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Facultad de Ingeniería Trabajo de Investigación Diseño del tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctricoAutores: Castro Castro Jason Gregorio Manuel-1413174 Tello Sandoval Joel Brayam-1412626 Para obtener el grado de Bachiller en: Ingeniería Aeronáutica Lima, julio 2019

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Page 1: Diseño del tren de aterrizaje para un avión no tripulado ......diseño del sistema trenes de aterrizaje, se debe tomar en cuenta tres tipos de fuerzas: verticales, longitudinales

Facultad de Ingeniería

Trabajo de Investigación

“Diseño del tren de aterrizaje para un

avión no tripulado con motor eléctrico”

Autores: Castro Castro Jason Gregorio Manuel-1413174

Tello Sandoval Joel Brayam-1412626

Para obtener el grado de Bachiller en:

Ingeniería Aeronáutica

Lima, julio 2019

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DEDICATORIA

A nuestros padres por el soporte y guía

durante el proceso de formación

profesional.

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iii

AGRADECIMIENTO

A nuestros familiares, amigos que nos

brindaron su apoyo y a los docentes,

asesores que nos inculcaron

conocimientos durante toda la etapa

académica.

Page 4: Diseño del tren de aterrizaje para un avión no tripulado ......diseño del sistema trenes de aterrizaje, se debe tomar en cuenta tres tipos de fuerzas: verticales, longitudinales

iv

RESUMEN

En el presente trabajo de investigación se diseña un tren de aterrizaje para un avión no

tripulado con motor eléctrico, se dividió en cuatro capítulos: antecedentes de la

investigación, basado en tesis y artículos científicos de autores internacionales, el marco

teórico, el método de solución; en la que se utilizan las ecuaciones y fórmulas obtenidas

de textos especializados, además, se hace uso de los softwares ANSYS , CATIA y

Autodesk inventor para el diseño y corroboración de resultados obtenidos, por último, el

análisis de los resultados y discusión, en este capítulo se presentan los resultados

obtenidos previamente: cargas estáticas y dinámicas, dimensionamiento, ubicación de los

trenes de aterrizaje y otros . Con los valores obtenidos se ha diseñado un tren de aterrizaje

para un avión no tripulado con motor eléctrico, de tipo triciclo y con un mecanismo retráctil.

Posterior a ello se realizó la simulación mediante software y se procedió a elaborar los

planos a detalle del sistema completo.

En síntesis, los valores obtenidos en los cálculos realizados se encuentran dentro de los

parámetros estándar correspondientes a un sistema de trenes de aterrizaje para aeronaves

no tripuladas, los cuales satisfacen la necesidad de la aeronave.

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ÍNDICE

DEDICATORIA .................................................................................................................. ii

AGRADECIMIENTO ......................................................................................................... iii

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. xi

CAPÍTULO 1: ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN .............................................. 1

CAPITULO 2: MARCO TEÓRICO..................................................................................... 6

2.1 Reseña histórica .......................................................................................... 6

2.2 Definición del sistema de trenes de aterrizaje .............................................. 7

2.3 Clasificación de los trenes de aterrizaje ....................................................... 7

2.3.1 Según el mecanismo de tren de aterrizaje ................................................... 8

2.3.1.1 Tren Fijo ...................................................................................................... 8

2.3.1.2 Tren Retráctil ............................................................................................... 8

2.3.2 Según el tipo de tren .................................................................................... 9

2.3.2.1 Tren Biciclo .................................................................................................. 9

2.3.2.2 Tren Triciclo ................................................................................................10

2.3.2.3 Tren Multiciclo ............................................................................................10

2.3.2.4 Tren Convencional......................................................................................11

2.4 Parámetros de cálculo de tren de aterrizaje ................................................11

2.4.1 Distancia del centro de gravedad al tren de nariz (L) ..................................12

2.4.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal (M1) ..............................13

2.4.3 Distancia entre el tren de nariz y el tren principal (F) ..................................13

2.4.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track) .........................................13

2.4.5 Altura del tren de aterrizaje (J) ....................................................................14

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2.4.6 Cargas que actúan en el tren de aterrizaje .................................................14

2.4.6.1 Cargas verticales ........................................................................................15

2.4.6.2 Cargas laterales .........................................................................................16

2.4.6.3 Cargas longitudinales drag .........................................................................16

2.4.7 Mecanismo de retracción del tren aterrizaje ...............................................16

2.5 Materiales empleados v en los trenes de aterrizaje ....................................19

2.5.1 Materiales compuestos ...............................................................................19

2.5.1.1 Fibra de vidrio .............................................................................................19

2.5.1.2 Fibra de carbono ........................................................................................20

2.5.2 Materiales metálicos ...................................................................................21

2.5.2.1 Aluminio ......................................................................................................21

2.5.2.2 Titanio.........................................................................................................22

2.5.2.3 Aceros ........................................................................................................22

2.5.3 Amortiguación con resortes en trenes de aterrizaje ....................................22

2.6. Softwares de diseño y análisis ....................................................................27

2.6.1 Autodesk inventor .......................................................................................27

2.6.2 CATIA .......................................................................................................28

2.6.3 Simulación del tren de aterrizaje .................................................................29

2.6.3.1 ANSYS .......................................................................................................29

2.7 Diseño ........................................................................................................30

2.7.1 Diseño conceptual ......................................................................................30

2.7.2 Diseño preliminar ........................................................................................31

2.7.3 Diseño detallado .........................................................................................31

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CAPITULO 3: MÉTODO DE SOLUCIÓN .........................................................................32

3.1 Diseño del tren de aterrizaje .......................................................................32

3.1.1 Diseño Conceptual .....................................................................................32

3.1.1.1 Requerimientos técnicos del tren de aterrizaje ...........................................33

3.1.1.2 Especificaciones .........................................................................................34

3.1.1.3 Configuración .............................................................................................34

3.1.1.4 Mecanismo de tren de aterrizaje .................................................................35

3.1.2 Diseño Preliminar .......................................................................................37

3.1.2.1 Dimensionamiento del tren de aterrizaje .....................................................37

3.1.2.1.1 Distancia del centro de gravedad del tren de nariz .....................................37

3.1.2.1.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal .......................................41

3.1.2.1.3 Distancia entre el tren principal a tren de nariz (Base) ................................41

3.1.2.1.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track) .........................................41

3.1.2.1.5 Altura del tren de aterrizaje .........................................................................42

3.1.2.2 Cálculo de cargas que actúan en el tren de aterrizaje ................................43

3.1.2.2.1 Cálculo de cargas verticales .......................................................................44

3.1.2.2.2 Cálculo de cargas laterales .........................................................................45

3.1.2.3 Cálculo de resortes para el tren de aterrizaje..............................................45

3.1.2.4 Cinemática de retracción del tren de aterrizaje ...........................................46

3.1.2.5 Diseño estructural 3D .................................................................................50

3.1.2.6 Selección de material .................................................................................57

3.1.2.7 Simulación ..................................................................................................57

3.1.3 Diseño Detallado ........................................................................................59

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CAPITULO 4:ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................60

4.1 Ubicación del tren de aterrizaje ..................................................................60

4.2 Cargas en el tren de aterrizaje ....................................................................60

4.3 Softwares para el diseño y simulación del tren de aterrizaje .......................61

CONCLUSIONES ............................................................................................................62

RECOMENDACIONES ....................................................................................................64

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................65

ANEXO 1

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ix

NOMENCLATURA

Aceleración de la gravedad- 𝑔 (m/s2)

Centro de gravedad - 𝑐. 𝑔.

Computational fluid dinamics- CFD

Computer aided tridimensional interactive application -CATIA

Cuerda media aerodinámica -𝐶𝐴𝑀

Carga dinámica máxima en tren de nariz- 𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 (N)

Carga estática máxima tren nariz- 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁

Carga estática máxima tren principal -𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃

Diseño asistido por ordenador- 𝐶𝐴𝐷

Dinámica de fluidos computacional -CFD

Diámetro externo- 𝑑𝑒 (m)

Diámetro interno -𝑑𝑖 (m)

Energía cinética- 𝐸𝐶 (J)

Energía potencial- 𝐸𝑃 (J)

Energía total -𝐸𝑇 (J)

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x

Factor de carga tren nariz- F.C.TN

Factor de seguridad de la columna del tren de aterrizaje de nariz- F.S.C- TN

Federal aviation administration- FAA

Federal aviation regulation -FAR

Product lifecycle management- PLM

Longitud desde aterrizaje principal al tren de nariz -𝐹 (m)

Longitud vertical desde la pista hasta el centro de gravedad- 𝐽 (m)

Longitud horizontal del centro de gravedad hasta el tren de aterrizaje de nariz- 𝐿 (m)

Longitud horizontal del centro de gravedad hasta el del tren de aterrizaje principal -𝑀1 (m)

Módulo de elasticidad- 𝐸 (Pa)

Maximum takeoff weight- MTOW (N)

Media distancia entre los trenes principales − YOT (m)

Peso máximo de despegue -WT (N)

Unmanned aerial vehicle - UAV

Vehículo aéreo no tripulado – VANT

Swanson Analysis Systems- ANSYS

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INTRODUCCIÓN

El inminente crecimiento de los vehículos aéreos no tripulados en la industria aeronáutica

ha generado el desarrollo de estos vehículos cada vez más sofisticados, implementados

con tecnología de vanguardia, con fines civiles y militares, sea para el uso como: vigilancia,

rescate, topografía, fotogrametría, agricultura de precisión o fines bélicos. Cabe precisar

que el proceso evolutivo de estas aeronaves es incesante hasta la actualidad.

Asimismo, el desarrollo de trenes de aterrizaje o sistema de trenes de aterrizaje no ha sido

ajeno a este crecimiento, desde el primer vuelo implementado con este sistema en el año

1906. Por otro lado, el diseño de este elemento se desarrolla en tres fases: diseño

conceptual, diseño preliminar y diseño detallado.

Esta investigación tiene por objeto, diseñar un tren de aterrizaje para un avión no tripulado

con motor eléctrico, basado en la rigidez y peso, el cual sirva para ser implementado en un

vehículo aéreo no tripulado (UAV) ya existente. Brindando una propuesta de solución al

daño estructural al que son expuestos aquellos UAV’s que no cuentan con el sistema de

trenes de aterrizaje, en las principales operaciones del ciclo de vuelo (carreteo, despegue

y aterrizaje).

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A continuación, se detalla el objetivo general y los respectivos objetivos específicos.

Objetivo general:

• Diseñar el tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico.

Objetivos específicos:

• Determinar la ubicación y dimensionamiento del tren de aterrizaje de un avión no

tripulado con motor eléctrico.

• Calcular la magnitud de las cargas que actúan en el tren de aterrizaje de un avión no

tripulado con motor eléctrico.

• Elaborar los planos de ensamble del tren de aterrizaje de un avión no tripulado con

motor eléctrico.

• Simular con un software especializado el funcionamiento del tren de aterrizaje de un

avión no tripulado con motor eléctrico

Para el desarrollo de los objetivos, se dispone de fuentes de información, tales como,

artículos científicos, libros y tesis, siendo en su mayoría en idioma inglés. El alcance de la

investigación está orientada a diseñar un tren de aterrizaje para un UAV con motor eléctrico

que carece de este sistema. Concerniente a los límites de la investigación se menciona la

indisponibilidad de información de investigadores nacionales relacionados al tema (diseño

de trenes de aterrizaje para un UAV), en vista de ser un tema poco tratado, razón por el

cual se acudió a fuentes extranjeras.

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1

CAPÍTULO 1

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

La aviación es uno de los medios de transporte más seguro en el mundo, ante esto el uso

de aeronaves se ha incrementado para este medio. Ello demanda que la industria

aeronáutica tenga más énfasis en la planificación, el diseño y la fabricación de aviones con

estándares de seguridad cada vez más altos, implementado en los diversos sistemas que

lo componen, dentro de los cuales uno de los elementos fundamentales es el tren de

aterrizaje [1], cuyo mecanismo debe estar basado en la alta confiabilidad. Puesto que, los

trenes de aterrizaje son los encargados de atenuar y absorber la energía cinética de

impacto de aterrizaje, disipar vibraciones, otorgar control, estabilidad y dirección a la

aeronave durante las maniobras en tierra. Además, tienen la capacidad de hacer frente a

las cargas de aterrizaje y transmitir estas fuerzas a la estructura [2] y [3]. Cabe recalcar

que la magnitud de las fuerzas está supeditada al tipo de avión y a la misión asignada. Por

otro lado, la velocidad vertical, las presiones sobre el revestimiento, el peso total de la

aeronave, la distribución sobre las ruedas principales y nariz o cola, según su

configuración, entre otros; son factores que influyen en la amortiguación del impacto y debe

ser tal que la estructura de la aeronave no esté expuesta a fuerzas excesivas. El objetivo

de la amortiguación del sistema del tren de aterrizaje es reducir la velocidad vertical del

avión a cero, de tal modo que la fuerza de reacción de la superficie (pista de aterrizaje) no

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exceda de un cierto valor crítico, ello servirá para mantener la integridad estructural dentro

de márgenes de seguridad [2] y [4]. La magnitud de las fuerzas de reacción depende de

las condiciones en el que la pista de aterrizaje se encuentre como: asfalto dañado, húmedo,

inundado o con lodo, también del tipo de superficie del que esté compuesta (césped, hielo

o tierra).

Por otro lado, el diseño de un tren de aterrizaje se ha convertido en uno de los aspectos

más trascendentales concerniente a la fabricación de una aeronave, ya que está

relacionado con diversos criterios significativos tales como: estructura, peso, superficie de

operación, aspectos financieros y otros [5]. Cabe recalcar que, al momento de realizar el

diseño del sistema trenes de aterrizaje, se debe tomar en cuenta tres tipos de fuerzas:

verticales, longitudinales y laterales [6]. Asimismo, el diseño y desarrollo de este sistema

involucra diversas áreas de la ingeniería tales como: ingeniería de materiales, diseño

mecánico, cálculo estructural, estabilidad, control y otras.

La complejidad del tren de aterrizaje está sujeto al tipo de aeronave al cual será

implementado, de acuerdo con las capacidades y funciones por realizar [5]. También, a la

configuración y articulación que este tenga al ser instalado en la aeronave. Dicho de otro

modo, el sistema será complejo, si las capacidades operativas del avión demandan de un

alto esfuerzo estructural, lo cual conlleva que el sistema de trenes tenga mayor cantidad

de componentes en su configuración. Asimismo, depende de la disposición que se

implemente el sistema de trenes de aterrizaje en la aeronave, puede ser tren triciclo,

convencional, tren retráctil, tren fijo u otra configuración. Es preciso señalar que la

posibilidad de fallas de un sistema se incrementa de acuerdo a la cantidad de componentes

que posea.

Para el caso de los vehículos aéreos no tripulados (VANT) o Unmanned Aerial Vehicle

(UAV), existe un factor restrictivo importante en el diseño del sistema de trenes de

aterrizaje, debido a las dimensiones, las cuales son reducidas en los componentes del

sistema en mención, por ende, la dificultad en el proceso de diseño y fabricación se

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3

incrementa. Sin embargo, tiene ciertas ventajas que la mayoría de los vehículos aéreos no

posee, siendo la más importante; el menor peso, en consecuencia, el tren de aterrizaje

estará sometido a pequeñas cargas. Por esta razón, es posible implementar un sistema

simple, con menos elementos y sin repercutir de forma negativa en su desempeño.

Para el diseño de un sistema de trenes de aterrizaje, se definen los parámetros iniciales y

de acuerdo con ello se realiza y toma decisiones. Por otro lado, el tren de aterrizaje es el

último sistema de gran importancia en el avión en ser diseñado ya que se debe ajustar a

los demás componentes principales previamente diseñados y ensamblados tales como:

alas, fuselaje, empenaje y motores [1]. Esta forma de diseño no varía para el caso de los

UAV, ya que sigue el mismo proceso que una aeronave convencional. Este proceso consta

de tres fases: diseño conceptual, diseño preliminar y diseño detallado, los cuales se definen

a continuación:

• Diseño conceptual, tiene como objetivo la selección de un concepto viable y debe ser

optimizado lo más posible. Para este caso se debe escoger un tren de aterrizaje

adecuado, considerando los parámetros que debe cumplir: adaptabilidad, bajo peso,

absorción de energía, baja resistencia aerodinámica, estabilidad, distancia al suelo, etc.

También, seleccionar la configuración del tren de aterrizaje, ya que existen diversos

tipos: tren biciclo, triciclo, multiciclo, patín de cola (convencional), tándem, y otros;

donde cada una de estas cumpla con las características mencionadas anteriormente

[3].

• Diseño preliminar, en este proceso se calcula y analiza todos los fenómenos físicos que

existan en el tren de aterrizaje de la aeronave, se selecciona el material, se definen las

dimensiones y las funciones del diseño. Haciendo que cumplan correctamente sus

funciones de acuerdo con los parámetros establecidos en la primera parte del diseño.

No se pueden efectuar cambios importantes en esta fase que afecte lo establecido en

la primera fase (diseño conceptual) [7]. Vale decir, que, al hacer un cambio en esta fase

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4

demandaría una modificación general del diseño y resultaría en vano lo realizado en la

fase conceptual.

Durante esta fase se hace uso de softwares de modelado y simulación, los cuales

contribuyen y facilitan la toma de decisiones en cuanto a las características del sistema

diseñado (tren de aterrizaje) como: material, peso y dimensiones que se utilizará en la

composición estructural del sistema de trenes de aterrizaje. Uno de los softwares más

utilizados para el proceso de modelado y simulación es ANSYS, un software especializado

de la industria aeroespacial y automotriz de uso sencillo e intuitivo; se hace uso de esta

herramienta tecnológica una vez definidas las dimensiones y forma del tren de aterrizaje y

posteriormente se hace la simulación, con la finalidad de conocer las cualidades

estructurales del sistema en mención, esta simulación se puede realizar haciendo uso del

mismo software, ya que cuenta con la herramienta de simulación o en todo caso se puede

utilizar otros programas informáticos con características similares tales como: SolidWorks,

AutoCAD, Solid Edge, Unigraphis, Autodesk inventor, Abaqus, Patran Nastran ,CATIA y

otros [8] y [9].

Asimismo, otro software avanzado para el cálculo y análisis de diseño y manufactura de

elementos mecánicos es Unigraphics NX3, este permite al usuario el diseño de geometrías

complejas como perfiles aerodinámicos. También cuenta con una gran variedad de

herramientas especiales para el modelado más rápido de diseños superficiales y sólidos.

Se destaca porque cuenta con dibujo de planos de construcción, descriptivos, simulación

de manufactura, análisis de movimiento y estructural entre otros [6]. Este software es muy

importante para los estudiantes de ingeniería que pretendan ingresar al mundo del diseño

y manufactura.

• Diseño detallado, es la última etapa, en el cual, de acuerdo con las fases anteriores, se

tiene un plano a detalle de lo que se diseñó y también se ultiman detalles del tren de

aterrizaje tales como procesos de producción y estimación de costos y tiempo.

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5

Habitualmente en esta fase de diseño se construye un prototipo para realizar los

ensayos necesarios y corroborar todos los cálculos realizados [7].

Al finalizar estas tres fases de diseño e inicie el proceso de fabricación del prototipo del

tren de aterrizaje puede existir ciertos problemas, ya que el tren de aterrizaje en diseño

computarizado difiere en ciertos aspectos al realizar la manufactura, dicho de otra manera,

lo diseñado haciendo uso de un software no es lo mismo al momento de la manufactura.

Estos problemas pueden solucionarse siempre y cuando no cambie significativamente el

diseño, una vez solucionadas las observaciones, se obtiene el prototipo final.

Por otro lado, la configuración de un tren de aterrizaje tipo triciclo cuenta con ventajas y

desventajas. Las principales ventajas son: permitir al UAV frenar rápidamente sin que la

nariz se acerque demasiado al suelo, fácil maniobrabilidad, eventualmente el peso

distribuido del UAV incrementa la estabilidad y seguridad. Mientras que sus desventajas

son: se incrementa considerablemente el arrastre, el peso del UAV incrementa ligeramente,

el tren de nariz esta propenso a tener daños estructurales debido a la fuerza al que es

inducido [10].

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CAPITULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 Reseña histórica

Los trenes de aterrizaje aparecieron poco después del primer vuelo realizado por los

hermanos Wrigth en 1903, siendo la aeronave “No 14-bis” de Santos-Dumont la primera

que contaba con el sistema de tren de aterrizaje el cual utilizaba ruedas tipo bicicleta

encargadas de la absorción de las fuerzas de impacto y realizaba las respectivas

operaciones en tierra (1906); los modelos siguientes fueron muy parecidos a la aeronave

mencionada [11].

El tipo de tren más usado en ese entonces fue el tren triciclo, sin embargo, ante la

necesidad de generar la mayor potencia se optó por otra configuración; tren convencional

o de cola, el cual permitía el uso de hélices o palas de grandes dimensiones en la planta

motriz con ello se incrementó la potencia y por lo tanto las aeronaves alcanzaban grandes

velocidades [9]. En la primera guerra mundial se empleó el sistema de trenes de cola

(convencional), siendo fuertemente unidos al fuselaje y contaban con cierto ángulo de

inclinación para la absorción de fuerzas de impacto, las aeronaves que utilizaron este

sistema son: Sopwith Camel, SPAD VII y SE5 (aviones de combate) [11].

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Asimismo, tras el desarrollo de motores que generen mayor potencia utilizando hélices

cortas, se volvió a hacer uso del tren triciclo, siendo esta la más utilizada hasta la

actualidad.

2.2 Definición del sistema de trenes de aterrizaje

El sistema de tren de aterrizaje es la estructura que tiene por finalidad soportar, absorber

y disipar las cargas totales generadas por una aeronave en operaciones en tierra, tiene

como funciones principales:

▪ Mantener la aeronave estable en el suelo durante la carga, descarga y rodaje.

▪ Permitir maniobrar libremente a la aeronave.

▪ Absorber el choque durante la operación de aterrizaje.

▪ Facilitar el despegue del avión, permitiendo la aceleración y la rotación con la menor

fricción.

En términos de diseño, el sistema de trenes de aterrizaje es el último componente

fundamental en ser diseñado. Vale decir, que los componentes tales como: ala, fuselaje,

empenaje y el sistema de propulsión deben ser diseñados con cierta anterioridad, teniendo

en cuenta datos de todos estos componentes como: peso, material, dimensiones, etc. Se

puede iniciar con el proceso de diseño [12]. Posteriormente, para ubicar la posición del tren

de aterrizaje, es relevante tener como datos: el centro de presiones, centro de gravedad,

las variaciones del centro de gravedad (en caso de las aeronaves que utilizan combustible

como energía para la propulsión), los cuales son fundamentales para hallar dicha posición.

2.3 Clasificación de los trenes de aterrizaje

Con relación a este tema, existen diversas formas de clasificación: según el mecanismo,

tipo de tren, amortiguación y otros.

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2.3.1 Según el mecanismo de tren de aterrizaje

Según el mecanismo, el sistema de trenes de aterrizaje se divide en dos grandes grupos:

trenes de aterrizaje fijos y retráctiles.

2.3.1.1 Tren Fijo

Sistema de trenes fijos, generalmente son utilizados en aeronaves pequeñas por las

dimensiones reducidas que estas poseen, son unidos al fuselaje o las alas. Por otro lado,

este tipo de tren implica un considerable incremento de resistencia parásita, ya que la

estructura del tren está expuesta y en contacto con el flujo de aire. Para contrarrestar o

reducir el arrastre producido, se implementan carenados o Wheel pants, revestimiento en

los cuales se albergan o cubre al tren de aterrizaje, estas superficies poseen cierta forma

aerodinámica en consecuencia disminuye la resistencia parásita [9] y [5] .

Figura 1: Trenes fijos de UAV. [3]

2.3.1.2 Tren Retráctil

Este tipo de mecanismo es el más empleado en las aeronaves comerciales y las que tienen

gran autonomía de vuelo, debido que al retraerse en el fuselaje disminuyen

considerablemente la resistencia parásita existente en toda la aeronave. Las desventajas

de este tipo de tren aterrizaje es que son pesados, tienen muchas piezas y por ende el

mantenimiento es costoso [2] .

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9

Figura 2: Tren retráctil de UAV. [3]

2.3.2 Según el tipo de tren

La clasificación por este parámetro es amplia, dentro de los más importantes se mencionan

los siguientes:

2.3.2.1 Tren Biciclo

Tren de aterrizaje biciclo, posee dos trenes principales ubicados en el eje longitudinal de la

aeronave, uno tras el otro, delante del centro de gravedad (c.g.) y detrás de este. Asimismo,

tiene dos trenes auxiliares en las alas para estabilizar el avión. En cuanto a la distancia

entre trenes con respecto al c.g. difieren mínimamente, en consecuencia, los trenes

soportan cargas similares [1] y [3] .

Figura 3: Tren biciclo. [13]

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10

2.3.2.2 Tren Triciclo

La configuración triciclo es una de las más utilizadas, consta de dos trenes principales

situado detrás del c.g. y un tren auxiliar o tren de nariz en la parte delantera el cual tiene

como función direccionar la aeronave en maniobras pre-vuelo y post-vuelo o en pista

propiamente dicho. En relación con la carga el tren principal soporta el 80-90 % y el tren

de nariz 10-20 %. Cabe recalcar que la altura de ambos trenes es la misma, sin embargo,

los neumáticos de los trenes principales son de mayor diámetro, a medida que el número

de ruedas se incrementa, el área frontal de la rueda disminuye, por lo tanto, mejora el

rendimiento de la aeronave en operaciones de despegue [1].

Figura 4: Tren triciclo [14].

2.3.2.3 Tren Multiciclo

Tren multiciclo, tiene como característica poseer múltiples neumáticos en los trenes, con la

finalidad de mejorar la seguridad en el despegue e incrementar la estabilidad en tierra.

Generalmente, este tipo de trenes se usa en aeronaves con grandes capacidades [3].

Figura 5: Tren multiciclo [14].

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2.3.2.4 Tren Convencional

Configuración convencional o patín de cola (tailwheel) fue una de las más usadas en los

primeros años de la industria aeronáutica, consta de dos trenes principales ubicados

delante del centro de gravedad (c.g.) y un tren pequeño en la parte posterior de la aeronave,

esta última tiene por objeto dar direccionamiento a la aeronave en tierra. Por otro lado, la

carga se reparte en un porcentaje de 80-90 % para los trenes principales y 10-20 % al tren

de cola [1] y [9] .

Figura 6: Tren de aterrizaje convencional (patín de cola) [14].

2.4 Parámetros de cálculo de tren de aterrizaje

En el tema de cálculos relacionado a las dimensiones y distancias de ubicación de los

trenes de aterrizaje, se desarrolla los siguientes ítems (2.4.1), (2.4.2), (2.4.3), (2.4.4) y

(2.4.5), considerados como los más importantes para el caso de los aviones no tripulados

(VANT o UAV), para los puntos mencionados se hace uso de las ecuaciones mostradas a

continuación [1] y [11]:

Carga de tren de principal = 0.92 ∗ WT (1)

Carga de tren nariz = 0.08 ∗ 𝑊𝑇 (2)

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇 (3)

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.85∗ 𝑊𝑇

2 (4)

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝐿)

𝐹 (5)

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12

𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 +(3.048

𝑚

𝑠2)∗𝐽∗ 𝑊𝑇

(9.81 𝑚

𝑆2)∗𝐹 (6)

𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)

2∗𝐹 (7)

𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)

𝟐∗𝐹 (8)

𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)

𝟐∗𝐹 (9)

𝐹 =𝑀1

1−0.8∗𝑊𝑇 ∗2

𝑊𝑇 ∗2

=𝑀1

0.2 (10)

𝐿 = 𝐹 − 𝑀1 (11)

𝐹. 𝐶𝑇𝑁 =𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 (12)

Siendo:

• 𝑊𝑇 : masa total de despegue.

• CEMTP: carga estática máxima en el tren principal.

• CEMTN: carga estática máxima en el tren de nariz.

• CDMTP: carga dinámica máxima en el tren principal.

• CDmTP: carga dinámica mínima en el tren principal.

• F: longitud horizontal del tren de nariz hasta el tren principal.

• M1: distancia del centro de gravedad al tren de aterrizaje principal.

• J: longitud vertical (altura) desde el suelo al centro de gravedad de la aeronave

• F.CTN: factor de carga del tren de aterrizaje

2.4.1 Distancia del centro de gravedad al tren de nariz (L)

La longitud horizontal del centro de gravedad hasta el punto de contacto del tren de

aterrizaje de nariz (L), es uno de los aspectos fundamentales en relación con la distribución

de cargas y estabilidad de una aeronave, por ende, la ubicación del tren de nariz debe estar

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13

ubicado lo más alejado posible del centro de gravedad (c.g.) para minimizar la carga a la

que va a estar expuesta y maximizar la estabilidad [1] .

2.4.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal (M1)

Para la distancia horizontal desde el centro de gravedad hasta el tren de aterrizaje principal

(M1), la posición del tren debe estar ubicado entre un 50 % (0.5) y 55% (0.55) de la cuerda

aerodinámica media (CAM), en caso de los UAV el centro de gravedad oscila entre el 7 a

27 % de la CAM, es decir antes del 50 %, por ende, para el cálculo se considera el 55 %

(0.55) de la CAM de esta manera la posición del tren principal está alejado del c.g. y por

ende soporta mayor carga [1].

2.4.3 Distancia entre el tren de nariz y el tren principal (F)

Para el cálculo de la longitud horizontal del tren de aterrizaje principal y el tren de nariz, se

usa las ecuaciones (4) y (7), este parámetro es fundamental en la estabilidad de la

aeronave y debe haber una proporción adecuada en la distancia que haya entre ambos

trenes de aterrizaje [1].

2.4.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track)

La distancia horizontal Wheel track, es un parámetro que brinda estabilidad en las tareas

de operación en tierra, ya que la distancia debe ser la suficiente para que no cause la

volcadura de la aeronave. Como primer término, se determina la fuerza centrípeta Fc, que

actúa en la aeronave durante los giros en tierra, para ello se debe conocer la masa de la

aeronave (m), la velocidad de maniobra en tierra (V) y el radio de giro (R) [14].

𝐹𝐶 = 𝑚𝑉2

𝑅 (13)

Una vez obtenido el valor de Fc, se puede conocer la distancia media de los trenes de

aterrizaje o wheel track. Asimismo, para determinar este dato se precisa de la altura del

centro de gravedad respecto al suelo (J) y la masa (m) [14].

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14

𝑌𝑜𝑡 =𝑭𝒄∗𝑱

𝒎.𝒈 (14)

Figura 7: Giros en tierra y que factores contribuyen: vista de planta (a) y vista alzada (b) [14].

2.4.5 Altura del tren de aterrizaje (J)

La altura del tren está definida entre la distancia del suelo con la parte más baja del fuselaje

o hélice, teniendo en cuenta el factor de seguridad [14]. Está altura también es diferente

debido a la configuración del tren de tren de aterrizaje y la misión de la aeronave.

𝐽 =𝑴𝟏

𝑻𝒈 (𝜽°) (15)

2.4.6 Cargas que actúan en el tren de aterrizaje

El tren de aterrizaje es el sistema que soporta el peso total de la aeronave cuando realiza

maniobras en tierra, así como el momento del aterrizaje, que es la situación en el cual está

sometido a cargas máximas. El tren de aterrizaje soporta cargas dinámicas y estáticas. Las

cargas dinámicas son las que varían su magnitud en el tiempo, un ejemplo de este tipo de

carga es en el momento del aterrizaje del avión, desde que hace el primer contacto con el

suelo. Mientras que las cargas estáticas son las que permanecen iguales, por ejemplo, en

el momento del parqueo de una aeronave. Se realizan cálculos de carga a las que estará

sometido, para encontrar la carga máxima de energía cinética disipada por la

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15

amortiguación y finalmente determinar las cargas que la estructura del tren debe soportar:

cargas verticales, laterales y longitudinales [2].

2.4.6.1 Cargas verticales

Las cargas verticales están supeditados a la razón de descenso o velocidad vertical,

además de la rugosidad de las superficies durante operaciones en tierra (taxeo, carrera).

El proceso de cálculo se determina con las ecuaciones siguientes [2]:

𝑉𝑑 = 4.4 (𝑾

𝑺)

𝟏/𝟒

(16)

𝐸𝑇 = 𝒏𝑺 ∗ 𝑷𝒎 ∗ 𝑵𝒈(𝜼𝒕 ∗ 𝑺𝒕 ∗ 𝒏𝒔 ∗ 𝑺𝒔) (17)

𝐶𝑉𝑇𝑃 = 𝒏𝑺 ∗ 𝑷𝒎 ∗ 𝑵𝒈 (18)

Donde:

• Vd, velocidad de descenso

• W, peso total de la aeronave (UAV)

• S, superficie alar

• ET, energía cinética máxima absorbida por el tren principal

• nS , numero de struts del tren principal

• Pm, carga estática máxima del tren principal por strut

• Ng, factor de carga del tren de aterrizaje

• η t, coeficiente de absorción de energía de la llanta

• St, deflexión máxima permisible de la rueda

• s, coeficiente de absorción del amortiguador

• Ss, carrera del amortiguador

• CVTP, carga vertical del tren principal

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16

2.4.6.2 Cargas laterales

Este tipo de cargas son causados durante un aterrizaje defectuoso, viento cruzado en taxeo

y giros en pista. La ecuación para el cálculo es [2]:

𝐶. 𝐿 =𝑊

2∗ 1.33 (19)

Donde:

• C.L, carga lateral

• W, peso total de la aeronave (UAV)

2.4.6.3 Cargas longitudinales drag

Las cargas longitudinales son causadas principalmente por cargas de spin-up, cargas de

frenado y fricción. Este tipo de cargas, se calculan con las ecuaciones que se muestran a

continuación [2].

𝐹𝐶𝐿 =𝑽𝒅𝟐

𝟔𝟒.𝟒∗(𝑺𝜼𝒕) (20)

𝐶. 𝐿 = (𝐹𝑃𝐿 − 0.667) ∗ 𝑊 (21)

𝐶𝐿𝐷 = 0.25 ∗ 𝑃𝐿 (22)

Donde:

• FCL, factor de carga limite

• CL, Carga limite

• CLD, carga longitudinal drag

• Snt, producto, del coeficiente absorción de energía de la llanta y la deflexión permisible

de la rueda más el coeficiente de absorción del amortiguador en carrera

2.4.7 Mecanismo de retracción del tren aterrizaje

Para una configuración de tren de aterrizaje retráctil, se requiere de un compartimiento

para la retracción, se debe tener en cuenta el lugar donde irán ubicados; ala, fuselaje,

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17

nacela (compartimiento del motor), ala-fuselaje. Al tener el tren retraído en una posición

inadecuada, podría repercutir de manera negativa a la performance de la aeronave y por

ende el diseño en sí, también podría incrementar el peso considerablemente, reducir el

almacenamiento del tanque de combustible (sea del fuselaje o de las alas) y crear

resistencia aerodinámica adicional [13].

Las posiciones de compartimientos más comunes tanto para aviones militares como civiles

son las siguientes:

• En el ala

Si el espesor del ala es suficiente para que ambas ruedas puedan entrar retraídas ahí, esto

debe ser previsto en la primera fase del diseño, ya que si el espesor del ala no es lo

suficientemente ancha este puede crear un orificio en el fuselaje al momento de que se

ponga en funcionamiento la retracción del tren de aterrizaje [15].

• En el fuselaje

Este es el más común para un tren de aterrizaje de grandes dimensiones ya que el fuselaje

proporciona el espacio suficiente. En caso el fuselaje no sea del tamaño requerido para los

trenes, se mantiene una parte de los trenes de aterrizaje fuera, envuelta por un carenado

como una protuberancia, tal es el caso de los antonov an-225. Para los aviones de combate

con alas muy delgadas el tren de aterrizaje se retrae todo dentro del fuselaje [15].

• En o bajo el ala y nacela

En aeronaves de ala alta, motores de turbopropulsión que cuentan con un gran espacio

en la nacela de los motores, por lo cual pueden retraer dentro de las cavidades provistas

para los trenes, ejemplos de este tipo de superficie para retracción lo tienen las aeronaves

Fokker 27, Antonov An-32 [15].

Una vez el tren de aterrizaje se encuentre extendido, se bloquea mediante un mecanismo

para que no ocurra un colapso inadvertido [15].

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18

En la siguiente figura se muestran las posiciones de retracción del tren principal.

Figura 8: Tipos de compartimientos de tren de aterrizaje [13]

En la siguiente figura se muestra el tipo de cinemática de recorrido que pueden tener los

trenes principales para retraerse. [11]

Figura 9: Cinemática de desplazamiento de tren de aterrizaje [11].

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19

2.5 Materiales empleados en los trenes de aterrizaje

El uso de materiales en el sistema trenes de aterrizaje, son diversos y están supeditados

al tipo de aeronave a la que son implementados (avión comercial, aviones de carga,

militares, aviones no tripulados), el tipo de pista, el ambiente de uso, entre otros factores.

Por otro lado, el uso de materiales metálicos y compuestos lidera en la manufactura del

sistema de trenes de aterrizaje en la industria aeronáutica.

2.5.1 Materiales compuestos

Los materiales compuestos son un sistema estructural resultado de la composición de dos

a más materiales que se genera a partir de la unión química a escala macroscópica, cuyo

comportamiento mecánico y propiedades son mejores en comparación a los que tienen

individualmente. La característica principal de los materiales compuestos son el bajo peso

y alta resistencia, esto es un factor importante y es un aporte significativo para la

distribución de cargas en el fuselaje, ya que haciendo uso de estos materiales se puede

direccionar la distribución de cargas [16] y [17].

Es importante precisar, que los materiales compuestos tienen como base dos elementos:

fibra y matriz, la combinación adecuada de estos componentes, da origen a materiales con

mejores propiedades. Además, de la fibra y la matriz existen aditivos que dotan de

propiedades especiales para fortalecer estos materiales. Por otro lado, en lo que concierne

a los materiales compuestos la fibra es el componente que aporta resistencia mecánica,

rigidez, dureza y resulta determinante para obtener las propiedades mecánicas más

importantes. Se mencionan tipos de fibra: vidrio, carbono, aramida, cerámicas, etc. A

continuación, se presentan los más importantes [18].

2.5.1.1 Fibra de vidrio

La fibra de vidrio es uno de los materiales más utilizados como refuerzos de matrices

plásticos, de esta manera formar compuestos estructurados. Materiales reforzados con

esta fibra, adquieren propiedades muy superiores y favorables, como: resistencia a la

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20

corrosión, a altas y bajas temperaturas de calor y frio respectivamente, buena relación

resistencia/ peso, buena estabilidad y propiedades aislantes eléctricas. Existen dos clases

importantes de fibra de vidrio: eléctricos (E) y de alta resistencia (S); las fibras de vidrio E,

son las más usadas en la fabricación de fibras continuas. Asimismo, el vidrio E no

modificado tiene una resistencia de tracción de 3.44 GPa y un módulo de elasticidad de

72.3 GPa.

Por su parte, la fibra S tiene una relación de resistencia-peso más alta y por ende su

producción es más costosa. Esta fibra tiene una amplia aplicación en el ámbito militar,

aeronáutico y aeroespacial. Teniendo una resistencia la tracción superior a los 4.48 GPa y

un módulo de elasticidad de 85.4 GPa. [17]

Por otro lado, las propiedades; resistencia y modulo elástico de la fibra de vidrio están

determinados en principio por la estructura tridimensional de los óxidos que la constituyen.

Es preciso señalar que el factor importante que determina la resistencia a la rotura del vidrio

es el deterioro que experimentan las fibras cuando hay fricción entre sí [17].

2.5.1.2 Fibra de carbono

La fibra de carbono es una de las más populares en la industria automotriz y aeronáutica.

Este elemento compuesto ofrece mayor adaptabilidad a geometrías complejas y es

compatible con gran parte de resinas, además, es un material que ofrece un gran aumento

de resistencia añadiendo un mínimo peso [3].

Por otro lado, las fibras de carbono son refuerzos empleados en la fabricación de materiales

compuestos con altas propiedades mecánicas. La obtención de esta fibra se realiza

mediante un proceso de descomposición térmica de: Rayon, PAN y Picht, el más utilizado

el Poliacrilinotrilo (PAN). Entre las propiedades más resaltantes figuran: resistencia

específica alta, inercia frente a la humedad, buena resistencia a disolventes orgánicos y

modulo específico alto. Asimismo, el carbono es un material excepcional para estructuras

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21

sometidas a cargas de fatiga, debido a que sus propiedades mecánicas son apenas

sensibles a la aplicación de cargas cíclicas [18].

2.5.2 Materiales metálicos

El metal es el material más usado en los trenes de aterrizaje, debido a su gran resistencia,

peso y costo accesible. Los metales más usados para la construcción del sistema de tren

de aterrizaje son el aluminio, aleaciones de acero y duraluminio [11].

2.5.2.1 Aluminio

El aluminio más usado para la fabricación de trenes de aterrizaje es el 7075-T73 debido a

que es considerado inmune a la corrosión y posee gran resistencia a la tensión. Otro

aluminio usado es el 7075-T6, este tiene una resistencia entre un 12-15% mayor a la

tensión [11].

En la tabla Nº1, se muestra las propiedades importantes del aluminio 7175-T736, material

caracterizado por su alta resistencia a la corrosión y tensión, adecuado para el uso en el

sistema de trenes que está sometido a condiciones severas de tensión y ambientes

corrosivos.

Tabla 1: Propiedades de aluminio 7175-T736 [11].

Aluminio 7175-T736

Propiedades Unidades

Módulo de elasticidad 72 GPa

Coeficiente de Poisson 0.33

Elongación de ruptura 12%

Resistencia última a la tracción 550 MPa

Resistencia de fatiga 160 MPa

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22

Fuerza de fractura 31 MPa-m½

2.5.2.2 Titanio

La aleación de titanio más usada en los trenes de aterrizaje es el Ti-61-6V-2Sn que puede

ser usada donde existan tubos o agujeros para que soporte tipos de fuerza de rigidez o

pandeo, es decir, cuando cualquiera de estas dos fuerzas sea muy grande. A este material

se le puede agregar un grosor de revestimiento, sin que aumente el peso y este no requiere

de protección para que no se deteriore [11].

Tabla 2: Tabla de propiedades mecánicas del aluminio Ti-61-6V-2Sn [11].

Titanio: Ti-61-6V-2Sn

Propiedades Unidades

Módulo de elasticidad 110.3 GPa

Coeficiente de Poisson 0.32

Elongación de ruptura 14%

Resistencia última a la tracción 1050 MPa

Resistencia de fatiga 140 MPa

Fuerza de fractura 60 MPa-m½

2.5.2.3 Aceros

Los aceros más usados para los trenes de aterrizaje son los 4130, 4340, 4330V y 300M.

Este último tipo de acero es comúnmente usado para la construcción de las abrazaderas,

los pistones que se encuentran dentro del eje del tren de fuselaje, debido a su alta

resistencia a la fatiga, excelente ductilidad [11].

2.5.3 Amortiguación con resortes en trenes de aterrizaje

Los resortes, son piezas elaboradas de material elástico, con configuraciones específicas

para brindar un intervalo de fuerza durante una deflexión considerable y/o almacenar

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energía potencial. Los resortes se diseñan con el objeto de dar empuje, fuerza de giro

(torque) y principalmente almacenar energía. Se pueden realizar con alambre redondo o

rectangular doblándolos adecuadamente como una bobina o con material plano cargado

como una viga. En referencia a la clasificación de resortes, existen diversas formas, como:

resorte helicoidal de compresión, helicoidal de tensión, helicoidal de torsión y otros. En

resortes planos es algo endémico que sean vigas en voladizo o apoyadas. Asimismo, hay

resortes de arandela con estilos variados (curvos, Belleville, de dedo, ondulados). A

continuación, se hace un breve análisis de las configuraciones y diseño de los principales

tipos de resorte [19].

• Resorte helicoidal de compresión. Esta configuración proporciona fuerza de empuje y

poseen una gran capacidad de deflexión. La forma estándar cuenta con una espiral de

diámetro constante, paso o distancia axial entre las espiras constante, y constante de

resorte fija. Por otro lado, es la configuración de resorte más común y disponible

comercialmente, gran parte de estos se fabrican con alambre redondo y alambre

rectangular. Las espiras con razones de resorte pequeñas se cierran primero,

incrementado así la constante de resorte efectiva cuando tienen contacto entre sí.

• Resortes cónicos. Son elaborados con una constante de resorte fija o creciente,

generalmente su constante de resorte no es lineal, lo cual se incrementa con la

deflexión, se debe a que las espiras con menor diámetro brindan mayor resistencia a

la deflexión y las espiras más grandes de flexionan primero. Al variar el paso de la

espira, se puede obtener una constante de resorte aproximadamente constante. Es

relevante mencionar que, la principal ventaja es cerrarse a una altura muy pequeña

como el diámetro de alambre, siempre en cuando espirales se comprimen. Las formas

de barril y de reloj de arena se emplean para cambiar la frecuencia natural del resorte

de forma estándar.

• Resorte helicoidal de tensión con gancho en los extremos. Este tipo de resorte

proporciona una fuerza para jalar y cuenta con una gran capacidad de deflexión. El

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gancho es el elemento quien soporta mayor esfuerzo en comparación con las espiras,

en consecuencia, falla primero. En caso de un objeto suspendido del gancho, caerá

cuando el resorte se rompa.

• Resorte de arandelas. Resortes que ofrecen fuerza de empuje y comúnmente

empleados para cargar algo axialmente. Suelen tener deflexiones mínimas, con

excepción de la arandela Belleville, sólo pueden suministrar cargas ligeras.

• Resortes de viga. Las vigas en voladizo o soportadas son las más comunes. Los

resortes de viga pueden tener ancho constante o forma trapezoidal. La constante de

resorte y la distribución de esfuerzos suelen ser controlados con cambios en el ancho

de la viga o en la profundidad a lo largo de su longitud. En cuanto a cargas pueden ser

altas, pero las deflexiones son finitas [19].

Por otro lado, en resortes de compresión, se suelen utilizar cuatro tipos de extremos: plano,

plano/esmerilado, a escuadra/cerrado, y a escuadra/esmerilado. Un resorte con extremos

planos cuenta con un helicoide continuo, es decir extremos iguales, como si a un resorte

largo se hubiera hecho cortes en secciones, por su parte, los resortes con extremos planos

a escuadra o cerrado se consigue a partir de una deformación a cero grados del ángulo de

la hélice. Para aplicaciones, relevantes, los resortes a escuadra y esmerilados son los más

adecuados, debido a que se obtiene mayor trasferencia de carga [20].

En las figuras siguientes, se muestran los tipos de extremos y tipos de resortes explicados.

Figura 10: Tipos de extremos de resortes [20].

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25

Figura 11: Configuraciones de resorte [19].

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26

En cuanto a los materiales y aleaciones usados en la elaboración de resortes existen en

gran variedad, sin embargo, hay un número limitado de materiales adecuados para su

fabricación. Los materiales deben poseer ciertas propiedades, entre ellos: alta resistencia

última, alto punto de fluencia y bajo módulo de elasticidad, para un almacenamiento

máximo de energía. Por otro lado, entre los materiales más usados para fabricar resortes

figuran: aceros al carbono, aceros de aleación y aceros resistentes a la corrosión, además,

bronce fosforado, latón, cobre al berilio y aleaciones de níquel [19] y [20].

Gran parte de los resortes que son sometidos a trabajo liviano son fabricados con alambre

redondo o rectangular formado en frio. Por su parte, los resortes sometidos a cargas

pesadas se fabrican fijándolos o rolándolos en caliente. En general, los materiales usados

para elaborar resortes son endurecidos con el objeto de obtener la resistencia requerida

[19].

A continuación, se presentan materiales al alto carbono y de aleación [20], asimismo se

muestra una tabla con información para el desarrollo de cálculo de dimensiones de resortes

de compresión.

• Alambre de piano 0.80-0.95C. Se conoce por especificaciones similares como: UNS

G10850, AISI 1085 y ASTM A228-51, es el material más empleado para fabricar

resortes pequeños, el más tenaz y posee mayor resistencia a la tensión y soporta

mayores esfuerzos antes cargas cíclicas o repetidas. Disponible en diámetros de 0.12

a 3 mm.

• Alambre templado en aceite 0.60-0.70C. Denominado también como: UNS G10650,

AISI 1065 y ASTM 229-41, acero de uso general y empleado en diversos tipos de

resortes de espiras. No es adecuado para el uso ante cargas de impacto. Se puede

disponer en diámetros de 3 a 12 mm.

• Cromo vanadio. Conocido como: UNS G61500, AISI 6150, ASTM 231-41. Esta es

aleación más popular para fabricar resortes en condiciones que implican esfuerzos

grandes y en usos que demanden resistencia a cargas cambiantes en el tiempo (fatiga)

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27

y alta durabilidad. Además, sirven para cargas de impacto. Disponible en 0.8 a 12 mm

de diámetro en recocido o prerrevenido.

• Cromo silicio. UNS G92540, AISI 9254, es un material idóneo para uso en resortes

sometidos a cargas de impacto que demanden de larga vida y esfuerzos elevados, son

disponibles en diámetros de 0.8 a 12 mm.

Tabla 3: Fórmulas de dimensionamiento de resortes [20].

Tipo de extremos de resortes

Término Plano

Plano y

esmerilado

A escuadra y

cerrado

A escuadra

y esmerilado

Espiras de extremo, Ne 0 1 2 2

Espiras totales, Nt Na Na + 1 Na + 2 Na + 3

longitud libre, Lo pNa + d p (Na + 1) pNa + 3d pNa + 2d

Longitud sólida, Ls d (Nt + 1) dNt d (Na + 1) dNt

Paso, p Lo - d/ Na Lo/ Na + 1 Lo - 3d /Na Lo -2d /Na

Espiras activas, Na

2.6. Softwares de diseño y análisis

En relación con el uso de softwares para diseño y posterior análisis estructural y simulación,

la elección debe ser determinado tomando en cuenta que el software elegido debe

satisfacer las necesidades que demanda la realización del diseño y de esta manera

coadyuvar la obtención de los objetivos propuestos.

2.6.1 Autodesk inventor

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Autodesk Inventor, desarrollado por la empresa Autodesk tiene su primera versión en el

año de 1999, teniendo como competencia a SolidWorks, CATIA y Solid Edge. Este

programa es uno de los más usados para diseño, ya que este software CAD (Diseño

asistido por computadora) permite tener gran precisión. Posterior a ello se pueden elaborar

los planos detallados, ya sea de un solo componente o de todo el mecanismo. La ventaja

de usar este software es que tiene una gran variedad de herramientas para el diseño.

Además, este software destaca porque tiene una interfaz intuitiva, cosa que otros softwares

de diseño no tienen y resultan ser complejos para el aprendizaje, otra de las razones por

las cuales destaca este software es que muchos diseñadores publican sus trabajos en

Internet, de este modo los estudiantes o aficionados pueden aprovechar para adaptar

diseños ya existentes a uno que se adecue a sus necesidades. Asimismo, en este

programa se puede hacer la simulación de cargas estáticas existentes en cierta parte del

sistema que se está realizando con este software [8].

2.6.2 CATIA

CATIA, software desarrollado por Dassault Systemes, compañía fundado en 1981 año en

el cual realizan la primera versión de CATIA V1 con la finalidad de crear productos

tridimensionales, por ingenieros de Dassault Aviation para la industria aeronáutica. Tras el

lanzamiento público de esta herramienta en 1984, logró su rápido posicionamiento como

líder en diseño aeroespacial, en mismo año la transnacional Boeing Company inicia el uso

de este software.

En 1999 se produce el lanzamiento de CATIA V5, el cual surge como herramienta renovada

orientada a la industria basada en el PLM (Product Lifecycle Management), un año después

la Airbus Company firma un acuerdo para la integración del software a la compañía.

A lo largo de la historia CATIA se ha definido como una herramienta de diseño intuitiva,

sencilla y con capacidades para el diseño de superficies complejas.

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29

Por otro lado, CATIA es una herramienta informática cuyas siglas representan Computer

Aided Three Dimensional Interactive Application que en términos de la lengua española se

interpreta como la aplicación tridimensional interactiva asistida por computadora,

inicialmente el propósito fue constituirse como el software de diseño en la industria

aeronáutica. Sin embargo, ante la eficiencia su uso se expandió al sector aeroespacial,

automotriz, naval, defensa y otros [9].

2.6.3 Simulación del tren de aterrizaje

Para la simulación del sistema del tren de aterrizaje se hará uso del software ANSYS,Inc

el cual permite desarrollar simulaciones de CDF (Dinámica de fluidos Computacional)

gracias a esta herramienta informática se puede efectuar las pruebas de aerodinámica y

esfuerzos para tener una referencia con gran semejanza a como se comportaría el tren de

aterrizaje cuando esté construido e interactúe con la aeronave y cumpla sus misiones

respectivas .

2.6.3.1 ANSYS

La empresa ANSYS (Swanson analysis system), Inc. Se fundó en el año de 1970, teniendo

su primera versión a finales de ese mismo año, esta empresa comercializa y presta soporte

al software de simulación para predecir la reacción y función un elemento o producto en el

entorno real. Cabe recalcar que una de las etapas en el cual podría haber más fallos es en

el mallado, ya que de acuerdo al método puede fallar en un punto, lo cual afecta la

convergencia del sistema.

Por otro lado, ANSYS es un software de simulación enfocado en la ingeniería y funciona

bajo la teoría de los elementos finitos para estructuras y volúmenes finitos para los fluidos.

En 1979, la versión 3.0, ANSYS se logra usar n una minicomputadora, posteriormente en

los años 1980-1984, deciden desarrollar el código ANSYS para procesadores que operan

punto flotante, asimismo, se presenta la versión 4.1 del programa compatible con modelos

CAD. En 1992 se adquiere FOLTRAN, por medio de la compra de COMPLUFO, 6 años

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30

después (1998), se presenta ANSYS/Ed, a la comunidad educativa, además, en el 2005

se da un gran avance en la búsqueda de un programa de análisis multifásica dado por la

adquisición de Century Dynamics y en el año 2006, adquiere FLUENT [9].

2.7 Diseño

El diseño de una aeronave y sus diversos sistemas, es un proceso iterativo que implica

análisis, síntesis y evaluación. Asimismo, es una disciplina que se fundamenta en una serie

de áreas cardinales de la ingeniería, tales como: aerodinámica, estructuras, propulsión,

estabilidad y control [13].

Para el diseño del tren de aterrizaje del trabajo de investigación es necesario precisar las

etapas empleadas en el diseño.

2.7.1 Diseño conceptual

Etapa de decisión que tiene por objeto la selección de un concepto viable y optimizado en

lo posible. Se precisa cómo se desea realizar el trabajo y se define la apariencia del sistema

de trenes de aterrizaje para el UAV, teniendo en cuenta que el diseño sea factible y cumpla

parámetros requeridos y considerando las características de la aeronave tales como:

posición de ala sea; baja, alta o media, posición del estabilizador horizontal, timón de

profundidad, sea convencional ubicado en el empenaje (timón en la parte posterior del

avión) o canard (timón en la parte delantera del avión), y otros. Se define la configuración

del tren de aterrizaje, que pueden ser del tipo biciclo, triciclo, multiciclo, convencional o

patín de cola, tándem u otra configuración que se considere adecuado, también, las

especificaciones que la aeronave posea; cantidad de ruedas del tren de aterrizaje,

disposición de los trenes en el fuselaje (estructura principal de una aeronave o cuerpo)

,configuración de la amortiguación y otros , además se define el mecanismo del sistema de

trenes (tren fijo, retráctil, semirretráctil) [11] y [3] .

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31

En síntesis, en esta etapa se establece un diseño general, sin entrar a detalle de las piezas

que lo compongan ni materiales. El objeto de esta etapa es definir cómo será, como

funcionará, que sea viable la manufactura y tenga buen funcionamiento.

2.7.2 Diseño preliminar

En esta segunda etapa de diseño se empieza con los cálculos del dimensionamiento y

ubicación del tren de aterrizaje. Seguidamente se procede con los cálculos de carga

respectivos para obtener las fuerzas, tanto dinámicas como estáticas a las que el tren

estará sometido. Luego se hace la selección de materiales del tren. Por otro lado, el diseño

preliminar es la etapa en la cual se realizan todos los cálculos y análisis necesarios para

que el sistema de trenes de aterrizaje funcione de manera óptima. Se realizan los cálculos

de dimensionamiento con respecto al centro de gravedad, cálculo sobre las cargas que

debe soportar con respecto al peso de la aeronave, también se hace un detalle de todas

las piezas necesarias para que se pueda realizar la manufactura del diseño. Asimismo, se

realiza el diseño de piezas en 3D haciendo uso de softwares computacionales, se define

el aspecto físico, se asigna los materiales y posteriormente se realiza la simulación. Los

softwares preferentemente utilizados son: Autodesk inventor, SolidWorks, CATIA V5 y

ANSYS, herramientas informáticas que se considera adecuados para realizar el diseño y

simulación [13].

2.7.3 Diseño detallado

Tercera y última etapa de diseño, se realizan los planos a detalle de las piezas que

componen el sistema de trenes de aterrizaje. Asimismo, se cuenta con un diseño final en

bosquejo y seguidamente se hace un prototipo donde se realizarán pruebas no destructivas

y finalmente se implementa en la aeronave. Por otro lado, en esta etapa de diseño se hace

una selección detallada de todos los componentes necesarios para la manufactura del

sistema del tren de aterrizaje, elementos como: tornillos, tuercas, lubricante, rodamiento;

asimismo, se elaboran planos detallados del sistema para la realización de la manufactura,

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se determina la respectiva estimación de tiempo de construcción del sistema de trenes y

se hace la estimación del costo total [11].

CAPITULO 3

MÉTODO DE SOLUCIÓN

3.1 Diseño del tren de aterrizaje

3.1.1 Diseño Conceptual

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De acuerdo a lo expuesto en el capítulo anterior, el diseño conceptual permitirá obtener los

parámetros básicos, definir dimensiones, configuración y otros aspectos necesarios e

importantes para el diseño, los cuales son objeto del trabajo de investigación.

A continuación, se detallan los puntos a desarrollar en esta etapa de diseño.

3.1.1.1 Requerimientos técnicos del tren de aterrizaje

El sistema de trenes de aterrizaje para una aeronave no tripulada, al igual que otros

sistemas que forman parte de ella, está supeditada a cumplir ciertos requerimientos de

diseño los cuales permiten garantizar la operación adecuada e idónea de la aeronave.

Por otro lado, la determinación de requerimientos está sujeta a las características técnicas

con la que cuenta el vehículo aéreo no tripulado (UAV), es decir, que depende de las

especificaciones que posea; tales como: peso total, envergadura, longitud, peso máximo

de despegue (máximum take-off weight), carga útil, ubicación del centro de gravedad (c.g.),

entre otros. Para el caso en específico de esta investigación, la aeronave cuenta con las

características técnicas detallada en la tabla siguiente:

Tabla 4: Características técnicas de UAV Tupac P1- UTP.

Envergadura 1.70 m

Longitud 0.85 m

Superficie alar 0.286 m2

Peso total 12.8413 N

Peso máximo de despegue 25.506 N

Velocidad máxima 27.78 m/s

Motor GPMG-4560 (1250 Kv)

Batería 5200 mAh

Alcance 1000 m

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Autonomía 0.30 h

Por otro lado, los requerimientos para los trenes aterrizaje de aeronaves no tripuladas

difieren en ciertos aspectos en comparación con trenes para aeronaves convencionales de

uso civil o militar, debido a la condición que esta ostenta (no tripulado).

De lo detallado anteriormente los requerimientos para el diseño del tren aterrizaje de un

UAV son: adaptabilidad, rigidez, estabilidad, mantenibilidad, bajo peso (liviano) y bajo

costo.

3.1.1.2 Especificaciones

En referencia a las especificaciones del sistema de trenes, se detalla a continuación: por

la configuración del sistema, el UAV es de tipo triciclo y cuenta con cuatro neumáticos

distribuidas en la estructura del avión no tripulado; dos neumáticos en los trenes principales

(uno en cada lado) y los dos restantes en el tren de nariz o de morro, todos ellos albergados

dentro del fuselaje; la altura del tren; debe ser adecuada con la finalidad de no alterar la

estabilidad de la aeronave, asimismo, se tendrá en cuenta el sistema de amortiguación

mediante resortes.

3.1.1.3 Configuración

El proceso de diseño de un sistema de tren de aterrizaje se inicia con la selección de la

configuración. Ante la existencia de diferentes tipos de configuración (biciclo, triciclo,

multiciclo, convencional, tándem u otros) cada uno con sus respectivas características, se

optó por la configuración de tren triciclo, dado que esta configuración presenta mayor

estabilidad y maniobrabilidad durante las operaciones en tierra y es más segura al

momento del despegue y aterrizaje.

Esta configuración cuenta con un tren principal y un tren de nariz o de morro, siendo el tren

principal el que soporta entre un 80% a 90% de carga, mientras que el tren de nariz resiste

un 10% a 20% de carga del peso total [14] y [3].

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En las figuras siguientes se muestran los diversos tipos de configuración.

Figura 12: Configuración de trenes de aterrizaje [13].

Figura 13: Configuración triciclo UAV Tupac P1-UTP.

3.1.1.4 Mecanismo de tren de aterrizaje

Existen diversos tipos de mecanismos para los trenes de aterrizaje, dentro de los cuales

los más importantes son: fijos y retráctiles.

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Los trenes fijos, son utilizados en aeronaves pequeñas de poco peso y una autonomía

baja. Con respecto al mantenimiento, son económicos ya que son simples, es decir que no

poseen gran cantidad de piezas, sin embargo, genera elevada resistencia aerodinámica

(oposición al avance). Algunos cuentan con sistemas de suspensión o amortiguación poco

sofisticados ya que este mecanismo no está expuesto a cargas de gran magnitud [13].

Los trenes retráctiles, son los más empleados en las aeronaves comerciales ya que este

sistema reduce considerablemente la resistencia aerodinámica generada por los trenes

extendidos. Sin embargo, es un sistema muy pesado, su mantenimiento es costoso, ya que

utilizan sistemas de amortiguación sofisticados y gran cantidad de piezas para hacer frente

a las cargas que se generan al momento de que la aeronave realiza operaciones en tierra

y no dañe la estructura del fuselaje [13] y [3].

De lo expuesto anteriormente respecto al tren de aterrizaje fijo, si bien es cierto este tipo

de mecanismo es adecuado para aeronaves pequeñas y ello incluye en gran parte a los

UAV, para el caso de esta investigación se opta por el segundo; tren de aterrizaje retráctil,

debido a que la finalidad es encontrar la máxima eficiencia aerodinámica de la aeronave,

es decir mayor sustentación posible a una menor resistencia, para lograr ese objetivo se

hace un diseño adecuado y eficiente, ello es más factible de lograr con el mecanismo de

tipo retráctil. Por otro lado, en cuanto al mantenimiento y costo difiere en gran medida a los

trenes de aterrizaje de los aviones convencionales (uso civil y militar), pero en la

composición suelen ser similares. Dicho de otra manera, ambos poseen un mecanismo de

retracción, sistema de amortiguación, dirección, disposición de ruedas entre otros.

A continuación, se muestra una tabla de comparación entre ambos mecanismos,

considerando las principales características.

Tabla 5: Comparación de tipos de tren.

Características / Tipo de tren Fijo

Resistencia aerodinámica Alta

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Maniobrabilidad Media

Mantenimiento Bajo costo

Diseño Fácil

Peso Bajo

3.1.2 Diseño Preliminar

De acuerdo a lo detallado en el capítulo 2, en esta etapa de diseño se realizan los cálculos,

análisis y evaluaciones necesarios para el funcionamiento idóneo del tren de aterrizaje.

Entre ellos: cálculos de dimensionamiento con respecto al centro de gravedad, las cargas

que debe soportar con respecto al peso de la aeronave, también se realiza diseño y

simulación con software (CATIA V5, ANSYS).

3.1.2.1 Dimensionamiento del tren de aterrizaje

Es el proceso de cálculo para la obtención de datos tales como: la distancia, el tamaño y

la ubicación del sistema de trenes de aterrizaje en la estructura de la aeronave (avión no

tripulado), haciendo uso de las ecuaciones establecidas e inferidas los cuales son

desarrollados a continuación:

3.1.2.1.1 Distancia del centro de gravedad del tren de nariz

El cálculo de distancias se puede realizar de dos formas; mediante el uso de ecuaciones

matemáticas y por el método gráfico. Para el caso de las ecuaciones se pueden obtener

en los libros de diseño de aeronaves citados en la bibliografía, y para el caso del método

grafico se debe contar con datos importantes de la aeronave, que se muestran en la figura

15, algunos de los autores mencionados realizan los cálculos con ambos métodos. Es

relevante mencionar que se debe tener en cuenta las cargas distribuidas que actúan sobre

los trenes tales como:

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Carga de tren de principal = 0.92 ∗ WT (1)

Carga de tren nariz = 0.08 ∗ 𝑊𝑇 (2)

Para el caso los trenes de aterrizaje de nariz, la ubicación debe ser lo más alejado del

centro de gravedad con la finalidad de reducir la carga y maximizar la estabilidad. Las

cargas estáticas máxima y mínima recomendadas varían en intervalos de 0.08 y 0.2.

Durante el cálculo de cargas, el valor tomado es el 0.15 del peso máximo de despegue

(WT), cumpliendo la condición que el diseño satisfaga una situación crítica. A continuación,

se muestra las ecuaciones de la carga estática máxima del tren de aterrizaje de nariz

(CEMTN) ecuación (3) y carga estática máxima del tren de aterrizaje principal (CEMTP)

ecuación (4), donde 2 representa la cantidad de neumáticos en el tren [11] y [1].

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇 (3)

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.8∗ 𝑊𝑇

2 (4)

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝐿)

𝐹 (5)

𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 +(3.048

𝑚

𝑠2)∗𝐽∗ 𝑊𝑇

(9.81 𝑚

𝑆2)∗𝐹 (6)

𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)

2∗𝐹 (7)

𝐶𝐷𝑚𝑇𝑁 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑁)

𝐹 (8)

𝐶𝐷𝑚𝑇𝑃 =𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)

𝟐∗𝐹 (9)

De las ecuaciones mostradas, la ecuación (5), representa carga estática máxima del tren

principal, la ecuación (3) es otra manera de hallar la 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 a razón de las distancias de la

ubicación de los trenes de aterrizaje, la ecuación (6) indica la carga dinámica máxima del

tren de nariz, la ecuación (7) indica la carga dinámica máxima del tren principal, la ecuación

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(8) indica carga dinámica mínima del tren de nariz, y finalmente la ecuación (9) dinámica

mínima del tren principal.

Las ecuaciones mostradas son necesarias para obtener la posición del tren delantero o

nariz. Cabe mencionar que el valor 3.048𝒎

𝒔𝟐 , es la desaceleración tomando en cuenta un

coeficiente de fricción =0.3, 9.81 𝑚

𝑆2 representa la aceleración de la gravedad [1].

Figura 14: Dimencionamiento del tren de aterrizaje respecto al centro de gravedad.

Por otro lado, la posición del tren principal debe estar ubicado en un intervalo de 0.5 y 0.55

de la cuerda aerodinámica media (CAM), de este modo el tren principal está más alejado

del centro de gravedad en consecuencia soporta mayor carga. De lo mostrado en la figura

9, L representa la longitud horizontal entre el centro de gravedad y el tren de aterrizaje de

nariz o delantero, M1, es la longitud horizontal del centro de gravedad al tren principal, F,

representa la distancia que entre el tren de aterrizaje principal y el tren auxiliar o delantero

y finalmente J, es la longitud vertical del centro de gravedad al sistema de trenes en

superficie.

Una vez obtenidas las variables, se puede iniciar con los procedimientos para el cálculo.

En caso del centro de gravedad y la cuerda aerodinámica media (CAM) ya se cuenta con

datos de dichas variables. Cg es 0.0825 m, CAM es 0.1392 m, S= 0.246 m^2, distancia

horizontal de la cuerda de raíz al cg es 0.2964.

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De las ecuaciones (4) y (7), se obtiene la ecuación para hallar la longitud entre el tren de

aterrizaje principal y el tren de nariz (F). 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.85∗ 𝑊𝑇

2 = 𝐶𝐷𝑀𝑇𝑃 =

𝑊𝑇 ∗(𝐹−𝑀1)

2∗𝐹

𝐹 =𝑀1

1−0.85∗𝑊𝑇 ∗2

𝑊𝑇 ∗2

=𝑀1

0.15 (10)

Figura 15: Dimensiones del centro de gravedad respecto a la CAM.

De la figura 10 se obtiene el valor de M1, el cual es igual a M1=0.0567 m, considerando

0.55 de la cuerda aerodinámica media (CAM) como posición del tren principal, por lo tanto,

con la ecuación (9), F es igual a F=0.378 m.

Conociendo estos datos se plantea la ecuación (11) parta obtener la longitud horizontal del

centro de gravedad al tren de nariz, L.

𝐿 = 𝐹 − 𝑀1 (11)

De la ecuación (10) la longitud correspondiente es L=0.2276.

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Figura 16: Cálculo mediante el método gráfico. [11]

3.1.2.1.2 Distancia del centro de gravedad al tren principal

El cálculo de la longitud horizontal del tren de aterrizaje principal y el centro de gravedad

M1, se realiza con la figura 10 y el valor obtenido es M1= 0.0569. Este valor es importante

para la obtención de la distancia entre los trenes de aterrizaje principal y de nariz (F).

3.1.2.1.3 Distancia entre el tren principal a tren de nariz (Base)

Esta distancia que representa la longitud horizontal del tren principal al tren de nariz F, se

obtiene con los datos anteriores haciendo uso de la figura 4, el cual da como resultado una

distancia de F=0.378 m.

3.1.2.1.4 Distancia entre trenes principales (Wheel track)

El Wheel track o distancia entre trenes principales es un parámetro que dará estabilidad al

momento de hacer las tareas en tierra, ya que este debe tener la suficiente distancia para

que no ocurra volcadura de la aeronave. Primero se determina la fuerza centrífuga 𝐹𝑐 que

actúa en la aeronave al momento de girar en tierra, para esto se debe conocer la masa de

la aeronave (m), la velocidad de maniobra en tierra (V) y el radio de giro [14]. m=1.310 kg,

v=2 m/s y R=0.9 m.

𝐹𝑐 = 𝑚𝑉2

𝑅 (13)

𝐹𝑐 = (1.3010)22

0.9= 5.822 𝑁

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Con la fuerza centrífuga, se puede hallar la distancia de la mitad del track, es decir, la

distancia desde un tren principal hasta la línea horizontal del centro de gravedad. Para

obtenerlo, se necesita la altura del centro de gravedad con respecto al suelo (𝐻𝑐𝑔) o (J) y

la masa (𝑚).

𝑌𝑜𝑡 =𝐹𝑐 ∗ 𝐻𝑐𝑔

𝑚𝑔 (14)

𝑌𝑜𝑡 =𝟓.𝟖𝟐𝟐∗𝟎.𝟏𝟗𝟖𝟒

𝟏.𝟑𝟏𝟎∗𝟗.𝟖𝟏= 0.089 𝑚, por lo tanto, Wheel track es 0.178 m.

3.1.2.1.5 Altura del tren de aterrizaje

La altura del tren de aterrizaje es una característica importante del sistema de trenes de

aterrizaje, debido a que una altura inadecuada la aeronave incrementará la posición del

centro de gravedad, en consecuencia, la aeronave será inestable al momento de hacer

virajes en tierra.

El método para hallar la altura de un tren de aterrizaje consiste en disponer de la distancia

M1, que es la longitud que hay entre el tren principal con el centro de gravedad y el ángulo

que esta forma con el tren Θ°, dicho ángulo oscila en un intervalo de 8°-16° [3]. Para el

cálculo de la altura se asume Θ=16°, debido a que, si el ángulo fuese mayor habría una

tendencia a cabecear o ir hacia adelante lo cual haría que la aeronave (UAV) sea inestable.

Definiendo el ángulo y conociendo la distancia M1, se determina J con la cotangente del

ángulo formado por el centro de gravedad y la posición del tren principal.

𝐽 =𝑀1

𝑇𝑔 (16°) (15)

Figura 17: Calcúlo de altura de trenes de aterrizaje.

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De la ecuacion (15) J= 0.1984 m, este resultado se adecua alas caracteristicas con la que

cuenta el UAV y se deduce por lo expuesto anteriormente que la aeronave es estable en

maniobras en tierra (carreteo, despegue y aterrizaje).

3.1.2.2 Cálculo de cargas que actúan en el tren de aterrizaje

Las Cargas dinámicas y estáticas, tanto verticales, laterales y longitudinales, se obtienen

con las distancias horizontales que describen la posición del tren de aterrizaje con respecto

al suelo y otros valores. En condiciones críticas, es decir, soportando una carga de 0.15

del valor del peso máximo al despegue 𝑊𝑇 (MTOW), la carga estática máxima del tren de

nariz se obtiene, haciendo uso de la ecuación (3)

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 𝑊𝑇

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 0.15 ∗ 25.506; 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 = 3.8259 𝑁

Para hallar la carga máxima dinámica del tren de nariz es necesario determinar

previamente la carga estática y la altura (J). Cabe resaltar que en esta ecuación hay dos

valores predeterminados (3.048𝑚

𝑆2) que es la desaceleración considerando un coeficiente

de freno y la gravedad (9.81𝑚

𝑆2). y F es la distancia entre el tren de nariz y tren principal. De

acuerdo con la ecuación (6), se obtiene:

𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁 = 𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁 +(3.048

𝑚𝑠2) ∗ 𝐽 ∗ 𝑊𝑇

(9.81 𝑚𝑆2) ∗ 𝐹

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CDMTN = 5.3955 N

Asimismo, la carga estática máxima y la carga dinámica máxima en el tren de aterrizaje

principal, se obtiene con la ecuación (4):

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 =0.8∗ 𝑊𝑇

2

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑃 = 10.2024 N

Por otro lado, se calcula el factor de carga o factor de reacción del tren de aterrizaje F.C.TN,

el cual se obtiene del cociente de la carga dinámica máxima y la carga estática máxima,

mediante la ecuación (12):

𝐹. 𝐶𝑇𝑁 =𝐶𝐷𝑀𝑇𝑁

𝐶𝐸𝑀𝑇𝑁=

5.3955

3.8259

𝐹. 𝐶𝑇𝑁 = 1.41

Figura 18: Cargas actuantes en el tren de aterrizaje [14]

3.1.2.2.1 Cálculo de cargas verticales

Considerando la ecuación (16) y haciendo uso de la tabla 4, se determina la velocidad de

descenso (Vd), lo cual sirve para el cálculo de la carga vertical (CVTP). Es relevante

mencionar que el cociente del peso total y la superficie alar también es denominado carga

alar. Según la FAR 23 (federal aviation regulation) esta ecuación es para unidades del

sistema americano.

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𝑉𝑑 = 4.4 (𝑊

𝑆)

𝟏/𝟒

𝑉𝑑 = 4.4 (2.888 𝑙𝑏

3.078 𝑓𝑡2 )

𝟏/𝟒

= 4.3305𝑙𝑏

𝑓𝑡= 1.3199 𝑚/𝑠

𝐶𝑉𝑇𝑃 = 𝒏𝑺 ∗ 𝑷𝒎 ∗ 𝑵𝒈 = 2 ∗ 10.2024 ∗ 1.41

𝐶𝑉𝑇𝑃 = 28.7708 𝑁

Es preciso recalcar que la Pm es igual CEMTP, carga estática máxima y Ng representa F.

CT, factor de carga del tren, asimismo, ns, número de strut del tren principal, el cual según

los autores consultados suele ser 2.

3.1.2.2.2 Cálculo de cargas laterales

Para determinar la carga lateral C.L, hacemos uso de la ecuación (21).

𝐶. 𝐿 =𝑊

2∗ 1.33 =

12.8511

2∗ 1.33

𝐶. 𝐿 = 8.560 𝑁

3.1.2.3 Cálculo de resortes para el tren de aterrizaje

Los autores citados coinciden en hacer uso de información sobre resortes existentes en el

mercado y adecuar a las demandas, para amortiguación en los trenes de aterrizaje son:

resistencia a las cargas estáticas y dinámicas.

Para el tren de aterrizaje diseñado, se hace uso de resorte helicoidal de compresión con

extremos planos a escuadra y esmerilado, ya que este tipo de resorte posee propiedades

muy significativas de transferencia de carga, adecuados para disipar energías de carga y

esfuerzo de aterrizaje. El resorte es de material alambre de piano o alambre musical, este

tipo de material presenta mayor resistencia a cargas de repetitivas y cargas de tensión.

Para el cálculo se utiliza el catálogo de resortes de AsRaymond, anexo 5. El resorte elegido

es D12390 y posee las características siguientes:

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Diámetro exterior, Do =9.60 mm, diámetro de alambre, d =1.6 mm, longitud libre, Lo =65.50

mm, longitud cargada, L1 =35.20 mm, Altura sólida, Ls =32.80 mm, carga a L1, P =211.52

N y coeficiente de compresión, R =7.05 N/mm.

• Numero de espiras totales (Nt), utilizando la tabla 3:

Nt =Na + 2

Ls = d x Nt; Nt = Ls/d

Nt = 20.5

• Paso (p), utilizando la tabla 3:

p = Lo- 2d / Na

Nt = Na + 2; Na = Nt -2; Na = 18.5

p = [65.50 -2(1.6)] /18.5

p =0.000337 m (3.37mm)

3.1.2.4 Cinemática de retracción del tren de aterrizaje

El tren de aterrizaje del UAV utilizará un mecanismo retráctil (mediante servos), tal como

se muestra en la figura 19, para que cumpla su correcto desplazamiento. Al momento de

estar retraídos, los trenes principales se guardarán en el interior del fuselaje, de este modo

se reduce considerablemente la resistencia aerodinámica que efectuaban al estar

extendidos.

Figura 19: Cinemática del tren de aterrizaje [13].

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Para este punto se usa el software SAM-artas 6.1, para la simulación del mecanismo de

retracción, es decir, la cinemática que existirá en el tren de aterrizaje, y así mismo poder

obtener las fuerzas, desplazamiento y todos los parámetros durante el tiempo en el que

este mecanismo funcione. Para realizar el debido cálculo se realizan los siguientes pasos:

• Se abre el software SAM-artas 6.1

• Se selecciona la herramienta “Create beam element”, tal como se muestra en la figura

20.

Figura 20 : Procedimiento para realizar la simulación.

• Se coloca un punto fijo, para que el mecanismo de retracción del tren de aterrizaje

pueda tener un movimiento sobre un punto de pivot. Como se muestra en la figura 21.

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Figura 21. Punto fijo o pivot

• Con la herramienta Angle input motion, se selecciona el elemento que tendra ovimiento,

con el punto de fijación

• Posteriormente se ponen los valores de movimiento que tendrá,se muestra en la

figura 22.

Figura 22. Valores para el movimientodel mecanismo

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49

• Finalmente, se selecciona la la herramienta Select nodes/Element properties to

display in graph, y se hace la selección de parámetros que se desean observar con

respecto al tiempo transcurrido en el movimiento.

En las figuras siguientes se muestran el movimiento del mecanismo para el tren de

aterrizaje en diversos instantes de retracción. La figura 23 representa el mecanismo del

tren cuando esta extendido.

Figura 23. Movimiento del mecanismo para tren de aterrizaje en 0 s.

Figura 24: Gráfica del tren de aterrizaje en 1s

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50

Figura 25 : Gráfica del tren de aterrizaje en 3s

Figura 26 : Gráfica del tren de aterrizaje en 5s

Teniendo en cuenta que el movimiento sera accionado mediante servos electronicos, el

cual se considero simular el movimiento, se obtuvo como resultados: Aceleracion de a=

0.01958 m/s2 , velocidad de v=0.06233 m/s y una velocidad angular de ω=0.3142 rad/s.

3.1.2.5 Diseño estructural 3D

Se hace uso del software CATIA V5;, el cual sigue la secuencia es la siguiente:

• Start

• Mechanical design

• Part design y se pone el nombre de la pieza. Como se muestra en la figura 27.

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Figura 27: Inicio de diseño de partes de los trenes de aterrizaje

• Se elige el plano de trabajo y se inicia con el diseño de la pieza.

• Se crea Sketch, mostrado en la figura 28.

Figura 28: Elección de plano y Sketch

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• Se usa las herramientas de Circle y Spline para dar el perfil que tendrá la pieza, en este

caso el neumático para el tren de aterrizaje.

• Se usa la herramienta Quick Trim para borrar los trazos innecesarios, luego se finaliza

el Sketch con Exit Workbench . Ver las figuras 29 y 30.

Figura 29: creación del perfil de la pieza fase inicial

Figura 30: creacion del perfil de pieza ,fase final

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• Luego de crear el perfil, se cambia de modo de uso del software de Mechanical design

-Part design a Shape-Generative Shape Design, con la finalidad de usar la herramienta

Revolve, figura 31.

• Finalmente, se usa la herramienta Revolve y crear la pieza (neumático). Figura 32.

Figura 31: Cambio de modo de uso

Figura 32: uso de Revolve y creación del neumático.

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• Para las piezas restantes se sigue el mismo proceso. Es relevante mencionar que el

proceso seguido no el único para poder crear piezas.

Por otro lado, para desarrollar el ensamble se procede con cambiar el modo de uso a

Mechanical Design- Assembly Design y se inserta las piezas diseñadas, figuras 33 y

34. Figura 33: Inicio del proceso de ensamble

Figura 34: Fase inicial de ensamble

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• Se usa la herramienta Coincidence Constrain para iniciar el ensamble

• También se puede usar Contact Constrain, Offset Constrain y otras herramientas.

• Luego Update All, se sigue el mismo proceso para las demás piezas.

Figura 35: Ensamble del neumático

Figura 36: Ensamble tren de nariz-fase inicial.

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Figura 37: Ensamble del tren de nariz -fase final.

Figura 38: Ensamble completo

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3.1.2.6 Selección de material

Existen muchos materiales disponibles con los que se puede fabricar los trenes de

aterrizaje, pero debido a que este sistema debe ser lo menos pesado posible los materiales

más usados son: aluminio, aleaciones de aluminio, fibra de vidrio y fibra de carbono.

Para el caso de este diseño de tren de aterrizaje los materiales que se han seleccionado

son dos de los materiales mencionados, los cuales son el aluminio y la fibra de vidrio ya

que estos materiales son los más idóneos para soportar cargas y no aumentan

significativamente el peso de este sistema, estos son propicios para parámetros que se

busca en esta investigación, rigidez y peso.

3.1.2.7 Simulación

Este proceso se hace una vez concluido el diseño en 3D y una vez hecho la selección de

materiales en las figuras siguientes se muestra los resultados de la simulación el software

SolidWorks. La simulación inicial es el análisis estático figura 37 representa el análisis del

factor de seguridad del tren de nariz, para el caso de el tren de nariz, la carga estática

máxima es de 3.8259 N

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Figura 37: Factor de seguridad

Por otro lado, en la figura 38 se muestra el análisis de desplazamiento del tren sometido a

una carga dinámica máxima de 5.3955 N, en esta figura se observa que el resorte disipa

la energía generada por el peso.

Figura 38: Análisis de desplazamiento

En la figura 39 se muestra la deformación unitaria del sistema de trenes de aterrizaje

sometido a una carga dinámica máxima de 5.3955 N.

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Figura 39: Deformación unitaria

3.1.3 Diseño Detallado

En esta etapa de diseño se hace una selección detallada de todos los componentes

necesarios para la manufactura del sistema del tren de aterrizaje, elementos como:

tornillos, tuercas, lubricante, rodamiento; así mismo también se hace un plano detallado de

todo el sistema para la realización de la manufactura, se hace la respectiva estimación de

tiempo de construcción del sistema de trenes y se hace la estimación costo total de este.

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CAPITULO 4

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Luego de efectuar los cálculos requeridos para el diseño de un tren de aterrizaje para un

avión no tripulado con motor eléctrico se menciona lo siguiente:

4.1 Ubicación del tren de aterrizaje

Se determinó mediante ecuaciones que la ubicación adecuada para el tren de aterrizaje

principal del UAV respecto al centro de gravedad es L= 0.2276 m, y la ubicación del tren

de nariz respecto al centro de gravedad es M1=0.056.

Las distancias determinadas cumplen con las demandas de estabilidad y direccionalidad

del UAV. Se determina esto teniendo como base las características técnicas de la aeronave

UAV-Tupac P1.

4.2 Cargas en el tren de aterrizaje

De acuerdo a las ecuaciones usadas para el cálculo, detalladas en los capítulos del trabajo

de investigación. Las cargas en los trenes de aterrizaje son: carga en tren principal 23.4655

N, carga en el tren de nariz 2.0405 N.

Las cargas expresadas en porcentaje representan un 8.0001 % de carga para el tren de

aterrizaje de nariz y un 91.999 % para el tren principal. En cuanto al valor del tren de nariz

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se encuentra por debajo el promedio (10-20%) expresado por los autores consultados y el

valor de tren de nariz es mayor en un porcentaje mínimo, considerado normal.

4.3 Softwares para el diseño y simulación del tren de aterrizaje

En referencia al uso de softwares en el diseño y simulación. Se optó por el programa CATIA

para el diseño del sistema de trenes de aterrizaje. Debido a que esta herramienta posee

una interfaz amigable, lo cual permitió realizar un diseño adecuado. Sin embargo, al ser un

software sofisticado requiere de conocimientos previos con softwares similares.

Por otro lado, para la simulación se utilizó el software ANSYS, considerado como el

software apropiado para determinar las cargas a las que está sometido los trenes de

aterrizaje. Se comprobó que las determinadas por la ecuación difieren en mínimo con las

obtenidas por el software.

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CONCLUSIONES

• Se diseñó un tren de aterrizaje para un avión no tripulado con motor eléctrico, de tipo

triciclo y retráctil el cual cumple las funciones requeridas en el aterrizaje, despegue y

otras operaciones en tierra. Con el diseño realizado se dio solución al problema

estructural al que era sometido el fuselaje del UAV-Tupac P1.

• Se determinó que la ubicación del tren de aterrizaje respecto al centro de gravedad

corresponde a: distancia del centro de gravedad y el tren de nariz L=0.2276 m, distancia

del centro de gravedad al tren principal es M1= 0.0569 m, el Wheel track o distancia

entre trenes principales es igual a 0.178 m, distancia entre el tren de aterrizaje principal

y el tren de nariz es,0.378 m y la altura del tren de aterrizaje J= 0.1984 m. Estas

dimensiones proveen estabilidad y direccionalidad.

• Se calcularon las cargas que actúan en el tren de aterrizaje de la aeronave no tripulada,

obteniendo la carga para el tren principal igual 23.4655 N, el cual representa el 92 %

de la carga total y carga en el tren de nariz igual 2.0405 N, representa el 8%. cargas

consideradas satisfactorias.

• Se elaboraron los planos del tren de aterrizaje presentados en los anexos (1), también

se elaboraron los planos del UAV-Tupac P1, mostrados en los anexos (2), (3) y (4). Los

planos ayudaran a una futura construcción e instalación en el avión no tripulado.

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• Se simuló el funcionamiento del tren de aterrizaje con el software ANSYS, el cual

permitió corroborar los valores obtenidos con resultados satisfactorios.

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RECOMENDACIONES

• Se recomienda la implementación del tren de aterrizaje diseñado en la aeronave no

tripulada UAV-Tupac P1, con la finalidad de prevalecer su integridad estructural durante

las etapas de aterrizaje en el ciclo de vuelo.

• Realizar el cálculo de cargas a las que el tren de aterrizaje está sometido haciendo uso

de las ecuaciones y usando un software, ello permitirá corroborar los datos

determinados.

• En relación al uso del software, elegir uno que sea de su dominio para escatimar tiempo

y ser eficaz en el diseño, de ese modo podrá disponer más tiempo para efectuar la

simulación y análisis.

• {El presente tren de aterrizaje ha sido diseñado específicamente para el UAV-TupacP1,

este podría adaptarse para aeronaves similares, sin embargo, su eficiencia al momento

del uso no será el mismo.

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BIBLIOGRAFIA

[1] O. Rojo Mendoza y L. R. Morgado Rodriguez, Diseño y cálculo mecánico del tren de

nariz de un UAV, México D.F.: Instituto Politécnico Nacional, 2015.

[2] N. Peña Santanilla, L. F. Mondragón Garzón y O. M. Castillo Orjuela, Análisis

estructural de fuselaje y tren de aterrizaje de una aeronave deportiva en proceso de

construcción (FI-156 STORCH), Bogotá D.C: Universidad San Buenaventura, 2005.

[3] P. Armando Garcia y J. D. Betancourt Salazar, Diseño y Construccion del Trende

Aterrizaje para la Aeronave VANT Solvendus, bogotá: Fundación Unversitaria Los

Libertadores, 2017.

[4] B. Mulyadi y R. Meyfal , «A new Concept for UAV Lnding Gear Shock Vibration

Control Using Pre-straining Spring Momentum Exchange Impact Damber,» Journal

of Vibration and Control, vol. 24, nº 8, pp. 1455-1468, 2016.

[5] J. Rodriguez Gómez, Tren de Aterrizaje del Folcke Wulf fw 190, Reconstrucción y

Análisis Virtual, Cataluña: Universidad Politécnica de Cataluña, 2013.

[6] R. Hernandez Hipólito, Análisis estructural de un tren de aterrizaje fijo de un avión

ultraligero, México D.F: Instituto Politécnico Nacional, 2007.

[7] S. Engín, Design and Manufacturing of a Tactical Unmanned Air Vehicle, Cankaya :

Middle East Technical University, 2010.

[8] A. Meroño Garmica, Diseño de un UAV Eléctrico de 3 Metros de Envergadura,

Sevilla: Univeridad de Sevilla, 2014.

Page 78: Diseño del tren de aterrizaje para un avión no tripulado ......diseño del sistema trenes de aterrizaje, se debe tomar en cuenta tres tipos de fuerzas: verticales, longitudinales

66

[9] R. Rangel Escobar, Guia para Diseño de Trenes de Aterrizaje de Aeronaves

Pequeñas Mediante ANSYS-CATIA, México D.F: Universidad Politécnico Nacional,

2015.

[10] J. Parmar y V. Acharya, «Selection and Analysis of the Landing Gear for Unmanned

Aerial Vehicle for SAE AERODESIGN Series,» International Journal of Mechanical

Engineering and Technology (IJMET), vol. 6, nº 2, pp. 10-18, 2015.

[11] N. S. Currey, Aircraft Landing Gear Design: Principles and practice, Georgia:

American Institute of Aeronautics and Astronautics , Inc..

[12] S. Mohammad H, Unmanned Aircraft Design: A Review of Fundamentals,

Mancherter: Morgan and Claypool Publishers, 2017.

[13] D. P. Raymer, Aircraft Design : A Conceptual Approach, California: American

Institute of Aeronautics and Astronautics ,inc., 1992.

[14] S. Mohammad H, Aircraft Design: A System Engineering Approach, New hampshire:

Wiley, 2013.

[15] A. Kumar Kundo, Aircraft Design, Nueva York: Cambridge University Press, 2010.

[16] A. Garza Sàenz, A. Montello Villanueva, G. Garcia Sànchez, S. Tilvaldyev y D. L. G.

T. , «Diseño de soportes de material compuesto, pàra trenes de aterrizaje; un

estudio basado en la relaciòn rigidez peso,» EBSCOhost, vol. 13, nº 59, pp. 6-17,

2016.

[17] G. Landa Avilés, Estudio experimental sobre el refuerzo a cortante de estructuras de

hormigón mediante materiales compuestos, Cataluña: Universidad Politécnica de

Cataluña, 2002.

[18] D. Bey Ruiz, Diseño de fabricacion en fibra de carbono de un compensador de giro

de una aeronave., Cádiz: Universidad de Cádiz, 2006.

[19] R. I. Norton, Diseño de maquinas, un enfoque integrado., Cuarta ed., L. M. C.

Castillo, Ed., Ciudad de México: Pearson, 2008, pp. 647-720.

[20] R. G. Budynas y J. K. Nisbett, Diseño en ingenieria mécanica de Shigley, Octava

ed., D. b. A. Ricardo A, Ed., Monterrey: Mc Graw- Hill interamericana., 2008, pp.

499-547.

[21] J. Akhilesh, «Langing gear layout design for unmanned aerial aircraft,» National

conference on machines and mechanisms, Bangalore, 2009.

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ANEXOS

Anexo 1: tren de nariz

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Anexo 2: ensamble del UAV-Tupac P1 y el tren de aterrizaje

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Anexo 3: vista de perfil UAV-Tupac P1 y tren de aterrizaje

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Anexo 4: UAV-Tupac P1

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Anexo 5: Catalogo asRaymond alambre de piano

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Material Cantidad Precio unitario

(Soles) Precio total S/.

Impresiones/Copias 30,00 1,00 30,00

Software 3,00 149,00 447,00

Folders 30,00 0,50 15,00

Faster 30,00 0,20 6,00

Movilidad 17,00 1,50 25,50

TOTAL 523,50