Frenos de aviones: la guía definitiva para frenos de aviones

Si estás diseñando un avión que viaja a velocidades capaces de generar un vuelo sostenido, es lógico que construyas algún tipo de medio para detener dicho avión cuando regrese al suelo, ¿verdad?

Bueno, no necesariamente. Aunque ahora la necesidad de frenos en los aviones nos parece sencilla y se explica por sí misma, durante los primeros días de la aviación, los aviones no tenían sistema de frenos (véase el Sopwith Camel, por ejemplo).

Los diseñadores, constructores y pilotos confiaron en una combinación de las velocidades relativamente bajas de los aviones de la época junto con la fricción generada por aeródromos suaves y patines de cola para frenar y detener los aviones de forma natural.

No fue hasta después de la Primera Guerra Mundial, cuando la velocidad de los aviones aumentó y surgieron más pistas pavimentadas, que estos sistemas de frenos ganaron popularidad. Al igual que otros sistemas de aeronaves, los frenos de las aeronaves han seguido evolucionando y mejorando durante el último siglo.

Exploremos juntos la historia de los frenos. Este es un viaje fascinante que abarca más de un siglo de avances tecnológicos. Desde sus humildes comienzos con un sistema de frenos rudimentario hasta el sofisticado sistema de frenos hidráulico utilizado en los aviones modernos, la evolución de los frenos en los aviones ha sido fundamental para mejorar la seguridad y el rendimiento de la aviación.

¡Empecemos!

Historia de los frenos en los aviones

Muchos de los primeros frenos para aviones consistían en una sola palanca que transmitía mecánicamente la entrada de control de freno a través de cables a los frenos de tambor ubicados en las ruedas principales y, a veces, también en la rueda de morro.

Todos los frenos estaban vinculados al mismo controlador, por lo que todos se aplicaban al mismo tiempo y con la misma fuerza. Dado que la entrada se transmitía manualmente, el sistema era ineficiente y sólo funcionaba bien en aviones más pequeños. Los tambores de freno también se desgastaron y hubo que sustituirlos con relativa rapidez.

Otra variación de los frenos, popular entre las décadas de 1930 y 1950, fueron los frenos de tubo expansor. Este tipo de sistema de frenos debe su nombre al tubo plano de neopreno reforzado con tela cuya superficie estaba cubierta con una especie de material de forro de freno llamado pastillas de freno.

El tubo estaba instalado dentro de un tambor de freno de hierro y contenía una boquilla de metal a través de la cual entraba líquido hidráulico presurizado cuando se activaban los frenos. A medida que el líquido expandía el tubo, las pastillas de freno presionaban contra el tambor provocando fricción y ralentizando la rueda.

En general, los frenos con tubo expansor funcionaron razonablemente bien; sin embargo, su rendimiento en climas fríos no fue óptimo y, en temperaturas altas, eran propensos a hincharse y tener fugas y luego arrastrarse dentro del tambor después de que se soltaron los frenos.

Estas opciones originales eran mejores que nada, pero claramente se necesitaba un sistema de frenado de avión mejorado.

Sistemas de frenado de aviones modernos

Hoy en día, la entrada de frenado de los aviones se transmite principalmente hidráulicamente con bombas hidráulicas que proporcionan la presión de fluido necesaria para soportar los sistemas expansivos de frenos de los aviones grandes. En lugar de un control de palanca única que aplica la misma presión a ambos frenos simultáneamente, los pilotos usan controles de freno individuales operados con los dedos ubicados en la parte superior de los pedales del timón.

Un control opera el freno de la rueda principal izquierda y el otro opera el freno de la rueda principal derecha. Las ruedas de morro y cola no tienen frenos. Esta configuración de control de freno individual ofrece más funcionalidad ya que los frenos de las ruedas principales izquierda y derecha se pueden aplicar por separado y en distintos grados.

Los pilotos de hoy pueden utilizar esta capacidad de frenado diferencial a su favor mientras dirigen el avión en tierra.

La activación de los frenos hidráulicos puede ser la más común ahora, pero a medida que miramos hacia el futuro, se espera que más aviones hagan la transición a sistemas de frenado más livianos activados eléctricamente. Esto eliminará la necesidad de bombas y sistemas de fluido hidráulico voluminosos.

Los frenos de tambor que prevalecieron durante la década de 1950 han sido reemplazados por frenos de disco más eficientes y efectivos. En un freno de disco, el conjunto de la rueda giratoria y el disco o rotor del freno giran juntos. Cuando se aplican los frenos, una pinza de freno estacionaria resiste la rotación y crea fricción contra el disco, lo que ralentiza la aeronave.

La composición del material, la configuración y el tipo de frenos de disco varían según el peso, el tamaño y la velocidad de aterrizaje de la aeronave.

Composición

Los rotores de los frenos de disco suelen estar hechos de hierro o acero. El problema, especialmente en aviones más grandes y pesados, es que cuando se activan, los frenos están sujetos a altos niveles de energía cinética y al calor resultante. Los frenos de acero y hierro comenzarán a "descolorarse" y perder eficiencia a medida que aumente su temperatura. También son relativamente pesados.

Para reducir el peso y mejorar la eficiencia de los frenos en aviones grandes y de alto rendimiento, los diseñadores han estado cambiando a la fibra de carbono. Esta construcción nueva y mejorada ofrece un rendimiento mejorado ante altas temperaturas y al mismo tiempo reduce el peso total del sistema de frenos de la aeronave. De hecho, los frenos de fibra de carbono son aproximadamente un 40 % más ligeros que los frenos de disco estándar de hierro o acero.

Esto significa un ahorro potencial de peso de varios cientos de libras en aviones grandes. Los beneficios térmicos son impresionantes. La fibra de carbono puede soportar entre 2 y 3 veces más calor que el acero. Un rotor de fibra de carbono también puede disipar el calor residual más rápidamente que su homólogo de acero. Finalmente, la composición de fibra de carbono es más fuerte y resistente. Puede conservar sus dimensiones incluso a temperaturas muy altas.

Desde una perspectiva de longevidad y mantenimiento, otro beneficio clave de la fibra de carbono sobre el acero es que el freno de fibra de carbono dura entre un 20% y un 50% más.

A medida que la tecnología mejora y el precio de la fibra de carbono baja, se espera que este tipo de freno se generalice aún más.

Tipo

Los sistemas de frenos modernos vienen en 4 tipos principales según el tamaño, el peso y la velocidad de su avión:

Disco único

Estos tipos de discos de freno son más pequeños y los aviones más livianos tendrán frenos de disco único en una configuración fija o flotante. Con un freno de disco único, la presión hidráulica empuja contra los pistones ubicados en una pinza no giratoria. Estos pistones presionan las pastillas de freno contra ambos lados del disco, creando niveles uniformes de fricción y desacelerando la aeronave.

En una configuración de freno de disco único flotante, la fricción es generada por pastillas o discos de freno. La mitad se encuentran en el interior de la pinza de freno y la otra mitad en el exterior. Los discos interiores son estacionarios, mientras que los discos exteriores se mueven con los pistones. El disco de freno flota lateralmente entre estos juegos de discos. A medida que se aplican los frenos, los discos exteriores hacen contacto con el disco, el disco se desliza hacia adentro y los discos interiores también hacen contacto para frenar la rueda.

En una configuración de disco único fijo, el disco está atornillado a la rueda y sólo la pinza y las pastillas de freno flotan lateralmente dependiendo de la presión que se aplica. Cuando se aplican los frenos, las pastillas se mueven hacia el disco y hacen contacto para frenar la rueda.

Disco doble

Si la fricción generada por un solo disco de freno no es suficiente para detener el avión, se agrega un segundo disco a la configuración. Esto se llama configuración de disco dual. En un sistema de frenos de doble disco, cada rueda tiene dos discos en lugar de uno. Los discos están conectados por un soporte central con revestimientos a cada lado. Cuando se aplican los frenos, los forros del soporte central hacen contacto con ambos discos y desaceleran la rueda.

Disco múltiple

Los aviones grandes y pesados ​​necesitan algo incluso más potente que un sistema de doble disco. Estos aviones utilizan un sistema de frenos de discos múltiples construido sobre un soporte de rodamiento extendido. El soporte sostiene una serie de estatores de acero y discos chapados en cobre o bronce que se alternan. Los estatores son un tipo de placa plana cubierta con un material de forro de freno desgastable que está diseñado para presionar contra los rotores. La presión hidráulica sobre el pistón comprime toda la pila, generando altos niveles de fricción y calor para ralentizar la rotación de la rueda. Este sistema se combina con cilindros maestros de refuerzo de potencia o válvulas de control de servofreno.

El problema con el sistema de discos múltiples es que los rotores y estatores son delgados y se calientan rápidamente. Dado que también son ineficientes en la disipación de calor, el calor residual les da tendencia a deformarse.

Rotor segmentado

La opción de próxima generación para los sistemas de frenado en aviones grandes, pesados ​​y de alto rendimiento son los frenos de disco de rotor segmentado. Se trata de una variación del sistema de discos múltiples, pero con algunas modificaciones y mejoras importantes para controlar la acumulación de calor y ayudar en su disipación.

Los rotores de freno en un sistema de freno de disco-rotor segmentado tienen forros de freno fijos de alta fricción que hacen contacto con los rotores para frenar la rueda. En lugar de ser un disco plano y sólido, los rotores de un sistema segmentado tienen ranuras o espacios segmentados cortados para permitir que el calor tenga una vía de escape. Los recortes también ayudan a prevenir o reducir la posibilidad de deformación en condiciones de alto calor.

Este tipo de sistema de frenado de aviones se ha convertido en estándar en las compañías aéreas y en los aviones de alto rendimiento.

Problemas más comunes con los frenos en los aviones

Los frenos modernos son cada vez más fiables y requieren poco mantenimiento. Por supuesto, incluso en condiciones de vuelo normales, los frenos están sujetos a una tensión extrema. Esto puede provocar daños, desgaste y posibles fallos de funcionamiento.

Los problemas de frenos más comunes que puede encontrar incluyen:

parloteo

Sus frenos pueden generar un chirrido o incluso un chirrido si las pastillas de freno no presionan de manera suave y uniforme contra el disco de freno. Esta presión desigual puede ser el resultado de un disco deformado o una desalineación.

Arrastrando

Cuando suelta el pedal del freno, debería sentir que la rueda comienza a moverse libremente a medida que las pastillas de freno se retraen completamente del disco de freno. Si hay una sensación de arrastre residual, esto podría deberse a un mal funcionamiento del mecanismo de retorno, un resorte de retorno débil, un disco deformado o aire en la línea de líquido de frenos. Si experimenta fricción en los frenos y el técnico no puede encontrar ningún otro problema, pero la temperatura es alta, es probable que le recomiende purgar los frenos para eliminar la presión adicional causada por el aire caliente. Esto debería resolver el problema del arrastre.

Calentamiento excesivo

El último problema común con los frenos de los aviones es el sobrecalentamiento. Aunque como piloto se le enseña a usar los frenos de una manera que evite generar exceso de calor, situaciones como despegues abortados u otras maniobras de frenado intenso pueden ejercer una gran presión sobre los frenos y provocar que se sobrecalienten. Si sus frenos han estado sujetos a una situación de sobrecalentamiento, un técnico autorizado debe inspeccionarlos cuidadosamente para detectar daños.

Llevar

Si bien no se consideran necesarios para los primeros aviones, los frenos son un componente vital para los aviones modernos. El sistema de frenos de los aviones ha seguido evolucionando durante el último siglo con nuevos materiales y diseños que ayudan a frenar incluso los aviones más grandes y rápidos.

Entre los elementos clave se encuentran los frenos de puntera, que permiten un control preciso durante las maniobras de rodaje y aterrizaje.

Además, el sistema antideslizante, integrado en el sistema de frenos, juega un papel crucial para evitar derrapes y mantener una tracción óptima en la pista, especialmente en condiciones climáticas adversas.

Aunque la mayoría de los detalles se dejan en manos de los mecánicos, como ocurre con todos los sistemas clave de nuestra aeronave, es aconsejable tener una comprensión básica de qué tipo de sistema de frenos tenemos, cómo funciona y los posibles problemas que podemos encontrar mientras estamos en vuelo. la cabina.

Comprender el funcionamiento de los frenos de puntera y el sistema antideslizante permite a los pilotos tomar decisiones informadas y garantiza aterrizajes más seguros en diversas situaciones desafiantes.