Frenos de aviones: la guía definitiva para frenos de aviones

Si estás diseñando una aeronave que viaja a velocidades capaces de generar un vuelo sostenido, es lógico que incorpores algún medio para detener dicha aeronave cuando regrese a tierra, ¿verdad?

Bueno, no necesariamente. Aunque la necesidad de frenos en las aeronaves nos parezca ahora algo obvio y autoexplicativo, durante los primeros días de la aviación, los aviones no tenían sistema de frenado; véase, por ejemplo, el Sopwith Camel.

Diseñadores, constructores y pilotos dependían de una combinación de las velocidades relativamente bajas de las aeronaves de la época, junto con la fricción generada por los aeródromos blandos y los patines de cola, para reducir la velocidad y detener las aeronaves de forma natural.

No fue hasta después de la Primera Guerra Mundial, a medida que aumentaban las velocidades de los aviones y surgían más pistas pavimentadas, que estos sistemas de frenado ganaron popularidad. Al igual que otros sistemas de aeronaves, los frenos de los aviones han seguido evolucionando y mejorando durante el último siglo.

Juntos exploraremos la historia de los frenos. Este es un viaje fascinante que abarca más de un siglo de avances tecnológicos. Desde humildes comienzos con un rudimentario sistema de frenado hasta el sofisticado sistema de frenado hidráulico utilizado en las aeronaves modernas, la evolución de los frenos en las aeronaves ha sido fundamental para mejorar la seguridad y el rendimiento de la aviación.

¡Empecemos!

Historia de los frenos en las aeronaves

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

Todos los frenos estaban conectados al mismo controlador, por lo que se aplicaban todos al mismo tiempo y con la misma fuerza. Dado que la entrada se transmitía manualmente, el sistema era ineficiente y solo funcionaba bien en aeronaves más pequeñas. Los tambores de freno también se desgastaban y debían reemplazarse con relativa rapidez.

Otra variación de frenos, popular entre las décadas de 1930 y 1950, eran los frenos de tubo expansor. Este tipo de sistema de freno recibió su nombre del tubo plano de neopreno reforzado con tela, cuya superficie estaba cubierta con una especie de material de revestimiento de freno llamado bloques de freno.

El tubo se colocaba dentro de un tambor de freno de hierro y contenía una boquilla metálica por la que entraba fluido hidráulico presurizado cuando se activaban los frenos. A medida que el fluido expandía el tubo, los bloques de freno presionaban contra el tambor, causando fricción y ralentizando la rueda.

En general, los frenos de tubo expansor funcionaban razonablemente bien; sin embargo, su rendimiento en climas fríos era menos que óptimo, y a altas temperaturas eran propensos a hincharse y gotear, y luego a arrastrarse dentro del tambor después de liberar los frenos.

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

Sistemas de frenado modernos para aeronaves

Hoy en día, la entrada de frenado de las aeronaves se transmite principalmente de forma hidráulica, con bombas hidráulicas que proporcionan la presión de fluido necesaria para soportar los extensos sistemas de frenos en grandes aeronaves. En lugar de un único control de palanca que aplica igual presión a ambos frenos simultáneamente, los pilotos utilizan controles de freno individuales accionados con los pies, situados en la parte superior de los pedales del timón.

Un control acciona el freno de la rueda principal izquierda y el otro acciona el freno de la rueda principal derecha. Las ruedas de morro y de 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 pueden aplicarse por separado y en distintos grados.

Los pilotos de hoy pueden usar esta capacidad de frenado diferencial a su favor mientras dirigen la aeronave en tierra.

La activación hidráulica de los frenos puede ser la más común ahora, pero si miramos al futuro, es de esperar que más aeronaves pasen a sistemas de frenado más ligeros y de activación eléctrica. Esto eliminará la necesidad de voluminosos sistemas y bombas de fluido hidráulico.

Los frenos de tambor que prevalecieron hasta 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 de 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 para aeronaves más grandes y pesadas, 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 "desvanecerse" y perderán eficiencia a medida que aumente su temperatura. También son relativamente pesados.

Para reducir el peso y mejorar la eficiencia de frenado en aeronaves grandes y de alto rendimiento, los diseñadores han estado cambiando a la fibra de carbono. Esta nueva y mejorada construcción ofrece un rendimiento mejorado a altas temperaturas al tiempo que disminuye 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 de peso potencial de varios cientos de libras en aeronaves grandes. Los beneficios térmicos son impresionantes. La fibra de carbono puede soportar 2-3 veces más calor que el acero. Un rotor de fibra de carbono también puede disipar el calor residual más rápidamente que su contraparte de acero. Finalmente, la composición de fibra de carbono es más fuerte y resistente. Puede mantener 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 aproximadamente un 20-50% 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 frenado modernos se presentan en 4 tipos principales, según el tamaño, el peso y la velocidad de su aeronave:

Disco único

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

En una configuración de freno de disco único flotante, la fricción es generada por las 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 conjuntos de discos. Cuando se aplican los frenos, los discos exteriores entran en contacto con el disco, el disco se desliza hacia adentro y los discos interiores también hacen contacto para ralentizar la rueda.

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

Disco doble

Si la fricción generada por un freno de disco único no es suficiente para detener la aeronave, se añade un segundo disco a la configuración. Esto se denomina configuración de disco doble. En un sistema de frenos de disco doble, cada rueda tiene dos discos en lugar de uno. Los discos están conectados por un portador central con revestimientos en cada lado. Cuando se aplican los frenos, los revestimientos del portador central entran en contacto con ambos discos y ralentizan la rueda.

Disco múltiple

Las aeronaves grandes y pesadas necesitan algo aún más potente que un sistema de doble disco. Estas aeronaves utilizan un sistema de frenos de disco múltiple construido sobre un soporte de rodamientos extendido. El soporte contiene 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 material de revestimiento de freno desgastable diseñado para presionar contra los rotores. La presión hidráulica sobre el pistón comprime todo el conjunto, 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 freno de potencia.

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 hace que tiendan a deformarse.

Rotor segmentado

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

Los rotores de freno en un sistema de frenos de disco de rotor segmentado tienen revestimientos de freno fijos de alta fricción que entran en contacto con los rotores para ralentizar la rueda. En lugar de ser un disco sólido y plano, los rotores de un sistema segmentado tienen ranuras o espacios segmentados cortados en ellos 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 altas temperaturas.

Este tipo de sistema de frenado de aeronaves se ha convertido en estándar en aeronaves de aerolíneas y de alto rendimiento.

Problemas más comunes con los frenos de los aviones

Los frenos modernos son cada vez más fiables y de bajo mantenimiento. Por supuesto, incluso en condiciones de vuelo normales, los frenos están sujetos a un estrés extremo. Esto puede causar daños, desgaste y posibles fallos de funcionamiento.

Los problemas más comunes con los frenos que puede encontrar incluyen:

Vibración

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

Arrastre

Cuando suelta el pedal del freno, debe sentir que la rueda comienza a moverse libremente a medida que los forros 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 arrastre de frenos y el técnico no puede encontrar ningún otro problema, pero la temperatura es alta, es probable que el técnico recomiende purgar los frenos para eliminar la presión adicional causada por el aire caliente. Esto debería resolver el problema de arrastre.

Sobrecalentamiento

El último problema común con los frenos de las aeronaves es el sobrecalentamiento. Aunque como piloto se le enseña a usar los frenos de una manera que evite generar un exceso de calor, situaciones como despegues abortados u otras maniobras de frenado intenso pueden someter los frenos a una tensión severa y hacer que se sobrecalienten. Si sus frenos han sido sometidos a una situación de sobrecalentamiento, deben ser inspeccionados cuidadosamente por un técnico autorizado para detectar daños.

Conclusión

Aunque no se consideraban necesarios para los primeros aviones, los frenos son un componente vital para las aeronaves modernas. El sistema de frenos de las aeronaves ha seguido evolucionando durante el último siglo con nuevos materiales y diseños que ayudan a frenar incluso las aeronaves más grandes y rápidas.

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 antibloqueo, integrado en el sistema de frenado, desempeña un papel crucial para evitar el derrape y mantener una tracción óptima en la pista, especialmente en condiciones climáticas adversas.

Aunque la mayoría de los detalles se dejan a los mecánicos, como 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 en la cabina.

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