Cómo la ciencia hace que nuestros viajes aéreos sean cada vez más seguros

Al principio fue fuego. Hay Hace como un millón de años, el hombre domesticó a la persona que cambiará el rumbo de la humanidad de forma permanente. Debe recordarse que para el progreso de la civilización
Prometeo robó el fuego a los dioses. Es este fuego el que evoca muchas emociones contradictorias: seguridad, peligro, miedo, consuelo, dolor y esperanza. A veces, ese amigo cotidiano se sale de nuestro control. Desde incendios forestales hasta incendios domésticos, todos temen estos escenarios catastróficos. Más aún cuando se viaja en un avión o se produce un incendio durante el vuelo. ¿Quién de nosotros nunca se ha estremecido ante una película desastrosa en la que un avión en llamas se estrella con música dramática de fondo?

¡Pero que no cunda el pánico! Los ingenieros e investigadores seleccionan los materiales y diseñan los aviones con respeto Estándares de seguridad Entre los más exigentes. Por lo tanto, los materiales seleccionados para aplicaciones de aviación deben cumplir estrictamente con varios criterios: toxicidad, resistencia al fuego, producción de humo, combustión, etc.

En la aviación, los materiales compuestos son los más utilizados (50% de la masa de la aeronave) porque ofrece un buen término medio entre propiedades mecánicas (dureza y resistencia) y ligereza. Estos materiales llamados “compuestos” generalmente combinan refuerzos de fibra (principalmente fibras de carbono, como en las raquetas de tenis o en las bicicletas de los corredores del Tour de Francia) y una matriz de polímero (también conocido como adhesivo o cola entre fibras). de plástico). El refuerzo da buenas propiedades mecánicas al material mientras que la matriz permite que las fibras se unan entre sí.

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El avión se compone de diferentes piezas ensambladas. La elección del material para estas diferentes piezas depende principalmente del área en la que se encuentran. El área del motor y las habitaciones adyacentes se encuentran entre las áreas más importantes de una aeronave. Especialmente cuando el motor se incendia. En este caso, la aeronave está diseñada para ser propiedad del piloto. 15 minutos pequeño para poner su dispositivo. Durante estos 15 minutos, la llama (proveniente de la combustión de combustible – queroseno – y plástico) no debe atravesar las partes compuestas y la parte debe mantener una resistencia mecánica suficiente.

Ilustración del acoplamiento termomecánico © B. Vieille (vía The Conversation)

Para prevenir estas condiciones críticas y evitar consecuencias potencialmente dramáticas, es necesario estudiar el efecto del calor y la carga mecánica (las fuerzas ejercidas en diferentes partes de la aeronave) para comprender completamente sus efectos. interacciones. Imagínese lo que sucede cuando coloca una taza sobre una barra de chocolate (figura de arriba) y comienza a derretirse … Concretamente, cuando expone una pieza compuesta a una llama, el plástico se ablandará, derretirá (se volverá líquido) y luego se descompondrá por calor (convirtiéndose en gas). Estos gases alimentan las llamas y facilitan la propagación del fuego. Está claro que la capacidad de la pieza para soportar la fuerza (el peso del motor, por ejemplo) se reducirá significativamente. Son estas interacciones las que deben entenderse.

Las dimensiones características de las piezas compuestas de aviación varían desde unas pocas decenas de centímetros hasta estructuras del orden de un metro. La dificultad radica entonces en reproducir las condiciones reales del ataque térmico acompañado de convección mecánica en el mejor de los casos a escala de laboratorio (y por lo tanto a pequeña escala). los Reglas de certificado (Permiso) Aeronáutica define una temperatura de llama de 1150 ° C y un flujo de calor (calor emitido por unidad de área) de aproximadamente 120 kW / m2.

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Por tanto, es necesario desarrollar medios técnicos específicos que permitan medir todas las magnitudes físicas (temperatura, fuerza, deformación) implicadas en los fenómenos físicos implicados en el incendio de motores. En estas duras condiciones, todavía hay buenas noticias. Durante miles de años, la humanidad ha adquirido conocimientos y herramientas que iluminan a ingenieros e investigadores sobre cómo diseñar piezas compuestas en aeronáutica.

El banco de pruebas reproduce el efecto simultáneo de la llama y la carga mecánica © B. Vieille (a través de The Conversation)

Con este espíritu, nuestros laboratorios de investigación están GPM (Grupo de Física de Materiales -) y
Corea (Complejo de Investigación Profesional en Química del Aire Térmico -) reunió sus habilidades y combinaron sus esfuerzos para desarrollar un banco de pruebas original (un prototipo de máquina dedicada a estudiar fenómenos específicos – ver arriba) como parte de un proyecto llamado Aeroflamme, financiado por la región de Normandía y Europa.

Este banco combina una estufa de queroseno (que impone una llama) y un cilindro hidráulico (que fuerza una fuerza). También integra varios instrumentos de medición: cámara de infrarrojos (medición de temperatura), sensor de desplazamiento (medición de distorsión) y fuerza. Con este banco de pruebas, es posible comprender mejor el comportamiento frente al fuego de los materiales compuestos y, más específicamente, los acoplamientos entre el efecto de la llama / calor en la evolución de las propiedades mecánicas / comportamiento.

En estas condiciones, la parte instalada se mantiene bien durante quince minutos … pero puede resistir más. Bandera a bordo, ¡buen vuelo!

El uso de materiales compuestos innovadores en las aplicaciones de la aviación de hoy se enfrenta a estándares de seguridad más urgentes para los que es necesario proporcionar respuestas confiables y relevantes. Además, es esencial permitir que los fabricantes de aviación comprendan / predigan la resistencia al fuego de sus materiales y, en última instancia, de sus piezas y ensamblajes. Por lo tanto, nuestro trabajo de investigación sobre materiales de aviación es parte de la lógica para adoptar nuevos materiales para aplicaciones en un entorno de alta temperatura o incluso durante un incendio peligroso. Estos materiales son proporcionados por los fabricantes de aeronáutica.

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Este análisis fue escrito por Benoît Vieille, profesor de Mecánica de Materiales Aeronáuticos en el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas (INSA) Roanne Normandy.
El artículo original fue publicado en el sitio web de
Conversacion.

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