Es bastante sorprendente que los aviones puedan volar. Pero vencer a la gravedad y conseguir que los aviones se deslicen por los cielos no es suficiente. ¿Cómo conseguimos que estos enormes bultos de metal se muevan a tan alta velocidad para volver a un estado de reposo? Esta fue la pregunta exacta con la que se enfrentaron los primeros diseñadores del avión. Aunque la mayoría de los primeros aviones no tenían sistemas de frenado, el enfoque para lograr esta tarea ha cambiado significativamente a lo largo de los años.
En comparación con los frenos de su automóvil, los frenos de avión son más complejos y vienen en una forma mucho más pesada. Hoy en día, los aviones están equipados con diferentes sistemas de frenado, incluidos frenos de disco, frenos de aire, inversores de empuje y otros tipos de mejoras en el sistema de frenos. Sin embargo, en general, estos frenos se pueden clasificar en dos grupos: frenos de aire y frenos de aterrizaje.
En esencia, los frenos de aire se utilizan para reducir la velocidad de la aeronave en el aire. Esta es la razón por la que también se llaman frenos de velocidad. Los frenos de aire desaceleran el avión al abrirse de una manera que aumenta la resistencia sin afectar significativamente la elevación. También se pueden usar a veces para aumentar el ángulo de aproximación del avión en el proceso de aterrizaje.
Por el contrario, los frenos de aterrizaje incluyen todos los diferentes frenos involucrados en la reducción de la velocidad del avión cuando se acerca al suelo y en el suelo. Debido a que los frenos de aterrizaje necesitan que el avión descanse, tienen que reducir la elevación y aumentar la resistencia. Los frenos de disco son los componentes principales del sistema de frenos de aterrizaje. Por lo tanto, serán el foco principal de muchas secciones de este artículo.
Tabla de Contenidos
Historia de los frenos de avión
Los primeros aviones que fueron diseñados no incluían ningún sistema de frenos. Entonces surge la pregunta evidente. Si estos aviones no tenían frenos, ¿cómo aterrizaron?
Curiosamente, los pilotos tuvieron que depender de otros factores. En lugar de los frenos, dependían de la baja velocidad de la aeronave, las superficies blandas del aeródromo y la fricción. Pero estos ya no podían ser suficientes a medida que aumentaba el peso y el tamaño de los aviones y las tecnologías de aviación mejoraban a lo largo de los años.
Después de la Primera Guerra Mundial, los primeros sistemas de frenos fueron diseñados para su uso en aviones. El primer tipo de frenos utilizados en un avión es el paracaídas drogue. Un paracaídas drogue es un paracaídas unido a la parte trasera de un avión que se despliega justo antes de aterrizar para ralentizar el avión. El paracaídas drogue fue inventado en 1912 por un Gleb Kotelnikov ruso. Pero no entraron en pleno uso en la aviación hasta 1937.
Otro tipo de frenos de avión que recibieron admisión temprana en aviones comunes son los sistemas de frenos de aire. Sin embargo, en ese momento, eran en su mayoría en forma de aletas simples controladas manualmente por una palanca en la cabina. Siguiendo de cerca los frenos de disco.
Los frenos de disco se desarrollaron por primera vez en Inglaterra en la década de 1890, pero se utilizaron anteriormente solo en automóviles y trenes de pasajeros. No fue hasta justo antes de la Segunda Guerra Mundial que los frenos de disco se utilizaron por primera vez en la aviación. Desde entonces, los sistemas de frenos de avión se han desarrollado desde los frenos de acero de discos múltiples hasta los sistemas de frenos eléctricos más avanzados.
Tipos de frenos de avión
En la aviación actual, la mayoría de los aviones utilizan principalmente frenos de disco. Normalmente, en un sistema de freno de disco, un disco gira junto con el conjunto de la rueda giratoria. Cuando se aplican los frenos, una pinza estacionaria resiste el movimiento de rotación de este disco al causar fricción contra el disco. La complejidad y el diseño de un sistema de frenos de disco a menudo depende del peso, el tamaño y la velocidad de aterrizaje de la aeronave. Los tipos más comunes de frenos de disco utilizados en aviones son frenos de disco simples, dobles y múltiples.
Frenos de disco único
Un solo disco suele ser suficiente para frenar de manera efectiva un avión pequeño y ligero. Este disco está clavado o atornillado a cada una de las ruedas de la aeronave. Para frenar el avión, la fricción se aplica a ambos lados del disco utilizando una pinza no giratoria unida a la brida del tren de aterrizaje. El movimiento de la pinza se inicia con pistones en su interior. Estos pistones, bajo presión hidráulica, fuerzan las pastillas o forros de freno contra el disco giratorio cuando se aplica el freno.
Los frenos de disco único pueden ser frenos de disco flotantes o frenos de disco fijos. La principal diferencia entre los frenos de disco fijos y flotantes es que cuando se empuja una pastilla de freno en un freno de disco flotante, la pinza se mueve de tal manera que la pastilla opuesta toca el disco. Sin embargo, en los frenos de disco fijos, los pistones en ambos lados del disco se mueven simultáneamente para empujar las pastillas contra el disco.
Frenos de disco dobles
En aviones más grandes, los frenos de disco único no pueden producir una cantidad suficiente de fricción de frenado que se necesita para detener o ralentizar el avión. Los frenos de disco duales se utilizan a menudo en estos aviones. En los frenos de disco doble, se clavan dos discos a la rueda en lugar de uno. Hay un soporte central con revestimientos a cada lado ubicados entre los dos discos. Cada vez que se aplican los frenos, estos forros entran en contacto con cada uno de los discos.
Frenos de Disco múltiples
Freno de disco múltiple
Los aviones más grandes y pesados requieren el uso de frenos de disco múltiples. Estos tipos de frenos se construyen para propósitos de servicio pesado. Se utilizan con piezas de máquinas como válvulas de control de freno de potencia o cilindros maestros de refuerzo de potencia.
Los frenos de disco múltiple utilizan un soporte de rodamiento extendido que se asemeja a una unidad de tipo tubo de torsión. Este soporte está atornillado a la brida del eje y proporciona soporte para las diferentes piezas de freno. Estas piezas incluyen el cilindro anular y el pistón, una alternancia de discos de acero y cobre o bronce, una placa posterior y un retenedor de placa negra.
El soporte del rodamiento se conecta a los estatores, que están hechos de acero, mientras que la rueda giratoria tiene discos chapados en cobre o bronce que están clavados en él. Todo el conjunto de estatores y rotores se comprime cuando se aplica presión hidráulica al pistón. El resultado final es la producción de una gran cantidad de calor y fricción que a su vez reduce la velocidad de rotación de la rueda.
Frenos de aire e Inversores de empuje
Aparte de los frenos de disco, otros tipos comunes de frenos de avión incluyen frenos de aire e inversores de empuje. Como se mencionó anteriormente, los frenos de aire se utilizan para aumentar la resistencia que actúa en un avión en el aire. Al aumentar la resistencia, los frenos de aire se utilizan para reducir la velocidad del avión. Los tipos más comunes de frenos de aire son los volquetes elevadores y las aletas.
Los volquetes elevadores
Los inversores de empuje desaceleran el avión desviando temporalmente el empuje generado por el motor de la aeronave para que se oponga al viaje hacia adelante de la aeronave. Los inversores de empuje se utilizan a menudo cuando el avión ya está en el suelo. Ayudan a reducir el desgaste de los frenos y acortan la distancia de aterrizaje.
Inversor de Empuje
¿Cómo Funcionan Los Frenos De Avión?
En esta sección, nos centraremos principalmente en los principios de funcionamiento de los frenos de disco, el tipo de frenos más común en los aviones modernos. Como ahora sabemos, los frenos de disco dependen de la fricción entre los discos giratorios y estacionarios dentro de los frenos para funcionar. Los sistemas de freno de disco se inician a través de un sistema de freno automático o por el piloto presionando un pedal.
Una vez que el freno recibe la señal de inicio, los actuadores dentro del freno mueven un pistón que aprieta el disco. De este modo, se genera una fuerza de fricción en el proceso que, a su vez, reduce la velocidad de rotación de la rueda. Durante este proceso, la fricción entre los discos convierte la energía cinética de la aeronave en energía térmica.
Los frenos de los aviones absorben una gran cantidad de calor que a menudo puede superar los 1800°C. Cada vez que se aplican los frenos, el material del disco experimenta mucho desgaste debido al exceso de fuerzas de fricción involucradas. Después de varias aplicaciones (por lo general, cientos), los discos comienzan a adelgazar. Esta es la razón por la que a menudo requieren reemplazo después de intervalos de mantenimiento periódicos.
¿De Qué Materiales Están Hechos Los Frenos de Avión?
Durante mucho tiempo, la mayoría de los frenos de los aviones fueron de acero. No fue hasta 1963 que el berilio se introdujo como material de freno de avión. El uso de berilio, sin embargo, tuvo su propio costo. Si bien el berilio proporcionó propiedades térmicas altamente mejoradas, que es una consideración importante en el diseño de frenos de aviones, también hubo dificultades para manejar el material debido a la naturaleza tóxica del óxido de berilio.
Hoy en día, los aviones comerciales modernos utilizan frenos de carbono. Los frenos de carbono se aceptaron ampliamente en la década de 1980 y, por lo general, funcionan bien en muchos índices. Por ejemplo, los frenos de carbono hechos de fibras de carbono en una matriz de grafito son más ligeros, térmicamente más estables, se enfrían más rápido y pueden absorber mejor la energía.
Gracias al calor específico más alto del carbono, los frenos de carbono siempre pesan menos que los frenos de acero. El carbono también tiene una menor expansión térmica, una mayor resistencia al choque térmico y un límite de temperatura más alto que el acero. A diferencia del acero y el berilio, el carbono tiene una resistencia específica más constante en un amplio rango de temperaturas. El acero y el berilio también suelen presentar una fuerte disminución de la resistencia específica a altas temperaturas superiores a 650°C.
Recientemente, Safran Landing Systems se jactó de que los frenos de carbono resistentes a la oxidación Sepcarb III de sus Boeing 787 son 4 veces más ligeros que los frenos de acero. También afirmaron que los frenos tienen 3 veces más resistencia y 2 a 3 veces más capacidad de absorción. Otros fabricantes también emplean otros materiales al construir frenos. Por ejemplo, Cerametalix de Honeywell es una combinación sinterizada de metales en polvo y cerámica.
Factores considerados Al construir frenos
En pocas palabras, el factor principal que decide el tipo de sistema de frenado que se emplea en una aeronave es el tamaño de la aeronave. Este factor define luego ciertos parámetros que deben tenerse en cuenta al diseñar los frenos. Estos parámetros de diseño primarios incluyen el número de discos, el diámetro de los discos y el material de los discos.
Otro concepto importante que aparece en el diseño de frenos de avión es un peor escenario llamado despegue rechazado (RTO). La RTO se produce a una velocidad máxima de rodadura comúnmente llamada velocidad de decisión. A velocidades superiores a esta velocidad de decisión, un despegue no se puede abortar de forma segura sin poner a la aeronave en riesgo significativo de no poder detenerse antes del final de la pista. Los frenos de los aviones están diseñados para absorber más energía en tales circunstancias.
Normalmente, antes de diseñar el sistema de frenos de un avión, se calcula su energía cinética durante la RTO. La cantidad de fuerza de fricción requerida para conquistar esta energía también se determina entonces. Para generar las fuerzas de fricción necesarias, los grandes aviones de transporte comercial generalmente requieren varios discos por conjunto de frenos y frenos en la mayoría, si no en todas, sus ruedas.
A380
Por ejemplo, un A380 tiene 22 ruedas distribuidas en cinco patas del tren de aterrizaje para soportar su peso masivo. Estas ruedas se distribuyen de esta manera:
- 2 ruedas de nariz en una pierna debajo de la nariz del avión;
- 8 ruedas de alas divididas entre dos patas que se pliegan desde debajo del fuselaje para soportar las alas izquierda y derecha y;
- 12 ruedas de carrocería divididas entre dos patas del tren de aterrizaje interior bajo el fuselaje.
Dieciséis de estas ruedas tienen frenos (cuatro de ellas son ruedas de la carrocería y las ruedas de la nariz no están frenadas).
¿Dónde se encuentran los frenos en un avión?
Diferentes tipos de sistemas de frenos de avión se colocan en diferentes partes del avión. Hoy en día, los frenos de disco de los aviones siempre se pueden encontrar en el tren de aterrizaje, los frenos de aire, en las alas y los inversores de empuje, en el motor. Pero estas son piezas mecánicas que no son vistas o controladas por el piloto durante el vuelo.
La mayoría de los frenos de avión modernos se activan desde la sección superior de los pedales del timón. Este tipo de frenos se llama frenos de dedo del pie. En los frenos de punta, la parte superior de los pedales del timón está conectada directamente al sistema de frenos. Sin embargo, es muy necesario aplicar frenos de puntera en el momento adecuado. Si se aplican cuando el avión se mueve a gran velocidad en la pista, esto puede provocar un cambio de dirección violento.
Pero no todos los aviones tienen frenos de pie. Algunos aviones más antiguos están equipados con frenos de talón. A los pilotos les resulta más difícil aplicar este tipo de frenos. Un tipo de frenos de avión aún más raro es el freno de mano. En algunos otros aviones como Cessna y Mooney, se requiere que el piloto primero aplique los frenos del dedo del pie y luego tire de una perilla para bloquear los frenos.
¿Cómo Controlan Los Pilotos Los Frenos de los Aviones?
Los sistemas de frenos de avión son meras piezas mecánicas, en algunos casos una combinación de piezas mecánicas y electrónicas. Estas piezas deben ser desplegadas y controladas por el piloto. Los frenos se pueden activar manualmente por el piloto o mediante el uso de frenos automáticos. Los frenos automáticos, como su nombre lo indica, son sistemas electrónicos que se activan automáticamente a medida que el avión se acerca al suelo justo antes del aterrizaje.
La mayoría de las ruedas de cualquier avión moderno están equipadas con una unidad de freno. El morro y la rueda de cola, sin embargo, no tienen frenos. En cualquier avión típico, los pilotos pueden controlar los frenos utilizando los enlaces mecánicos o hidráulicos al pedal del timón.
El freno de la rueda principal derecha se activa cuando el piloto presiona la parte superior del pedal derecho. De la misma manera, cuando el piloto empuja la parte superior del pedal del timón izquierdo, activa el freno en la rueda principal izquierda.
Sin embargo, algunos aviones nuevos eliminan el uso del sistema hidráulico y emplean electricidad para alimentar los frenos. Un buen ejemplo de este enfoque es el 787 Dreamliner. El uso de un sistema de frenos eléctricos permite a los diseñadores reducir considerablemente el peso del avión.
En este sistema, cuando los pilotos presionan los pedales de freno, se envía una señal eléctrica a la unidad de freno de la rueda. Los actuadores accionados eléctricamente se utilizan para presionar el disco de freno de carbono contra la rueda. Esto, en consecuencia, ralentiza el avión.
¿Con Qué Frecuencia Se Reemplazan Los Frenos De Avión?
Debido a los altos niveles de cambios de temperatura que sufren los frenos de los aviones, deben reemplazarse con frecuencia. En general, después de aproximadamente 1000 a 2000 aterrizajes, los frenos de los aviones se toman para una revisión de mantenimiento. Cada sistema de frenado tiene un pasador ubicado dentro del freno. Este pasador es esencialmente un indicador que ayuda a detectar el nivel de desgaste que ha experimentado el freno.
La frecuencia de sustitución de frenos en aeronaves también depende en gran medida del tipo de material de freno. En promedio, los frenos de acero tienen una vida útil de 1100 ciclos entre reparaciones y reemplazo. Sin embargo, se puede esperar entre 1.500 y 2.000 ciclos de aterrizaje de frenos de carbono por las mismas razones que se discutieron anteriormente.
Durante las reparaciones, las partes comunes del sistema de frenado que se sustituyen son los forros y los discos. Los ingenieros de mantenimiento a menudo pueden consultar el manual del fabricante para obtener los procedimientos de entrada adecuados cuando trabajan con frenos nuevos.
Costo de Reemplazar y Reparar Frenos de aeronaves
Comprar, reemplazar y reparar frenos de aeronaves puede ser un proceso enervante. Además del costo monetario, encontrar las piezas adecuadas para hacer una gran compra también puede llevar mucho tiempo. El costo de una unidad de freno de avión completamente nueva puede variar en una amplia gama de cifras. Un buen ejemplo, sin embargo, es el Boeing 777. Un juego de frenos completo de 12 piezas de un Boeing 777 cuesta aproximadamente 1 100,000. Por otro lado, los juegos de frenos de aviones más pequeños cuestan significativamente menos.
En 2019, se estimó que la demanda total de MRO (Mantenimiento, Reparación y Operaciones) para ruedas y frenos de aviones fue de $2.5 mil millones. Esto demuestra que este es un mercado de gran demanda. El costo de reparar el freno de su avión puede ser muy impredecible. Depende principalmente del componente del sistema de frenos que debe reemplazarse.
El precio de un forro de freno orgánico o metálico estándar típico de Cleveland puede variar fácilmente de $12.25 a 4 469. Los discos de freno del mismo fabricante le costará tanto como $149.75 a $1769. Algunos otros componentes, como remaches, válvulas y kits de rebase, también pueden necesitar reemplazos. Por lo tanto, es difícil decir lo que uno debe esperar de antemano.
¿Cómo Funciona el Frenado de Impacto con Agua y Hielo?
Cuando un avión aterriza en una pista húmeda o helada, está exprimiendo constantemente el agua de la banda de rodadura. Esta acción de compresión genera presiones de agua que no solo pueden levantar partes del neumático de la pista, sino también reducir la cantidad de fricción que el neumático puede desarrollar. Esta acción se denomina hidroplaneo.
El hidroplaneo provoca una fricción entre los neumáticos y el suelo que puede ser baja a altas velocidades y mejorar a medida que se reduce la velocidad. Hay tres tipos de hidroplaneo: hidroplaneo viscoso, dinámico y de caucho revertido.
El hidroplaneo viscoso es el efecto más común que tienen las pistas mojadas en el rendimiento de frenado de los aviones. Se presenta en todas las pistas húmedas y es un término técnico utilizado para describir la resbaladez habitual o la acción lubricante del agua. Si bien el hidroplaneo viscoso reduce la fricción, no es a un nivel tan bajo que la rueda no se pueda girar poco después del aterrizaje para iniciar el sistema antideslizante.
En el caso de un hidroplaneo dinámico muy raro, el neumático se levanta de la pista por completo causando una pérdida muy sustancial de fricción del neumático que puede evitar que la rueda gire. Por otro lado, el hidroplaneo de goma revertido puede ocurrir cuando un neumático bloqueado se desliza a lo largo de una pista muy húmeda o helada durante un tiempo lo suficientemente largo como para generar calor por fricción en el área de la huella.
Mejoras en el sistema de frenos
Los frenos de avión ya no son tan simples como solían ser. Además de los tipos básicos discutidos anteriormente, los aviones también incluyen algunas mejoras que ayudan a mejorar el rendimiento de los frenos de los aviones. Los más comunes disponibles incluyen protección antideslizante, freno automático e indicadores de temperatura del freno.
Protección antideslizante
Cuando se aplican frenos de avión, hay una alta probabilidad de que las ruedas de los aviones comiencen a patinar. Para evitar que esto suceda y mantener el frenado máximo efectivo, cada rueda está equipada con protección antideslizante.
Un sistema de protección antideslizante utiliza varios mecanismos para comparar la velocidad de la aeronave con la velocidad de rotación de cada rueda principal. En caso de que la velocidad de una rueda sea demasiado lenta en comparación con la velocidad del avión, el freno de esa rueda se suelta durante un tiempo para evitar derrapes.
Los sistemas antideslizantes están diseñados para minimizar el hidroplaneo y el daño potencial de los neumáticos que puede ocurrir cuando una rueda está bloqueada o girando a una velocidad que no corresponde a la velocidad de la aeronave. Antideslizante también elimina la posibilidad de derrapes de goma revertidos causados por ruedas bloqueadas.
Freno automático
Los sistemas de freno automático se pueden utilizar en el despegue cuando proporcionan el máximo frenado en caso de un despegue rechazado. También se pueden utilizar durante el aterrizaje, donde proporcionan una tasa de desaceleración programada en función del nivel de frenado automático seleccionado en una sola aplicación de freno. Estas características se combinan para optimizar el uso del freno con respecto a los requisitos y también para minimizar el desgaste del freno.
Indicadores de temperatura del freno
Es muy importante controlar los altos niveles de calor que se generan como resultado de la fricción en el sistema de frenos. Por lo tanto, la cabina de vuelo tiene una página sinóptica de rueda donde se muestra la temperatura de cada unidad de freno. En esta página sinóptica, los valores numéricos de la temperatura del freno se muestran junto a cada rueda. Un valor de 0 a 4,9 está en el rango normal. Cuando una lectura de temperatura excede 5.0, se envía un mensaje de advertencia a los pilotos.
En caso de que los frenos se calienten demasiado, existe la posibilidad de que el calor transferido a las ruedas haga que los neumáticos exploten. Para evitar que esto suceda, cuando se alcanza una cierta temperatura, los tapones de fusibles en los neumáticos se derriten. Esto permite que el aire se libere de forma segura y desinfle lentamente los neumáticos.
Requisitos de certificación de frenos de avión
Muchos requisitos de certificación rigen la aprobación, sustitución y modificación de frenos de avión. En general, se requiere que el sistema de frenado de una aeronave tenga la capacidad de detener la aeronave al peso máximo certificado de despegue con el despegue rechazado iniciado a la velocidad de decisión.
El proceso de certificación se debe realizar con todos los frenos desgastados hasta cerca de su límite de servicio (nominalmente el 10% restante en la vida útil). Además, el disipador de calor del freno y la rueda debe ser lo suficientemente robusto como para que no se requiera ninguna intervención en términos de extinción de incendios o refrigeración artificial durante 5 minutos después de que el avión se haya detenido.
Otros requisitos de certificación exigen que los componentes de las ruedas, los frenos y los sistemas de frenado estén diseñados para:
- Soportar todas las presiones y cargas, aplicadas por separado y en conjunto, a las que puedan ser sometidas en todas las condiciones de funcionamiento para las que el avión esté certificado.
- Admite aplicaciones simultáneas de las funciones de frenado normal y de emergencia, salvo que se hayan adoptado otras medidas de diseño adecuadas para evitar tal contingencia.
- Satisfacer todos los requisitos relativos a los requisitos de absorción de energía sin utilizar dispositivos de refrigeración secundarios (por ejemplo, ventiladores de refrigeración, etc.).
Accidentes Relacionados con el Frenado
Los dos factores principales asociados con el frenado que pueden causar accidentes o choques de aeronaves son los frenos sobrecalentados y la falla de los frenos. Los frenos sobrecalentados pueden, a su vez, causar una pérdida de rendimiento de frenado, incendio y deflación de los neumáticos.
Un accidente relacionado con los frenos fue el accidente de un avión de pasajeros turbohélice Swearingen de 19 asientos en 1998. Hubo un incendio en el pozo de la rueda causado por el sobrecalentamiento de los frenos. El sobrecalentamiento continuó hasta que el ala izquierda del avión falló, haciendo que el avión fuera incontrolable.
Hoy en día, los indicadores de temperatura de los frenos se revisan con frecuencia para garantizar que no se sobrecaliente. En caso de sobrecalentamiento, el piloto a veces deja el engranaje hacia abajo durante un período prolongado, siempre que esto no tenga un impacto en el rendimiento de ascenso.
Resumen
Los sistemas de frenos son una parte muy vital de un avión. Desde los días de los paracaídas de descarga, los frenos se han convertido en sistemas multidisco y controlados electrónicamente más complejos. Y gracias a la innovación de materiales, ahora son más duraderos y fiables que nunca.
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