Avión

Muchas historias de la antigüedad involucran el vuelo, como la leyenda griega de Ícaro y Dédalo , y el Vimana en las antiguas epopeyas indias . Alrededor del año 400 a. C. en Grecia , se dice que Arquitas diseñó y construyó el primer dispositivo volador artificial autopropulsado, un modelo con forma de pájaro impulsado por un chorro de lo que probablemente era vapor, que se dice que voló unos 200 m (660 pies) . ^{[ 15 ] [ 16 ]} Es posible que esta máquina estuviera suspendida para su vuelo. ^{[ 17 ] [ 18 ]}  

Algunos de los primeros intentos registrados con planeadores fueron los del poeta andalusí y de lengua árabe Abbas ibn Firnas , del siglo IX, y el monje inglés Eilmer de Malmesbury , del siglo XI ; ambos experimentos hirieron a sus pilotos. ^{[ 19 ]} Leonardo da Vinci investigó el diseño de las alas de las aves y diseñó una aeronave impulsada por el hombre en su Códice sobre el vuelo de las aves (1502), señalando por primera vez la distinción entre el centro de masa y el centro de presión de las aves en vuelo.

En 1799, George Cayley estableció el concepto del avión moderno como una máquina voladora de ala fija con sistemas separados para sustentación, propulsión y control. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Cayley construía y volaba modelos de aeronaves de ala fija ya en 1803, y construyó un planeador exitoso para el transporte de pasajeros en 1853. ^{[ 6 ]} En 1856, el francés Jean-Marie Le Bris realizó el primer vuelo motorizado, haciendo que su planeador "L'Albatros artificiel" fuera arrastrado por un caballo en una playa. ^{[ 22 ]} Luego, el ruso Alexander F. Mozhaisky también hizo algunos diseños innovadores. En 1883, el estadounidense John J. Montgomery realizó un vuelo controlado en un planeador. ^{[ 23 ]} Otros aviadores que realizaron vuelos similares en ese momento fueron Otto Lilienthal , Percy Pilcher y Octave Chanute .

Sir Hiram Maxim construyó una aeronave de 3,5 toneladas con una envergadura de 34 metros (110 pies ) , propulsada por dos máquinas de vapor de 270 kW (360 caballos de fuerza) que accionaban dos hélices. En 1894, su máquina fue sometida a pruebas con raíles superiores para evitar que se elevara. La prueba demostró que tenía suficiente sustentación para despegar. La aeronave era incontrolable y se presume que Maxim se percató de ello, ya que posteriormente abandonó el proyecto. ^{[ 24 ]}  

Entre 1867 y 1896, el pionero alemán de la aviación humana, Otto Lilienthal, desarrolló el vuelo de aeronaves más pesadas que el aire. Fue la primera persona en realizar vuelos planeados exitosos, repetidos y bien documentados. El trabajo de Lilienthal lo llevó a desarrollar el concepto del ala moderna, ^{[ 25 ] [ 26 ]} sus intentos de vuelo en 1891 se consideran el comienzo del vuelo humano, ^{[ 27 ]} el " Lilienthal Normalsegelapparat " se considera el primer avión de producción en serie y su trabajo inspiró profundamente a los hermanos Wright. ^{[ 28 ]}

En la década de 1890, Lawrence Hargrave investigó estructuras de alas y desarrolló una cometa de caja capaz de levantar el peso de un hombre. Sus diseños de cometas de caja fueron ampliamente adoptados. Si bien también desarrolló un tipo de motor rotativo para aeronaves, no creó ni voló un avión de ala fija motorizado. ^{[ 29 ]}

El francés Clement Ader construyó su primera de tres máquinas voladoras en 1886, la Éole . Tenía un diseño similar al de un murciélago, propulsada por una máquina de vapor ligera de su propia invención, con cuatro cilindros que desarrollaban 20 caballos de fuerza (15 kW ) , que accionaban una hélice de cuatro palas . El motor pesaba no más de 4 kilogramos por kilovatio (6,6 lb/hp) . Las alas tenían una envergadura de 14 m (46 pies) . El peso total era de 300 kilogramos (660 lb) . El 9 de octubre de 1890, Ader intentó volar la Éole . Los historiadores de la aviación atribuyen este intento a un despegue propulsado y un salto incontrolado de aproximadamente 50 m (160 pies) a una altura de aproximadamente 200 mm (7,9 pulgadas) . ^{[ 30 ] [ 31 ]} No se documentó que las dos máquinas posteriores de Ader lograran volar. ^{[ 32 ]}         

Los vuelos de los hermanos Wright en 1903 son reconocidos por la Federación Aeronáutica Internacional (FAI), organismo que establece los estándares y registra los récords de la aeronáutica , como «el primer vuelo sostenido y controlado de una aeronave más pesada que el aire». ^{[ 5 ]} Para 1905, el Wright Flyer III era capaz de realizar vuelos estables y totalmente controlables durante periodos considerables. Los hermanos Wright reconocieron a Otto Lilienthal como una importante fuente de inspiración para su decisión de emprender el vuelo tripulado.

En 1906, el brasileño Alberto Santos-Dumont realizó lo que se consideró el primer vuelo en avión sin asistencia de catapulta ^{[ 33 ]} y estableció el primer récord mundial reconocido por el Aéro-Club de France al volar 220 metros (720 pies) en menos de 22 segundos. ^{[ 34 ]} Este vuelo también fue certificado por la FAI. ^{[ 35 ] [ 36 ]} 

Un diseño de aeronave temprana que combinó la configuración moderna de tractor monoplano fue el Blériot VIII de 1908. Contaba con superficies de cola móviles que controlaban tanto la guiñada como el cabeceo, y un control de alabeo mediante torsión de las alas o alerones, controlado por el piloto con una palanca de mando y un timón. Fue un importante precursor del posterior Blériot XI , su aeronave para cruzar el Canal de la Mancha en el verano de 1909. ^{[ 37 ]}

La Primera Guerra Mundial sirvió como banco de pruebas para el uso del avión como arma. Los aviones demostraron su potencial como plataformas de observación móviles y, posteriormente, se consolidaron como máquinas de guerra capaces de infligir bajas al enemigo. La primera victoria aérea conocida con un avión de combate armado con ametralladoras sincronizadas tuvo lugar en 1915, a manos del teniente Kurt Wintgens de la Fuerza Aérea Alemana (Luftstreitkräfte ). Surgieron ases de la aviación ; el más destacado (por número de victorias en combate aéreo) fue Manfred von Richthofen , también conocido como el Barón Rojo.

Tras la Primera Guerra Mundial, la tecnología aeronáutica continuó desarrollándose. Alcock y Brown cruzaron el Atlántico sin escalas por primera vez en 1919. Los primeros vuelos comerciales internacionales tuvieron lugar entre Estados Unidos y Canadá en 1919. ^{[ 38 ]}

Los aviones estuvieron presentes en todas las grandes batallas de la Segunda Guerra Mundial . Fueron un componente esencial de las estrategias militares de la época, como la Blitzkrieg alemana , la Batalla de Inglaterra y las campañas de portaaviones estadounidenses y japonesas en la Guerra del Pacífico .

El primer avión a reacción práctico fue el Heinkel He 178 alemán , que se probó en 1939. En 1943, el Messerschmitt Me 262 , el primer avión de caza a reacción operativo, entró en servicio en la Luftwaffe alemana .

El primer avión de pasajeros a reacción , el de Havilland Comet , se presentó en 1952. El Boeing 707 , el primer avión comercial a reacción de gran éxito, estuvo en servicio comercial durante más de 50 años, desde 1958 hasta 2010. El Boeing 747 fue el avión de pasajeros más grande del mundo desde 1970 hasta que fue superado por el Airbus A380 en 2005.

Los vuelos de aviones supersónicos , incluidos los del Concorde , se han limitado a vuelos sobre el agua a velocidad supersónica debido a su estampido sónico , que está prohibido sobre la mayoría de las zonas terrestres pobladas. El alto coste operativo por pasajero-milla y un accidente mortal en el año 2000 llevaron a los operadores del Concorde a retirarlo del servicio. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Una hélice de avión , o tornillo de aire , convierte el movimiento rotatorio de un motor u otra fuente de energía en una corriente de aire que la impulsa hacia adelante o hacia atrás. Consta de un cubo giratorio accionado por potencia, al que se fijan dos o más palas radiales de sección aerodinámica , de modo que todo el conjunto gira alrededor de un eje longitudinal. ^{[ 41 ]} Tres tipos de motores de aviación utilizados para impulsar las hélices son los motores alternativos (o de pistón), las turbinas de gas y los motores eléctricos . La cantidad de empuje que crea una hélice está determinada, en parte, por su área de disco, es decir, el área a través de la cual giran las palas. La limitación de la velocidad de las palas es la velocidad del sonido ; cuando la punta de la pala supera la velocidad del sonido, las ondas de choque disminuyen la eficiencia de la hélice. Las rpm necesarias para generar una velocidad de punta determinada son inversamente proporcionales al diámetro de la hélice. El límite superior de velocidad de diseño para aeronaves propulsadas por hélice es Mach 0,6. Las aeronaves diseñadas para ir más rápido que eso emplean motores a reacción. ^{[ 42 ]}

Motor eléctrico

Una aeronave eléctrica funciona con motores eléctricos que reciben electricidad de pilas de combustible , células solares , ultracondensadores , transmisión de energía [ ^{43 ] o} baterías . Actualmente, las aeronaves eléctricas voladoras son en su mayoría prototipos experimentales, incluyendo vehículos aéreos tripulados y no tripulados , pero existen algunos modelos de producción en el mercado. ^{[ 44 ]}

Los aviones a reacción se propulsan mediante motores a reacción , que se utilizan porque las limitaciones aerodinámicas de las hélices no se aplican a la propulsión a reacción. Estos motores son mucho más potentes que un motor de pistón para un tamaño o peso dados, son relativamente silenciosos y funcionan bien a mayor altitud. Entre las variantes del motor a reacción se encuentran el estatorreactor y el estatorreactor supersónico , que dependen de la alta velocidad del aire y la geometría de la entrada para comprimir el aire de combustión antes de la introducción e ignición del combustible. Los motores cohete proporcionan empuje mediante la combustión de un combustible con un oxidante y la expulsión de gases a través de una tobera.

Ramjet

Un estatorreactor es un tipo de motor a reacción que no contiene partes móviles importantes y puede ser particularmente útil en aplicaciones que requieren un motor pequeño y simple para uso a alta velocidad, como en misiles. Los estatorreactores requieren movimiento hacia adelante antes de poder generar empuje, por lo que a menudo se utilizan junto con otras formas de propulsión o con un medio externo para alcanzar la velocidad suficiente. El Lockheed D-21 era un dron de reconocimiento propulsado por un estatorreactor que alcanzaba Mach 3+ y se lanzaba desde una aeronave nodriza . Un estatorreactor utiliza el movimiento hacia adelante del vehículo para forzar el paso del aire a través del motor sin recurrir a turbinas ni álabes. Se añade combustible y se enciende, lo que calienta y expande el aire para proporcionar empuje. ^{[ 47 ]}

Cohete

Mientras que los aviones a reacción utilizan la atmósfera tanto como fuente de oxidante como de masa para acelerar reactivamente detrás de la aeronave, los aviones cohete transportan el oxidante a bordo y aceleran el combustible quemado y el oxidante hacia atrás como única fuente de masa para la reacción. El combustible líquido y el oxidante pueden bombearse a una cámara de combustión o un combustible sólido con oxidante puede quemarse en la cámara de combustible. Ya sea con combustible líquido o sólido, el gas caliente se acelera a través de una boquilla. ^{[ 49 ]}

En la Segunda Guerra Mundial , los alemanes desplegaron el avión propulsado por cohetes Me 163 Komet . El primer avión en romper la barrera del sonido en vuelo horizontal fue un avión cohete: el Bell X-1 en 1948. El North American X-15 rompió muchos récords de velocidad y altitud en la década de 1960 y fue pionero en conceptos de ingeniería para aeronaves y naves espaciales posteriores. Los aviones de transporte militar pueden emplear despegues asistidos por cohetes para situaciones de pista corta. Por otro lado, los aviones cohete incluyen aviones espaciales , como SpaceShipTwo , para viajes más allá de la atmósfera terrestre y aeronaves deportivas desarrolladas para la efímera Rocket Racing League .

Las partes estructurales de un avión de ala fija se denominan fuselaje. Las partes presentes pueden variar según el tipo y el propósito de la aeronave. Los primeros modelos solían ser de madera con superficies alares de tela. Cuando los motores estuvieron disponibles para el vuelo motorizado hace aproximadamente cien años, sus soportes se fabricaron de metal. Posteriormente, a medida que aumentaban las velocidades, cada vez más piezas se volvieron metálicas, hasta que, al final de la Segunda Guerra Mundial, los aviones totalmente metálicos eran comunes. En la actualidad, se ha incrementado el uso de materiales compuestos .

Las partes estructurales típicas incluyen:

• Una o más alas horizontales de gran tamaño , a menudo con una sección transversal aerodinámica . El ala desvía el aire hacia abajo a medida que la aeronave avanza, generando sustentación para mantenerla en vuelo. El ala también proporciona estabilidad en el alabeo , evitando que la aeronave se incline hacia la izquierda o la derecha en vuelo estable.

• El fuselaje es un cuerpo largo y delgado, generalmente con extremos cónicos o redondeados para lograr una forma aerodinámicamente suave. El fuselaje une las demás partes de la estructura del avión y suele contener elementos importantes como el piloto, la carga útil y los sistemas de vuelo.
• Un estabilizador vertical o aleta es una superficie vertical con forma de ala montada en la parte trasera del avión y que generalmente sobresale por encima de él. La aleta estabiliza el giro del avión (giro a la izquierda o a la derecha) y sirve de soporte para el timón , que controla su rotación sobre ese eje.
• Un estabilizador horizontal o plano de cola , generalmente montado en la cola cerca del estabilizador vertical. El estabilizador horizontal se utiliza para estabilizar el cabeceo del avión (inclinación hacia arriba o hacia abajo) y soporta los elevadores , que proporcionan el control de cabeceo.
• El tren de aterrizaje es un conjunto de ruedas, patines o flotadores que sostienen el avión mientras está en la superficie. En los hidroaviones, la parte inferior del fuselaje o los flotadores (pontones) lo sostienen en el agua. En algunos aviones, el tren de aterrizaje se retrae durante el vuelo para reducir la resistencia aerodinámica.

Las alas de un avión de ala fija son planos estáticos que se extienden a ambos lados de la aeronave. Cuando el avión avanza, el aire fluye sobre las alas, cuya forma está diseñada para generar sustentación. Esta forma se denomina perfil aerodinámico y se asemeja al ala de un pájaro.

Configuración de alas

El número y la forma de las alas varían considerablemente según el tipo de aeronave. Un avión de ala fija puede tener una envergadura completa o estar dividido por un fuselaje central en alas izquierda (babor) y derecha (estribor). En ocasiones, se han utilizado incluso más alas, como el triplano de tres alas, que alcanzó cierta fama en la Primera Guerra Mundial. El cuadriplano de cuatro alas y otros diseños multiplano han tenido escaso éxito.

Un monoplano tiene una sola ala, un biplano tiene dos apiladas una encima de la otra, y un biplano tiene dos alas colocadas una detrás de la otra. Cuando la potencia de los motores aumentó durante las décadas de 1920 y 1930 y ya no se necesitaban refuerzos, el monoplano sin refuerzos o en voladizo se convirtió en el tipo de avión motorizado más común.

La planta del ala es la forma que adquiere al ser vista desde arriba. Para ser aerodinámicamente eficiente, un ala debe ser recta, con una gran envergadura, pero con una cuerda corta (alta relación de aspecto ). Sin embargo, para ser estructuralmente eficiente y, por lo tanto, ligera, un ala debe tener una envergadura corta, pero con suficiente superficie para generar sustentación (baja relación de aspecto).

A velocidades transónicas (cercanas a la velocidad del sonido), resulta útil inclinar el ala hacia atrás o hacia adelante para reducir la resistencia aerodinámica generada por las ondas de choque supersónicas a medida que comienzan a formarse. Un ala inclinada es simplemente un ala recta inclinada hacia atrás o hacia adelante.

El ala delta tiene forma triangular y puede utilizarse por diversas razones. Como ala Rogallo flexible , permite una forma estable bajo fuerzas aerodinámicas, por lo que se usa frecuentemente en aeronaves ultraligeras e incluso cometas . Como ala supersónica, combina alta resistencia con baja resistencia aerodinámica, por lo que se usa a menudo en aviones a reacción de alta velocidad.

Un ala de geometría variable puede modificarse en vuelo para adoptar una forma diferente. El ala de flecha variable se transforma entre una configuración recta eficiente para el despegue y el aterrizaje, y una configuración de flecha de baja resistencia para vuelos a alta velocidad. Se han probado otras formas de ala de geometría variable, pero ninguna ha superado la fase de investigación.

El fuselaje es una estructura larga y delgada, generalmente con extremos cónicos o redondeados para lograr una forma aerodinámicamente suave. Puede albergar a la tripulación , pasajeros, carga , combustible y motores. Los pilotos operan las aeronaves tripuladas desde una cabina ubicada en la parte delantera o superior del fuselaje, equipada con controles y, por lo general, ventanas e instrumentos. Un avión puede tener más de un fuselaje o estar equipado con brazos de cola entre ellos, lo que permite que la parte trasera del fuselaje se utilice para diversos fines.

El ala clásica de perfil aerodinámico es inestable en vuelo y difícil de controlar. Las alas flexibles suelen depender de un cable de anclaje o del peso del piloto que cuelga debajo para mantener la actitud correcta. Algunos modelos de vuelo libre utilizan un perfil aerodinámico adaptado que proporciona estabilidad, u otros mecanismos ingeniosos, como, más recientemente, la estabilización artificial electrónica.

Para lograr estabilidad y control, la mayoría de las aeronaves de ala fija cuentan con un empenaje compuesto por una aleta y un timón de dirección que actúan horizontalmente, y un plano de cola y un elevador que actúan verticalmente. Estas superficies de control suelen poder ajustarse para reducir las fuerzas de control en las distintas fases del vuelo. Esta configuración es tan común que se conoce como la configuración convencional. En ocasiones, puede haber dos o más aletas, espaciadas a lo largo del plano de cola.

Algunos tipos tienen un plano delantero horizontal tipo " canard " delante del ala principal, en lugar de detrás de ella. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} Este plano delantero puede contribuir a la sustentación, el trimado o el control de la aeronave, o a varios de estos.

Los aviones cuentan con sistemas de control de vuelo complejos . Los controles principales permiten al piloto dirigir la aeronave en el aire controlando la actitud (balanceo, cabeceo y guiñada) y el empuje del motor.

En las aeronaves tripuladas, los instrumentos de la cabina proporcionan información a los pilotos, incluidos datos de vuelo , potencia del motor , navegación, comunicaciones y otros sistemas de la aeronave que puedan estar instalados.