‘Aeronáutica’

Materiales en la Fórmula 1: La evolución en la seguridad de los cascos de los pilotos

Por María Jesús Pérez (Universidad Politécnica de Madrid)

La evolución de las medidas de seguridad en competiciones automovilísticas como la F1 han provocado que hoy los cascos de los pilotos deban reunir tres cualidades difíciles de combinar: ligereza, resistencia y aerodinámica.; aunque no siempre fue así…
En los primeros días de carreras de Fórmula Uno, lo importante era la velocidad y no la seguridad, de hecho, en 1950 muchos pilotos ni siquiera usaban casco y algunos usaban gorros de cuero que sencillamente protegían del viento.

Juan Manuel Fangio con un pasamontañas

En 1960 se desarrolló el casco de cartón prensado. Eran muy incómodos para los pilotos, por lo que muchos ni lo usaban ya que no era obligatorio según la FIA.
El primer casco integral de fibra de vidrio no apareció hasta 1968. Pesaba casi tres kilos pero era mucho más efectivo que sus predecesores.
Poco a poco, se fue reduciendo el peso y el tamaño, ajustándose más a la cabeza del piloto. Lamentablemente, tuvo que ocurrir una tragedia para que la evolución en componentes de seguridad en este tipo de deportes apareciese. En el Gran Premio de Sudáfrica de 1977, el monoplaza de Tom Price golpeó a un bombero que cruzaba la pista en ese momento. El extintor del comisario de pista golpeó la cabeza de Pryce y causó la muerte instantánea del piloto.
A partir de este momento, los ingenieros se preocuparon más aún de mejorar el equilibrio seguridad-peso. De esta manera, en 1980 nació el Tricomp (aleación de fibra de carbono, fibra de vidrio y diversos polímeros) que cubría el exterior del casco proporcionándole mayor resistencia.
A mitad de los ’80, comenzaron las investigaciones aerodinámicas de los cascos en el túnel de viento (hoy en día, el casco presenta una parte importante del coche en cuanto a aerodinámica se refiere).
Con el avance de los años, los monoplazas mejoraban en rendimiento a la vez que sucesivos accidentes, algunos de ellos mortales (Peterson, Villeneuve, Senna…), hacían una llamada a una mejora sustancial en la seguridad del piloto.
A partir del año 2000, la seguridad en los cascos se complementó con la llegada del moderno sistema HANS (Head And Neck Support). El HANS tiene por objeto evitar las lesiones cervicales provocadas por “efecto látigo” cuando se produce una colisión a altas velocidades. Su inventor fue Robert Hubbard, un profesor de biomédica de la Universidad de Michigan. El HANS está fabricado con Kevlar y se engancha al respaldo del asiento del piloto y a su casco con resistentes ganchos. En la fórmula 1 su uso se hizo obligatorio a partir de 2003.

Head And Neck Support Device

Actualmente, el casco de F1 se fabrica a medida del piloto. Es una pieza de 1200 gramos formada por 18 capas de fibra de carbono que puede soportar el peso de un tanque de 55 toneladas sin deformarse. La estructura exterior puede resistir una temperatura de 800ºC durante 30 segundos sin que en el interior se superen los 70ºC. La estructura interior se elabora de forma artesanal a imagen y semejanza de los moldes en tres dimensiones de los pilotos.
Además, desde esta temporada, la estructura de los cascos lleva una tira de Zylon (polímero sintético) en la visera que mejora las debilidades detectadas en la fibra de carbono tras el accidente sufrido por Massa en el GP de Hungría en 2009 (un muelle desprendido del coche de Barrichello golpeó el casco de Massa a 270 km/h). El carbono es una de las fibras más sólidas, pero tiene el gran inconveniente de que a la vez que detiene un fuerte impacto, conduce muy fuertemente la energía hacia el interior. Sin embargo, el Zylon es una fibra blanda que tiene la capacidad de absorber la energía liberada en un impacto, deformándose ligeramente pero sin fracturarse.
La tira de Zylon, superpuesta en la visera de policarbonato, permite una protección extra pero sin limitar la visión del piloto. Este material también es utilizado en la fabricación de chalecos antibala, y en la F1 las cabinas de todos los coches van revestidos con él.

 

Casco reforzado con Zylon en la visera

La introducción del Zylon en los cascos de los pilotos es sólo la primera fase de mejoras previstas para la seguridad. El instituto de la FIA y los fabricantes de cascos están investigando el uso de materiales de alto rendimiento óptico (cerámica transparente) como el material principal para fabricar la visera.

Más información:
http://www.formula1.com/news/features/2011/3/11880.html
http://eduardojosecar.blogspot.com/2011/10/nuevas-viseras-en-los-cascos.html

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Sin un rasguño

Por Álvaro Ridruejo (Universidad Politécnica de Madrid)

 

Los diseñadores de aeronaves pueden aprender ciertas lecciones de los escorpiones

El escorpión desértico del norte de áfrica, Androctonus australis, es una criatura resistente. La mayoría de los animales que viven en desiertos cavan madrigueras para protegerse del viento cargado de arena. El Androctonus no, soporta todo en la superficie. Incluso cuando la arena azota con velocidades a las que arrancaría pintura de una placa de acero, el escorpión es capaz de moverse rápidamente sin sufrir daño aparente. Han Zhiwu y sus colegas de la Universidad de Jilin en China se preguntaban por qué.

Su curiosidad no es meramente académica. Los motores de aviación y los rotores de los helicópteros están continuamente sometidos a la abrasión del polvo atmosférico, y cualquier método encaminado a disminuir la abrasión resulta muy apreciado. El Dr. Han sospecha que los escorpiones podrían proporcionar una respuesta. Según escribe en la revista Langmuir, ha descubierto que la superficie del exoesqueleto del Androctonus es irregular. Si esta irregularidad en la superficie se traslada a otros materiales, también parece tener un efecto protector.

Las investigaciones del Dr. Han comenzaron con un recorrido en busca de escorpiones por las tiendas de animales de Changchun, ciudad donde se encuentra la universidad. Después de haber obtenido sus especímenes, los fotografió con un microscopio bajo luz ultravioleta. La luz ultravioleta provoca fluorescencia en el exoesqueleto del animal, compuesto de un polisacárido llamado quitina, y revela las características de su superficie. El equipo averiguó que la coraza del Androctonus está cubierta de gránulos hemisféricos de 10 micras de altura y entre 25 y 80 micras de diámetro. Estos gránulos parecían ser la clave de la despreocupación del animal frente a las tormentas de arena.

Para comprobarlo, tomaron más fotografías. En particular, usaron un sistema de barrido láser para componer un mapa tridimensional de la coraza y acoplarlo a un programa que simulaba el impacto de los granos de arena a distintos ángulos de ataque. Esto reveló que los gránulos alteraban el flujo de aire cerca de la superficie del exoesqueleto de tal modo que el ritmo de erosión parecía reducirse. El modelo también predecía que si el exoesqueleto fuera completamente liso, sufriría una velocidad de erosión doble a la que se da en la realidad.

Después de las simulaciones por ordenador, el equipo procedió a la verificación experimental. Colocaron muestras de acero en un túnel de viento y lanzaron granos de arena contra ellas utilizando aire comprimido. Una de las piezas de acero era lisa, mientras que el resto, inspiradas en el exoesqueleto del escorpión, tenían grabadas en su superficie estrías de distintas altura, anchura y separación. Se expuso cada muestra a la tormenta de arena artificial durante cinco minutos y después se pesaron para medir el grado de erosión.

El resultado fue que el patrón más parecido al exoesqueleto del escorpión (a escala, con estrías separadas 2 mm y un tamaño de 5 mm de anchura y 4 mm de altura) demostró ser el que mejor resistía el ataque. Aunque no es tan buena como la predicción del modelo de ordenador para la geometría real del escorpión, esta rugosidad reduce la erosión en un 20% en comparación con la superficie de acero lisa. Según el Dr. Han, la lección para los constructores aeronáuticos es que cierta irregularidad en la superficie podría contribuir a alargar la vida de aviones y helicópteros, al igual que lo hace con la de los escorpiones.

Esta entrada es una traducción de la noticia aparecida en “The Economist” (04/02/2012): http://www.economist.com/node/21545971

Artículo original: Han Zhiwu, Zhang Junqiu, Ge Chao, Wen Li, and Luquan Ren. Erosion Resistance of Bionic Functional Surfaces Inspired from Desert Scorpions. Langmuir, 2012, 28 (5), pp 2914–2921

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Materiales Compuestos en aeronáutica

Por Álvaro Ridruejo , Dr. Ing. de Materiales (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

En esta entrada del blog, vamos a presentar dos aplicaciones en las que la utilización de materiales compuestos supone una importante ventaja.

1) Palas del rotor de un helicóptero

Las palas del rotor de un helicóptero se comportan como pequeñas alas que producen el empuje vertical que la aeronave necesita para volar. Desde el punto de vista del diseño, lo que necesitamos es un material que se deforme poco (suficientemente rígido) y que tenga el menor peso posible. Los materiales compuestos se han venido utilizando en el diseño de palas de rotor desde los años 60.
Las palas de helicóptero presentan un problema muy particular derivado de la combinación de los movimientos de rotación de las propias palas y hacia adelante de la aeronave: puesto que la velocidad de avance del helicóptero puede alcanzar 100 m/s y la velocidad lineal de la punta de la pala en su giro a menudo supera ligeramente los 200 m/s, la velocidad con la que la pala atraviesa el aire en la fase de avance del giro es sustancialmente mayor que la velocidad en la fase de retroceso (300 contra 100 m/s). Si el ángulo de ataque de las palas se mantuviera constante durante el giro, entonces el empuje vertical sería muy distinto en ambos lados del helicóptero y este se desestabilizaría gravemente.

Este efecto, detectado y solucionado por primera vez por el ingeniero español Juan de la Cierva, se puede compensar modificando el ángulo de ataque durante cada giro. Otras modificaciones del ángulo de ataque se utilizan para cambiar de dirección cuando el aparato maniobra.

Es por tanto de suma importancia que las palas tengan una alta rigidez a torsión para que puedan responder fiel y rápidamente a los cambios de ángulo de ataque impuestos por la base del rotor.

Del mismo modo, la rigidez a flexión también debe ser elevada para que la punta del ala no se retrase respecto de su base y para que las palas no se curven hacia arriba por efecto del peso del helicóptero. En la figura puede apreciarse un croquis de una sección de pala.

Las fibras de carbono orientadas a ± 45° respecto del eje de la pala le confieren la rigidez a torsión, mientras que la rigidez a flexión viene dada por las fibras de carbono y vidrio paralelas al eje. Esta configuración también proporciona a la pala una excelente resistencia a la fatiga, con lo que la vida de la pala alcanza las 10.000 horas.

2) Frenos de avión

Los frenos de un avión necesitan un conjunto tremendamente exigente de propiedades, que podemos citar a continuación:
 Buena estabilidad térmica y resistencia al choque térmico
 Baja densidad
 Buena resistencia a alta temperatura
 Alta capacidad térmica
 Alta conductividad del calor
 Buenas características de fricción
 Buena resistencia al desgaste

 

Freno de avión con pastillas de Carbono. Imagen de boeing.com

Durante un aterrizaje de emergencia o un despegue abortado (cuando el avión ya tiene una considerable velocidad en pista), los frenos deben absorber una enorme cantidad de energía sin desintegrarse ni agarrotarse. El diseño típico de un freno de aviación se basa en una serie de discos giratorios intercalados entre otros discos fijos. Cuando se accionan los frenos, el rozamiento entre los discos puede elevar la temperatura de los mismos hasta una media de 1500 °C, con picos de hasta 3000 °C en su superficie. Por esta razón, el material del disco debe tener una gran resistencia mecánica a alta temperatura y una excelente resistencia al choque térmico (capacidad de resistir elevadas diferencias de temperatura sin dañarse). Una buena conductividad térmica es básica para evitar el sobrecalentamiento de las superficies del disco. El carbono tiene una buena conductividad y estabilidad a alta temperatura (sus dimensiones cambian poco con la temperatura).

El carbono en forma de grafito sólido es un candidato, mucho más barato que un material compuesto de carbono/carbono (matriz y refuerzo de carbono), pero la resistencia y tenacidad del material compuesto son claramente superiores. Los discos se fabrican infiltrando fibras de carbono con una brea o una resina polimérica, calentando el conjunto a 1000 °C en ausencia de oxígeno para eliminar impurezas e ir dejando un esqueleto de carbono. El proceso se repite varias veces hasta alcanzar la densidad deseada y finalmente se calienta hasta unos 2500 °C para completar la grafitización.

El peso de los frenos es un asunto muy relevante. Un avión de pasajeros normalmente lleva ocho frenos. Con un diseño convencional (discos de acero y discos de un material friccional), el conjunto alcanza un peso de más de 1000 kg, mientras que un conjunto de frenos de carbono/carbono pesa algo menos de 700 kg. Este ahorro de peso es equivalente a cuatro pasajeros, y a la larga significa un importante ahorro de combustible.

La tecnología de frenos de carbono se introdujo en primer lugar en aviones de combate y en el Concorde, pero en la actualidad está presente en la mayoría de modelos de Boeing y Airbus.

La principal limitación que afecta a este material cuando se expone durante tiempos más prolongados a alta temperatura es su poca resistencia a la oxidación, aunque ya existen recubrimientos que evitan en gran medida este problema.

Fuente: D. Hull & T. W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, 2nd Edition, 1996.

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