Diseño de aviones: nuevos y viejos conceptos

Muchas veces uno se pregunta si los aviones comerciales pueden adoptar otras formas. Hasta hoy casi todos los grandes fabricantes de aviones comerciales ofrecen la misma configuración: un tubo metálico de sección circular o casi circular con alas y cola convencional. En los modelos de aviones regionales como el E-Jet se ha optado por el concepto de doble burbuja (double bubble fuselage) para dar más amplitud a la cabina de pasajeros. 

Este no es un nuevo concepto. Ya se había ensayado con otros fabricantes, como por ejemplo en el modelo 377 de Boeing. En este modelo se ofrecía la doble burbuja mucho más exajerada que en los modelos del reactor regional E-Jet. Debajo se puede ver una sección de este fuselaje. Aún así se trataba de secciones circulares.

Debajo se pueden ver varias secciones transversales de diferentes modelos. La mayoría son circulares o casi circulares. Existen notables excepciones como la del avión británico Shorts 360, que tiene una sección cuadrada, muy útil (más que la sección circular) si lo que se quiere es aprovechar bien el espacio. Ahora bien, desde el punto de vista estético este avión es feo (como casi todos los aviones británicos). 

¿Por qué los fuselajes suelen ser circulares?

La razón principal por la que los fuselajes son circulares (en aviones presurizados) es debida a que esta estructura es la más adecuada para resistir cargas de presión por medio de fuerzas tensionales. Si se tratara de secciones cuadradas o no circulares estas cargas producirían flexión. Además, las secciones no circulares tienen puntos de concentracion de esfuerzos cuando se presuriza la cabina, lo que puede llevar al fallo estructural. Aerodinámicamente, en un diseño circular, el flujo de aire no se llega a separar tanto del fuselaje cuando se vuela con pequeños o moderados ángulos de ataque o se sufren deslizamientos laterales.

En caso de aeronaves no presurizadas, las dimensiones y las formas del fuselajes están dictadas por las limitaciones de volumen y son por lo general de forma rectangular, ya que esta disposición es bastante más eficiente a la hora de utilizar espacio disponible. En el caso de las aeronaves presurizadas la mejor opción estructuralmente hablando es tener un fuselaje circular, pero con el fin de tener un espacio interior útil mucho mayor, a veces se utiliza el diseño elíptico o "doble burbuja", con una sección circular exterior y secciones internas divididas, como en el A380.

La que está por venir

Hoy en día los avances en materiales compuestos y los nuevos sistemas de propulsión (sistemas empotrados en el fuselaje) han dado lugar al desarrollo de nuevos conceptos en el campo del transporte civil de pasajeros. Uno de los proyectos con más probabilidades de ver la luz sería el Aurora/MIT D8. Puede que veamos volar este avión dentro de algunos años y con el tiempo su aspecto no nos resulte tan extraño como nos puede parecer ahora.

NASA/MIT/Aurora Flight Sciences

Este diseño de avión presenta muchas ventajas. Los operadores de aviones y los propios pasajeros se suelen quejar de las inconveniencias de la configuración de pasillo único. Los embarques/desembarques se hacen muy largos (aumento del quick turn-around), los fuselajes no son todo lo eficientes que podrían llegar a ser y además a nadie le gusta el asiento del medio. Un fuselaje más ancho podría solucionar todos de estos problemas. El concepto también se llama "double bubble" o doble burbuja, como los anteriores, pero es diferente porque aquí se decidió emplear un diseño en el que la cabina central de pasajeros son dos lóbulos que se encuentran lado a lado. Ver imagen. En este aparato se consideran dos pasillos y dos butacas a cada lado de los pasillos. Existen un total de 8 butacas en cada fila y ningún asiento central. La configuración de los asientos es 2-2/2-2. Pero las ventajas no solo son de confort. 

El D8 tratará de sustituir a los aviones comerciales de tamaño medio, como los 737-800 y A320. El D8 cuenat con un diseño poco ortodoxo. La sección  transversal de este avión es de doble burbuja con 8 asientos por fila y dos pasillos. Acomodaría a 180 pasajeros y sería capaz de volar a Mach 0.72. El fuselaje sería capaz de generar mucha más sustentación que un avión convencional. Esta característica permitiría que la aeronave tuviera alas más pequeñas (menor resistencia), menor tendencia al cabeceo y por lo tanto menor fuerza de compensación en la cola (cola en Pi). Los motores mejorarían la eficiencia propulsiva por medio de la ingestión de la capa límite (reducción de elementtos contaminantes y una mayor econoía de operación). Los datos hablan por si solos: 70% menos de consumo de combustible. Nivel sonoro de 60dB. 87% menos emisiones contaminates de NOx.

El fuselaje así obtenido genera un 19% de la sustentación total, comparado com el 13% de un avión convencional con un fuselaje de tubo. Al generar más sustentación el fuselaje, se puede optar por instalar un ala más pequeña, más ligera y por lo tanto con menor resistencia al avance.

Los motores de este diseño se encuentran empotrados en la parte posterior del fuselaje, a la altura de la cola. Estos motores tienen la particularidad que están diseñados para ingerir el aire que fluye pegado a la parte superior del fuselaje del avión. Es lo que se llama ingestión de capa límite o BLI en inglés (Boundary Layer Ingestion). 

La tecnología BLI permite utilizar esta capa límite de aire que fluye despacio para re-energizar la estela que produce el avión y así reducir la resistencia al avance. Por otra parte, el fuselaje sustentador hace que el avión tenga una tendencia natural a cabecear hacia arriba. Ello es beneficioso en el sentido de que no se necesitaría una cola de grandes dimensiones para la compensación del cabeceo. Por este motivo el diseño del Aurora cuenta con una doble cola y un estabilizador de dimensiones reducidas. Este tipo de cola se conoce como cola en Pi, por asemejarse a la forma se la letra griega. Esta disposición además permite que los motores no generen tanto ruido. Según los primeros análisis se estima que el D8 podría reducir el consumo de combustible en un 25% comparado con un Boeing 737-800. El Aurora D8 se ha diseñado para poder llevar a 180 pasajeros.

La eficiencia de mezclar las trubulencias creadas por la aeronave y los flujos de propulsión permiten una economía de operación nunca vista hasta ahora. El desperdicio de la energía cinética es lo que se puede apreciar detrás de la línea roja del dibujo. Como se puede ver, en el caso del D8 es mucho menor que en un avión convencional. El momento de cabeceo se ve reducido por el efecto sustentador del fuselaje. En un vuelo de Los Angeles a Nueva York (3,983 km), el D8 podría ahorrar 9.524 litros de combustible. Comparado con los aviones actuales esto supone mucho dinero. A medio Euro el kilo de combustible esto representa 4.762 Euros por trayecto. A 2 trayectos cada día, en un año serían 3.476.260 Euros de ahorro por cada avión de nuestra flota.

Uno de los mayores problemas de diseño en este nuevo avión es la integración de las estructuras de materiales compuestos que conforman la parte dedicada a la ingestión de la capa límite. En general es la parte trasera del fuselaje, donde van embutidos los motores, la que presenta mayores dificultades. La propia tecnología BLI no ha sido probada en la vida real. Se han hecho solamente pruebas en los túneles del viento con modelos a escala. Hasta ahora los resultados de los análisis muestran que el modelo es muy eficiente. La duda principal es lo que puede ocurrir con los motores. Quizás el flutter o la fatiga de materiales penalice en parte la eficiencia de las turbinas. Eso es algo que se debe de estudiar con detenimiento en las pruebas en vuelo. Si todo sale como se espera parece que este avión será el estándar de la industria en 2025 y en 2035 los niños de entonces nos dirán cosas como: abuelito, que feos eran los aviones en tu época.