinámico.

Un Cessna 152 con un único puntal de sustentación que une el fuselaje al ala de montaje alto.

Un Consolidated PBY Catalina con ala parasol de doble puntal paralelo y pilón central.

En un avión de ala alta, un puntal de sustentación conecta un punto exterior del ala con un punto inferior del fuselaje para formar una estructura triangular rígida. Durante el vuelo, el puntal actúa a tensión para transmitir la sustentación del ala al fuselaje y mantenerla nivelada, mientras que, al aterrizar, actúa a compresión para mantener el ala elevada. ^{[ 5 ]}

Para aeronaves de potencia y velocidad moderadas, los puntales de sustentación representan un compromiso entre la alta resistencia aerodinámica de una estructura totalmente arriostrada y el elevado peso de un ala totalmente en voladizo. Son comunes en aeronaves de ala alta como el Cessna 152 y casi universales en aeronaves de ala parasol como el Consolidated PBY Catalina .

Con menos frecuencia, algunos monoplanos de ala baja, como el Piper Pawnee, han tenido puntales de sustentación montados sobre el ala, que actúan a compresión en vuelo y a tensión en tierra.

A veces, cada ala tiene un solo puntal de sustentación, como en el Cessna 152, pero a menudo vienen en pares, a veces paralelos como en el Catalina, a veces inclinados o en forma de V (por ejemplo, Auster Autocrat ) unidos al fuselaje en un solo punto. Se han utilizado configuraciones mucho más complejas, a menudo con dos puntales de sustentación principales aumentados por interconexiones auxiliares conocidas como puntales de apoyo entre sí o con el ala o el fuselaje. Cada par de puntales en V invertida del Pawnee, por ejemplo, está asistido por un par de puntales de soporte verticales. ^{[ 6 ]}

Desde sus inicios, estos puntales de sustentación se han aerodinámico , a menudo encerrando elementos portantes de metal en carcasas con formas específicas. El Farman F.190 , por ejemplo, tenía sus alas altas unidas al fuselaje inferior mediante tubos paralelos de duraluminio encerrados en carenados aerodinámicos de abeto ^{[ 7 ]} y el Westland Lysander utilizaba vigas extruidas de sección en I de aleación ligera, sobre las que se atornillaban un par de carenados de duraluminio delanteros y traseros. ^{[ 8 ]} Aeronaves posteriores han tenido puntales aerodinámicos formados directamente a partir de metal con forma, como los puntales de aleación ligera extruidos del Auster AOP.9 , ^{[ 9 ]} o de materiales compuestos, por ejemplo, los puntales de sustentación de fibra de carbono del Remos GX eLITE . ^{[ 10 ]} Los diseñadores han adoptado diferentes métodos para mejorar la aerodinámica de las conexiones puntal-ala y puntal-cuerpo, utilizando enfoques similares a los utilizados en los puntales interplanos. A veces, la aerodinámica se estrecha cerca del ala, como en el Farman F.190; ^{[ 7 ]} otros diseños tienen un pie extendido y carenado, por ejemplo el Skyeton K-10 Swift . ^{[ 11 ]}

Los puntales de sustentación a veces se combinan con otras funciones, por ejemplo, para ayudar a sostener los motores como en el Westland IV o el tren de aterrizaje como en el Scottish Aviation Twin Pioneer . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Los puntales de sustentación siguen siendo comunes en aeronaves ligeras de ala alta pequeñas (de 2/4 plazas) en las categorías de ultraligeros y deportivos ligeros . Ejemplos más grandes incluyen el avión Short 360 de 36 pasajeros y el de Havilland Twin Otter de 19 plazas. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Un puntal de elevación puede ser tan largo y delgado que se dobla con demasiada facilidad. Los puntales auxiliares son pequeños puntales secundarios que se utilizan para rigidizarlo. ^{[ 18 ]} Previenen problemas como la vibración resonante y el pandeo bajo cargas de compresión.

Los puntales de refuerzo se presentan en diversas configuraciones. En monoplanos con un solo puntal principal, puede haber un único puntal de refuerzo que conecte el puntal principal con un punto intermedio del ala. Un monoplano arriostrado con puntales en forma de "V", como el Fleet Canuck, puede tener un conjunto complejo de puntales de refuerzo.

La compañía francesa Hurel-Dubois (ahora parte de Safran ) utilizó alas arriostradas de gran relación de aspecto en el demostrador Hurel-Dubois HD.10 en 1948, y posteriormente en los aviones de pasajeros HD.31 /32/34, que el Instituto Geográfico Nacional francés siguió utilizando hasta principios de la década de 1980. Se propuso, sin éxito, un HD.45 propulsado por turborreactor para competir con el Sud Aviation Caravelle , quizás debido a que el turborreactor de alta velocidad no se ajustaba a una estructura de avión más lenta.

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