La modelización de fuerzas acelerada e hiperprecisa ofrece diseños de aviones de pasajeros mucho más eficientes
Cualquiera que haya atravesado una zona de turbulencias en un vuelo de vacaciones habrá notado que las aeronaves no vuelan por un medio favorable ni benigno. La atmósfera está plagada de remolinos de viento, gradientes de temperatura y patrones climatológicos que pueden provocar que el aire que sustenta el avión se mueva violentamente y ejerza fuerzas o cargas intensas sobre la estructura de la aeronave. Por otro lado, las maniobras que necesita hacer la aeronave, como ladearse para cambiar de rumbo, elevarse o aterrizar, también ejercen cargas sobre sus componentes estructurales. Con el fin de diseñar aeronaves seguras, los fabricantes de aviones de pasajeros necesitan saber cuán elevadas pueden ser estas cargas en el caso más desfavorable, para averiguar lo fuertes que deben ser las piezas críticas de la aeronave para soportar las tensiones máximas que pueden experimentar durante los vuelos. Sin embargo, hasta ahora, los diseñadores de aviones no habían podido predecir con precisión estas cargas porque las herramientas de software de modelización no eran lo suficientemente precisas. Eliminar errores Sin embargo, esto está a punto de cambiar, gracias al proyecto ALPES, financiado por la Unión Europea, en el que el coordinador del proyecto, Jonathan Cooper, de la Universidad de Bristol (Reino Unido) trabajó junto con modelizadores de sistemas del Centro de Competencias Aeroespaciales de Siemens, en Lovaina (Bélgica). ¿Su objetivo? Desarrollar técnicas de modelización informática rápidas para calcular las cargas sobre las aeronaves con gran precisión. Con este fin, el equipo de ALPES ha mejorado la norma actual del sector para modelizar las cargas debidas a las ráfagas de viento: el método de red de dipolos (DLM), inventado hace cuarenta años, es proclive a errores y requiere correcciones mediante cálculos extensos de dinámica de fluidos computacional (DFC) o laboriosas pruebas en túnel de viento. «Las técnicas nuevas que hemos desarrollado en ALPES corrigen los resultados de DLM con tan solo unos pocos cálculos en un sistema de DFC, lo cual permite elaborar predicciones de cargas por ráfagas rápidamente y con gran precisión», explica Cooper, que estima que ahora es posible simular los efectos de carga de los factores aerodinámicos y estructurales un 95 % más rápido que con el método anterior. Estos métodos se pueden mejorar mediante otras técnicas de modelización sustitutas. Para los ingenieros que diseñan aeronaves, el hecho de disponer de software para realizar estos cálculos tan laboriosos en su lugar será de gran ayuda: «Para tener en cuenta todos los posibles casos de carga que pueden surgir a lo largo de la vida de una aeronave se necesitan muchos cientos de miles de cálculos», dice Cooper. La optimización de aeronaves, más fácil Después de determinar las cargas, los ingenieros pueden calcular las tensiones en toda la estructura y optimizar el tamaño de los distintos elementos estructurales, como los largueros y los refuerzos de las alas, así como el grosor adecuado del recubrimiento del fuselaje y de las superficies de control para soportarlas. Según explica Cooper, es importante resaltar que los métodos de software desarrollados por ALPES pueden hacer esta tarea a gran velocidad, ya que todo este proceso se debe repetir varias veces durante cada cálculo de tamaño. El equipo de ALPES ya ha utilizado sus nuevas técnicas para mostrar algunos resultados interesantes en relación con la cargas en un concepto emergente en la aviación: las puntas de ala plegables. Es posible aumentar la sustentación, reducir la resistencia aerodinámica y mejorar la eficiencia del combustible de una aeronave aumentando la envergadura de las alas, aunque al hacerlo se generen cargas mayores. Sin embargo, unas alas más largas no encajarían en las puertas estándar de los aeropuertos, así que se han propuesto alas plegables; es el caso, por ejemplo, del diseño del avión de pasajeros 777X de Boeing. En la puerta, las puntas de ala equipadas con rótulas permanecen en posición vertical, como en los aviones de los portaaviones, pero estas giran hacia abajo y quedan planas antes del despegue para aumentar la envergadura. «Nuestra investigación en ALPES ha demostrado que, si se admite cierta flexibilidad en la articulación durante el vuelo, se puede lograr una ampliación importante de la punta de las alas con un impacto limitado o incluso mínimo sobre su peso», dice Cooper. Aplicaciones futuras Cooper prevé que los resultados marquen una verdadera diferencia en los círculos de la aviación. «Las tecnologías estudiadas ayudarán a desarrollar diseños de aeronaves más ecológicas y, además, permitirán acelerar los procesos de diseño y certificación de esas aeronaves», explica. Además, el trabajo relacionado con ALPES continúa con AEROGUST, un proyecto financiado por la Unión Europea centrado en ahondar en las mejoras de la modelización de las cargas por ráfagas y de la tensión de cizalladura ejercida por el viento, tanto en aeronaves como en aerogeneradores.
Palabras clave
ALPES, aeronave, avión de pasajeros, aviación, predicción de cargas, tolerancia frente a daños, estructuras, cargas límite, simulación, seguridad
