domingo, 6 de noviembre de 2016

Diseño: El propósito de la aeronave

El propósito de la aeronave

Este es el principio del diseño de un avión. La pregunta clave que va a influir más en el diseño del avión responde a la pregunta ¿a qué se va a dedicar la aeronave? Este es en realidad un paso muy importante. Los aviones comerciales de transporte se dedican precisamente a llevar pasajeros y mercancías por ello adoptan las formas y las configuraciones que nos son tan familiares. Hoy en día es fácil apreciar que las diferencias son mínimas. Casi todos los fabricantes se decantan por un tubo de sección circular o casi circular donde se acomoda la "carga de pago".  El problema se reduce a la eficiencia.

En el caso del transporte de personas, se trataría de llevar la mayor cantidad de pasajeros, la distancia más larga posible con la mayor comodidad y el mínimo coste (consumo de combustible y otros gastos de operación). Sencillamente esta es la razón por la cual desapareció el Concorde y también la misma razón por la que no hemos visto y no veremos en muchísimo tiempo (si es que algún día se consigue) un avión tipo VTOL de grandes dimensiones para pasajeros. En el segmento "business" o en la aviación general y deportiva la llegada de una aparato VTOL puede ser más rápida. Debajo se puede ver una concepción artística del famoso TriFan 600, que según los más optimistas llegará al mercado en unos ocho años con un precio de venta de alrededor de 10 millones de dólares.



Una de las mayores tentaciones de los fabricantes de aviones es la de tratar de hacer modificaciones a posteriori. Esto es lo que ha sucedido por ejemplo con el Lineage 1000E de Embraer. Este avión es un reactor bimotor de transporte ejecutivo y de lujo que deriva del E-Jet 190. Un Embraer-190 puede llevar a 118 personas de una forma bastante cómoda, pero solo hasta una cierta distancia (unas 2000mn). El mercado del transporte ejecutivo requiere aviones rápidos y con gran alcance. Deben de ser capaces de cruzar el Atlántico sin problemas y deben de poder ofrecer una amplitud de cabina superior y todo tipo de comodidades, desde una suite con una cama "Queen size" hasta Internet o una ducha.



Para poder darle al Lineage 1000 el alcance deseado, se ha modificado el compartimento de carga delantero para poder alojar una serie de tanques de combustible extra que permitan incrementar el alcance de la aeronave. Para ello se ha recurrido a una complicada solución formada por una serie de pequeños tanques interconectados con un complejo sistema tipo sifón que una vez operado en la vida real ha dado más de un quebradero de cabeza. El resultado es un avión que se diseñó para una tarea específica y que luego ha sido modificado a posteriori para otra, no siendo ni mucho menos el mejor del mercado esa última tarea. Las razones por las que los constructores hacen estas cosas, suele ser más estratégica que comercial. Casi todos los fabricantes de aviones tienen un sector dedicado al transporte ejecutivo. Una empresa nueva que todavía no cuenta con uno de esos aviones está perdiendo cuota de mercado además de prestigio. Querer ser un referente en la industria aeronáutica pasa por tener experiencia en estos sectores. Una forma de conseguirlo es precisamente modificar aviones. La venta y el éxito comercial son ya otra historia y depende mucho de lo buena que sea tu campaña de marketing, (...amén de las corruptelas que a veces empañan la venta de aviones, pero ese es otro tema).

Elementos constrictores del diseño y lógica operacional

Las regulaciones impuestas por las autoridades de aviación civil son muy severas. El número de g's que puede alcanzar una aeronave civil, la cantidad de puertas, el número de sistemas redundantes, etc, etc. Son cosas que no se pueden obviar. La solución viene de la manos de la tecnología, tal es el caso del sistema "super-fail pasive" del que ya hablé en otro post. Las condiciones aeroportuarias también son muy restrictivas. Para los aviones convencionales la envergadura máxima son 80 metros. Ello es debido a que de esta manera se evitan colisiones entre aviones mientras se efectúan las rodaduras. Otros factores importantes a tener en cuenta son los medioambientales y financieros. Pero el elemento que más puede influir es el medio en el que se desenvuelve el avión. La atmósfera. Ver post dedicado a ello y al diseño de la sección circular del fuselaje.

La NASA se propuso en 2010 estudiar durante 18 meses cómo serían los aviones del futuro a corto y medio plazo (hasta 2035). Se trabajó en una variedad de diseños y propuestas. Algunos de los modelos fueron realmente avanzados, otros fueron clasificados de excesivamente exóticos. En la selección final se optó por seguir el estudio de los que se pueden ver a continuación. Una vez hechas las restricciones operacionales, solamente dos modelos quedaron como realmente finalistas. Uno de ellos, tiene precisamente la configuración convencional que existe en la actualidad.


Pero no nos dejemos engañar, aunque el avión final pueda parecerse a un avión convencional, en realidad no lo es. Debajo de esa apariencia de fuselaje convencional se encuentran las tecnologías más punteras en cuanto a materiales se refiere. Estructuras de fuselaje y sistemas de propulsión innovadores, diseñados para ayudar a los aviones comerciales del mañana a volar mucho más silenciosos, más limpios y más eficientes en términos de consumo de combustible y contaminación medioambiental. Además de eso ofrecerán más comodidad a los pasajeros, y podrán operar en la mayoría de los aeropuertos del mundo. Hoy en día ya se estudian aleaciones metálicas con memoria (morfic structres), materiales compuestos de cerámica o de fibra, estructuras de nanotubos de carbono o cableado de fibra óptica, la piel de la aeronave podrá auto-repararse, los motores podrán ser eléctricos o híbridos, las alas podrían ser plegables, los fuselajes dobles y podrían tener ventanas de realidad virtual. Puestos al lado de uno de estos aviones quizás no notáramos la diferencia con los actuales, pero las mejoras en realidad son revolucionarias. 

Los objetivos que se marca la NASA para el 2030 son:
  • Una reducción de 71 decibelios de ruido por debajo de los estándares actuales marcados por la Federal Aviation Administration, cuyo objetivo es contener el ruido más molesto dentro de los límites del aeropuerto.
  • Una reducción de más del 75 por ciento en las emisiones de óxidos de nitrógeno, cuyo objetivo es mejorar la calidad del aire alrededor de los aeropuertos. Todo de acuerdo con los análisis del Comité de la OACI y la sexta reunión CAEP/6, donde se trataron los estándares futuros. 
  • Una reducción de más del 70 por ciento en el rendimiento del consumo de combustible, lo que podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el costo de los viajes aéreos.
  • La capacidad de explotar conceptos "metroplex" que permiten el uso óptimo de pistas en varios aeropuertos dentro de las áreas metropolitanas, como un medio para reducir la congestión del tráfico aéreo y los retrasos.

Las propuestas de la industria para lograr estos objetivos son:

  • Una velocidad de crucero más lenta - de alrededor de Mach 0,7, o siete décimas partes de la velocidad del sonido, que representa volar de un  5% a un 10% más lento que los aviones de hoy en día - y en mayores altitudes para ahorrar combustible.
  • Desarrollo de motores que requieran menos potencia en el despegue, para una operación y vuelo silencioso.
  • Pistas cortas - de 1,5 km de largo, en promedio - para aumentar la capacidad operativa y la eficiencia.
  • Diseño de aviones más pequeños - en la clase media, como la de los Boeing 737 o un A320, con  una cabina que pueda acomodar no más de 180 pasajeros - diseñados para volar rutas más cortas y directas, lo que redundará en la rentabilidad de la aeronave.
  • Dependencia de los avances prometidos en la gestión del tráfico aéreo, tales como el uso de herramientas de toma de decisiones automatizadas para la fusión y el espaciamiento en ruta y durante los ascensos en rutas de salida y descensos en las rutas de llegada.


Los constructores se decantan por una variedad de mejoras en las estructuras hechas de compuestos ligeros, materiales para los motores que soporten calor y sean tolerantes al estrés, y estudios aerodinámicos que puedan ayudar a llevar estas ideas a la realidad.

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