¿Por qué ha prevalecido el aluminio, en lugar del acero, en la construcción de aviones?

Tienes razón, a primera vista es realmente sorprendente que prevaleciera el aluminio. Viene con algunas desventajas:

• El crecimiento de grietas debe ser lo primero en esta lista. Con solo una pequeña carga cíclica, las grietas en el aluminio crecerán implacablemente. Esto requiere revisiones frecuentes y ha causado muchos accidentes . Afortunadamente para el aluminio, este hecho solo se descubrió después de la Segunda Guerra Mundial, cuando la vida útil de los fuselajes de aluminio se disparó de decenas a miles de horas, por lo que el aluminio ya estaba firmemente establecido como el principal material estructural.
• Para conectar dos partes de aluminio, solo se pueden remachar o atornillar . Recientemente, la vinculación también se ha vuelto viable. El acero ofrece una tercera opción en soldadura, lo que le da la ventaja en la construcción de vehículos. Nuevamente, la historia le dio al aluminio una ventaja, porque cuando se diseñaron los primeros fuselajes de metal, la soldadura aún estaba relativamente poco desarrollada, por lo que la restricción al remachado no se sintió como la desventaja que es.
• Corrosión: aquí es generalmente mejor que el acero, pero mucho peor que el acero inoxidable, que sería el principal candidato (junto a los aceros martensíticos ) para los fuselajes de los aviones si no hubiera aluminio disponible. Durante el Puente Aéreo de Berlín, la sal o el polvo de hornear solo podían transportarse en hidroaviones porque habrían dañado permanentemente los aviones terrestres. Los hidroaviones usaban aleaciones especiales resistentes a la corrosión que se necesitaban en el entorno marino.

Al final, sin embargo, esto todavía se ve superado por la principal ventaja del aluminio: su baja densidad. Esto permite utilizar calibres más gruesos para el mismo peso, por lo que la resistencia al pandeo de los revestimientos de aluminio es mucho mejor que la de los revestimientos de acero igualmente pesados. En la aviación, las demandas de la aerodinámica hacen que el uso de pliegues o costuras de refuerzo sea imposible, y solo la adición de mano de obra intensiva de refuerzos poco espaciados podría remediar esto. Sin embargo, una piel de acero tan rígida seguiría siendo inferior cuando se trata de daños por granizo o manejo de cargas, por lo que el aluminio era la primera opción obvia.

Para mantener bajo el costo del material, Junkers construyó su primer avión de metal con acero, pero tuvo que cambiar a aluminio corrugado para hacerlos lo suficientemente livianos. Tenga en cuenta que la integridad estructural de sus diseños estaba asegurada por una armadura de acero, y solo la cubierta era de aluminio corrugado. Los diseños posteriores de piel estresada eliminaron la armadura de acero.

Para comparar la resistencia y la rigidez de diferentes materiales independientemente de su densidad, puede utilizar su longitud de rotura y módulo específico , que se puede expresar como su longitud de deformación. Sorprendentemente, la mayoría de los metales estructurales tienen un valor comparable y solo los compuestos pueden diferenciarse.

A pesar de sus desagradables características de falla, el aluminio ha defendido su posición como el material estructural dominante: cuando se desarrollaron los compuestos, los ingenieros y las autoridades de certificación habían aprendido a manejar el aluminio y habían creado una barrera de entrada en forma de una serie de pruebas. y técnicas de construcción aprobadas que dañaron severamente los materiales compuestos. Si todos los materiales que conocemos hoy hubieran estado disponibles hace un siglo, los aviones de aluminio se habrían convertido en una rareza, no en la norma.

La buena relación resistencia/peso, la capacidad de fabricación y la resistencia a la corrosión han sido los factores que impulsan el uso de aleaciones de aluminio. Sin embargo, los aceros se utilizan en aplicaciones de alta resistencia, como el tren de aterrizaje. El acero inoxidable se ha utilizado en algunos fuselajes, como el MiG-25, por su mayor límite elástico cuando se calienta.

Realmente se trata de costo/beneficio.

Consideremos dos aviones que se construyeron con acero inoxidable y funcionaron muy bien: el XB-70 y el X15 . Se usó acero inoxidable para resistir el calor del vuelo Mach 3+, lo que debilitaría el aluminio hasta el punto de fallar. En el momento en que se diseñó originalmente el XB70, el titanio no estaba disponible en cantidad suficiente para considerar una producción grande (más de 100 fuselajes).

El X15 logró una velocidad de Mach 6.7, donde la temperatura de la piel sería bastante alta. Sin embargo, era un avión propulsado por cohetes de investigación pura, por lo que no hace un contraste tan apropiado, y esa velocidad se mantuvo solo brevemente.

A principios de la década de 1960, el titanio estaba disponible en cantidad suficiente (aunque utilizando corporaciones fantasma para comprárselo a los soviéticos) para construir el A12/SR71 más pequeño y menos producido. Al igual que el XB-70, fue diseñado para soportar Mach 3+ durante más de una hora y las subsiguientes altas temperaturas superficiales que impiden el uso de aluminio.

La cuestión clave a entender aquí es el vuelo sostenido Mach 3: durante más de una hora. Los interceptores de aluminio, como el MIG25, tienen una breve capacidad de carrera de Mach 3, cinco o diez minutos, donde la temperatura de la piel no aumentará tanto. Después de diez minutos a Mach 3, el MIG25 tiene muy poco combustible y sus motores están arruinados.

Para mantener el peso bajo, el XB70 usó un complejo diseño de panal que es costoso de fabricar, y el avión resultante aún era más pesado que un avión de aluminio de tamaño similar. El XB70 compensó esto mediante el uso de elevación por compresión, literalmente montando su propia onda de choque supersónica, para un vuelo Mach 3 muy eficiente. El A12/SR71 usó la onda de choque en sus motores para lograr un nivel similar de eficiencia.

Tenga en cuenta que el B-58 también usó una construcción de panal para mantener el peso bajo, pero estaba hecho de aluminio, ya que su velocidad de diseño era Mach 2. El Concorde estaba hecho de aluminio, pero navegaba a Mach 2.2. Más allá de esa velocidad, el calor generado por la fricción de la piel aumenta drásticamente, hasta un nivel en el que el aluminio se debilitaría críticamente (y fatalmente).

Presumiblemente, un avión comercial hecho de acero inoxidable también requeriría el complejo diseño de panal para lograr un peso razonablemente eficiente. Todavía no sería tan eficiente como un avión de aluminio. Como la razón principal para no usar aluminio era resistir el calor sostenido de Mach 3, una velocidad que solo el SR71 y el XB70 pueden mantener durante un período de tiempo, el costo adicional del acero alveolar (o titanio) y el mayor peso no es realmente justificado para un avión subsónico.

El XB-70 fue cancelado porque se pensaba que era vulnerable al misil SAM2 que habían desarrollado los soviéticos. Irónicamente, el SR71 demostró que este no era el caso: recibió más de 1000 disparos (incluidos muchos SAM2) y nunca golpeó.

Sí, puedes construir un avión con acero inoxidable. Pero la construcción de panal es costosa y el resultado es menos eficiente que un avión de aluminio. La única razón por la que se usó acero en esos dos aviones fue para soportar temperaturas superficiales muy altas. Podrías construir uno de titanio, y sería aún más caro.

Si bien ha habido fallas en la estructura del avión debido a la fatiga del aluminio, se han desarrollado contramedidas mucho menos costosas y más livianas que pasar al acero inoxidable.

El aluminio tiene un peor comportamiento a la fatiga que el acero, pero tiene dos ventajas importantes: la relación resistencia/peso y la resistencia a la corrosión. En los inicios de la aviación existían algunos aviones fabricados en acero. Algunos de los motores de esa época también tenían bloques de hierro fundido. Pero el peso resultante fue terrible. En cuanto a la resistencia a la corrosión, compruébelo usted mismo: ¡todavía se ven Boeing 727 de 45 años en los aeropuertos con sus fuselajes brillando como nuevos!