Diseño computacional en aviación

La aviación ha llegado a ser lo que es hoy en día gracias al invento del tubo de vacío en general y al triodo en particular. Como suena. No es coña. Esta pequeña válvula electrónica con tres electrodos fue inventada por un tal Lee De Forest en 1906, poco después de que los hermanos Wright volaran por primera vez. Gracia a este invento se han podido desarrollar los ordenadores, la programación y todos los avances en aviónica que hemos visto y seguimos viendo en la aviación. Pero no solo eso, gracias al humilde triodo ha sido posible desarrollar herramientas para probar los diseños de los aviones y sus bondades aerodinámicas. El análisis de los túneles del viento no hubieran sido posibles sin la invención de esta válvula. Para llegar a incorporar una tecnología en un avión antes debe de ser probada y analizada exhaustivamente. Vamos a hablar de algunas de estas tecnologías que hoy son comunes en la aviación comercial moderna.

Computational Fluid Dynamics (CFD)

Los métodos de CFD se han empleado mucho en el diseño de aeronaves de última generación. Los avances en los superordenadores han posibilitado que la CFD pueda ser aplicada en simulaciones de gran complejidad. Estos cálculos simulados con CFD han ayudado a abaratar coses en la fase inicial de diseño de un avión. Ello, también ha posibilitado que los esfuerzos se centren en características relacionadas con la seguridad y la operatividad del avión. Para el diseño del ala, las técnicas CFD se pueden aplicar de forma que podemos trabajar a la inversa. Es decir, dado un flujo de fluido determinado que nos resulte interesante, la CFD puede darnos la geometría necesaria de la superficie que produce ese flujo. Esto a revolucionado el proceso de diseño del ala de los aviones.

Hasta que esto ha sido posible, el diseño del ala de los aviones había sido desde tiempos de los hermanos Wright, un proceso de diseño-ensayo-y-error, siendo el ensayo efectuado en el túnel de viento o durante pruebas en vuelo real. Gracias a la CFD, parte de los ensayos los efectúa ahora un supercomputador. En este proceso todavía existe creatividad, pues la parte del diseño todavía está sujeta a la inspiración de los diseñadores que dan forma al ala y a la estructura basándose en la intuición y la experiencia.

Esta ingeniería inversa se ha utilizado en el Boeing 777, habiendo conseguido unos logros aerodinámicos notables para el reducido espacio de tiempo en el que se hizo el estudio. Los métodos CFD utilizados en esta aplicación estaban basados en ecuaciones no lineales emparejadas con otras ecuaciones relativas a la capa límite en los que se tenía en cuenta la viscosidad del fluido. Ver post dedicado a las ecuaciones de Navier-Stokes. La ventaja de poder simular modelos físicos ayudó enormemente a la creación de una superficie con una geometría inicial adecuada en tiempo récord. Como resultado, las alas modernas son más gruesas, pero más ligeras que las predecesoras. Con estas características se han logrado alas de más envergadura y menos aflechamiento. Estas características permiten un vuelo y unas prestaciones de despegue y aterrizaje más eficientes a bajas velocidades. Ello ha dado lugar a su vez a mayores márgenes de seguridad en vuelo y menor huella sonora.Debajo se puede ver un ensayo CFD de la NASA en el tren delantero del 777 para visualizar el flujo, estudiar los vórtices y reducir el sonido.

Debajo otra simulación del mismo tren delantero.

via Gfycat

Diseño de cabinas de vuelo

Otra área donde la computación ha mejorado las prestaciones de los aviones es precisamente en el diseño de las cabinas de vuelo. Cuando se estaba diseñando el 757, se pensó en utilizar la misma cabina que la del 727, pero por razones de mejora de la seguridad y por la altura del nuevo avión, se pensó que era mejor hacerla partiendo de cero. La cabina era grande porque en ese avión se había instalado un gran panel superior para los sistemas de la aeronave. Además se requería una buena visión hacia abajo por parte de los pilotos. Las penalizaciones aerodinámicas podrían haber sido muy grandes al tener los parabrisas con un cierto ángulo, pero con los métodos computacionales se logró que la cabina apenas creara resistencia y se eliminaran además las molestas ondas de choque locales.

Curiosamente, a pesar de tener realizados los cálculos CFD, en la cabina de vuelo de nuestro CSeries todavía se escuchaba un zumbido a veces silbido bastante molesto en vuelo a ciertas velocidades. Se descubrió que este silbido era producido por las ondas de choque locales en los brazos de los limpiaparabrisas. La solución fue instalar en ellos una especie de muelles en espiral que rompían las ondas y anulaban el molesto sonido.

Integración motor/ala/fuselaje

En un primer momento, cuando se empezaron a instalar los motores en las alas, no se entendía muy bien cual era la mejor forma de montar los pilones. La interacción pilón/ala daba lugar a muchos quebraderos de cabeza y los resultados finales eran mucho peores de lo esperado en términos de aerodinámica e interferencia con el flujo sobre el ala. Gracias a la CFD se ha podido avanzar en este campo. El 737, por ejemplo, habría dejado de producirse a mediados de los 80 si no se hubiera adaptado a la nueva motorización. Aviones como el CSeries y el EMB 190 también se han visto beneficiados con la llegada de nuevos motores más eficientes, pero también más grandes. Para adaptar estos turbofan de gran diámetro debajo del ala sin tener que alargar en demasía el tren de aterrizaje, se han tenido que realizar un gran número de cálculos. Los métodos lineales que se utilizaban en un principio podían simular configuraciones complejas, pero no podían tener en cuenta los flujos transónico no lineales que suelen suceder en los nuevos motores. La CFD ha posibilitado que la integración en el ala no cause problemas aerodinámicos y sea menos costosa. Una de las cosas que ha resuelto es la interferencia de los gases de escape de los motores para no crear turbulencias en el ala y el fuselaje. Otro de los éxitos de la CFD ha sido la optimización de las carcasas exteriores en los motores certificados ETOPS, haciendo que las prestaciones de la aeronave en caso de fallo de motor no se vean muy perjudicadas en fases de crucero y en caso de tener que hacer un ascenso en el segundo segmento del despegue con un solo motor. Pero esto no es todo, la carcasa de los motores pueden, en ciertas condiciones de fallo de motor, generar turbulencias que impactan con partes del fuselaje. Estas turbulencias pueden causar unas vibraciones que lleven al piloto a pensar que se encuentra cerca de la velocidad de pérdida. Si las vibraciones se hacen fuertes, el piloto podría pensar en reducir el ángulo de ataque, lo que no es muy conveniente en situaciones de ascenso en el despegue. La CFD ha ayudado en este y otros casos para que las turbulencias desaparezcan y no confundan a los pilotos.

Ejemplo de interacción pilón/ala

Los pilones de los motores a reacción en el ala han demostrado mejorar las características de pérdida de los aviones a reacción. la explicación es que el vórtice  asociado en el ala induce un flujo lateral en el pilón del motor, como se muestra en la figura de debajo. En consecuencia, se genera una fuerza lateral exterior sobre la góndola y el pilón. El pilón genera un vórtice en la superficie superior del ala, cuya dirección según se ve en el dibujo, se opone al flujo transversalmente hacia el exterior. Esto retrasa grandemente la separación inicial del flujo de la aleta de punta de plano.

¿Quiere decir todo esto que los túneles de viento sobran?

En absoluto. Durante el desarrollo del 767 a finales de los 70, Boeing llevó a cabo unas 20.000 horas de prueba en 15 túneles diferentes en cuatro países. Se hicieron más de 100.000 ciclos de datos cada uno de ellos compuesto de una media de 65 parámetros diferentes en 25 actitudes diferentes de la aeronave. En aquellas pruebas se hicieron incontables cálculos y cientos de diseños diferentes para la geometría del ala y la posición de los flaps y slats. En el 777, a pesar del empleo de la CFD, también se tuvieron que hacer unas 20.000 horas de ensayos en los túneles de viento hasta que se dio el visto bueno para el primer vuelo.

El valor de los túneles de viento va más allá de la optimización del diseño del ala y las características de vuelo. Los túneles de viento sirven para determinar los factores implicados en la seguridad. Cargas estructurales creadas en maniobras, desarrollo de bases de datos para simulación, estudio de las características de estabilidad y control en configuración normal y con fallos, condiciones de hielo, etc, etc. todas estas cosas son reproducidas en los túneles de viento.

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