Diseño de aeronaves (Parte 1): Expandiendo horizontes

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Publicado el: 23 de diciembre de 2020 | Por Sendot Technology

Entre las carreras de ingeniería más difíciles a nivel mundial, la ingeniería aeroespacial y aeronáutica arguiblemente encabezan las listas. Cualquier ingeniero que lea este artículo puede estar familiarizado con los ciclos de diseño habituales que intervienen en el diseño de cualquier producto, pero es el nivel de complejidad requerido en el campo de la aviación lo que lo hace tan desafiante.

El diseño moderno de aeronaves se enfrenta a estrictos desafíos operativos, ambientales y financieros. Se está observando un cambio de paradigma masivo en cómo se diseñan los sistemas complejos y en cómo evitar fallos de diseño como en el caso del más reciente Boeing 737 Max. En este artículo, discutiremos el flujo de un ciclo de diseño de aeronave moderno e instancias en las que utilizar los servicios de un fabricante de prototipos para pruebas a escala puede salvar el día.

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Ciclo de diseño de una aeronave moderna

Todo diseñador que lea este artículo puede estar familiarizado con las tres fases básicas de diseño, es decir, Diseño Conceptual, Preliminar y Detallado. Sin embargo, la feroz competencia entre los actores del mercado con altas expectativas por parte de los clientes significa que una empresa tiene que innovar notablemente en las fases de diseño para cumplir con diversos criterios. Discutamos el ciclo de diseño de una aeronave basado en el costo del ciclo de vida con la ayuda del siguiente diagrama.

Como puede ver, las tres primeras fases previas a la etapa de fabricación representan el 95 % del costo total. Entre las tres fases iniciales, la más importante es la Fase 1, es decir, Planificación y Diseño Conceptual. Por lo tanto, centrémonos en la primera fase en detalle, seguida de las otras dos.

Planificación y diseño conceptual

El paso inicial está marcado por un estudio de viabilidad que determina si un requisito puede satisfacerse con la tecnología existente o no. Además, el estudio de viabilidad también ayuda a optimizar el camino para un proyecto, es decir, un rediseño completo que significa el mayor riesgo y costo, o la adopción/modificación de un diseño existente. A continuación, comienza la fase de diseño conceptual. Cualquier diseñador de aeronaves conoce muy bien los modelos de Raymer y Roskam y, como esbozan, la fase de diseño conceptual implica responder a las siguientes preguntas básicas:

• ¿Funcionará?
• ¿Cómo se ve?
• ¿Cuáles son los requisitos?
• ¿Cómo optimizar las concesiones?
• ¿Cómo optimizar el peso y los costos?

El objetivo último de la etapa de diseño conceptual es identificar y preparar un concepto de diseño viable y óptimo para su posterior refinamiento. Esta fase implica, por tanto, elaborar, estudiar y examinar diversos conceptos de diseño, todo con un conocimiento mínimo de los resultados experimentales y datos limitados sobre la practicidad del diseño. El gráfico debajo de este párrafo muestra el mayor rango de incertidumbre durante las etapas conceptuales en comparación con las etapas avanzadas. Sumado a esto, un asombroso 65 por ciento del costo del ciclo de vida que se incurre durante esta etapa significa que cualquier cambio en el diseño básico, más adelante, implica una reducción en los ingresos globales y una prórroga en los plazos.

El dilema que comúnmente se enfrenta en la fase de diseño conceptual es el inicio de un programa de diseño sin esbozar claramente un conjunto de requisitos que deben cumplirse. Definir los requisitos del mercado y lograr que los clientes den a conocer explícitamente sus expectativas es muy importante. Refinar los requisitos en una etapa posterior da como resultado un enfoque antieconómico e ineficiente, y tal ciclo de diseño tiene graves implicaciones en los costos del ciclo de vida incurridos. En el caso del diseño de una aeronave, hay múltiples conjuntos de requisitos y expectativas, a menudo contradictorios, establecidos por los clientes. Un conjunto diverso y complejo de sistemas de aeronave basados en diversas partes de una aeronave, por ejemplo alas, motor, fuselaje, tren de aterrizaje, cola y canard, significa múltiples desafíos.

Lidiar con esto es un arte por derecho propio y por eso tales decisiones se facilitan mediante técnicas como la Toma de Decisiones de Atributos Múltiples (MADM). Con la ayuda de tales técnicas, se ponen en juego consideraciones implícitas, y la toma de decisiones pasa de un enfoque determinista de un solo punto a un enfoque dinámico y paramétrico. Además, técnicas como el Análisis Multidisciplinar y la Optimización del Diseño son vitales para cumplir con conjuntos enredados de restricciones en un entorno así. Esta técnica se ha esbozado en el siguiente diagrama que muestra las interacciones entre las diversas ramas aeronáuticas.

En cuanto a la incertidumbre en la etapa de diseño conceptual esbozada anteriormente, los métodos establecidos se basan en teorías probabilísticas y métodos de diseño. Estos métodos implican el uso de Funciones de Densidad de Probabilidad (PDF) y Funciones de Distribución Acumulada (CDF) para cada restricción de diseño. Los datos de varias restricciones de diseño se trazan y analizan luego colectivamente. Estos datos acumulados dan al diseñador una visión clara de la región de diseño y de si necesita relajar alguna restricción o introducir alguna tecnología para la mejora global del ciclo de diseño.

En resumen, el diseñador crea una relación entre las variables de entrada y salida teniendo en cuenta la variabilidad de los factores de entrada.

Diseño preliminar

Esta etapa es monumentalmente crítica para dimensionar los diversos factores de diseño para el concepto finalizado en la primera fase. Esto requiere un estudio y análisis en profundidad de las interacciones interdisciplinarias entre los diversos sistemas y subsistemas de una aeronave. Por ejemplo, el concepto de aeroelasticidad es la combinación de mecánica estructural y aerodinámica.

En la era de la ingeniería moderna actual, la fase de diseño preliminar también incluye consideraciones como fiabilidad, mantenibilidad, estabilidad y control, seguridad y economía. Ahora discutiremos con mayor detalle los desafíos que existen en esta fase de diseño y la forma óptima de afrontarlos.

El modelado sofisticado, complejo y preciso requiere el uso de algoritmos numéricos avanzados, por ejemplo Dinámica de Fluidos Computacional y Análisis de Elementos Finitos. Sin embargo, los costos computacionales excepcionalmente altos significan otro desafío para los diseñadores. El siguiente diagrama muestra figurativamente la concesión que implica elegir herramientas de alta fidelidad frente a usar simulaciones simples.

Avanzar hacia herramientas complejas y de alta fidelidad no solo significa mayores costos computacionales, sino que también existe el desafío de lidiar con varias variables, que a menudo suman cientos, y su interdependencia también. Por lo tanto, se dedica un tiempo significativo a identificar y mapear el entorno de simulación. （¡La historia no termina aquí!!!）

Si aún está interesado en el contenido, lea el Diseño de aeronaves (Parte 2): Expandiendo horizontes. Gracias.