Diseño de aeronaves (Parte 2): Expandiendo horizontes

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Publicado el: 25 de diciembre de 2020 | Por Sendot Technology

Los responsables de decisiones de la ingeniería moderna consideran el uso de una potencia computacional excesiva en esta etapa como algo inútil y como un devorador de tiempo. La adopción de técnicas que implican aproximaciones es mucho más eficiente y ayuda a reducir el tiempo requerido para que se ejecute el modelado paramétrico. Tales técnicas incluyen el Modelado de Orden Reducido, que redujo la complejidad matemática del sistema al tiempo que garantiza que la física de las ecuaciones diferenciales parciales gobernantes se mantiene intacta.

Después de realizar el análisis inicial, entra en juego un procedimiento iterativo en el que los resultados dictan cambios en el diseño para la optimización. Este procedimiento es el vínculo entre las fases de diseño Conceptual y Preliminar. Vea más el detalle del prototipado de diseño industrial.

Echemos un vistazo a una forma resumida del famoso modelo de Howe para el Proceso de Síntesis de Proyectos.

• Se considera una extensión del estudio de viabilidad, pero con la implicación de un mayor detalle e intrincación.
• La primera etapa de este proceso es la selección de una o más configuraciones.
• La segunda etapa se conoce como la selección del Régimen de Vuelo y la Planta Motriz. En esta etapa, para un conjunto dado de condiciones de operación, es decir, número de Mach, etc., se preselecciona el tipo de planta motriz a elegir, es decir, turbohélice, motor de pistón con hélice, turbofán, turbofán de bajo índice de derivación, turborreactor, estatorreactor, etc.
• La siguiente etapa se refiere a la selección de la disposición del fuselaje. Los detalles de la carga útil son a menudo el factor impulsor detrás de esta etapa. Esto proporciona un buen punto de partida para la primera predicción de la masa de la aeronave.
• A continuación viene la configuración del ala. Este es un procedimiento complejo para el laboratorio de aerodinámica donde intervienen un gran número de parámetros. Es una fase fundamental durante el proceso de diseño preliminar. Conduce a una estimación inicial de la sustentación, la resistencia, la masa de una aeronave y también ayuda a lograr los cálculos de estimación de carga alar después de realizar el análisis sucesivo. Las estimaciones de carga alar se realizan basándose en ecuaciones teóricas ajustadas según datos empíricos para diversas condiciones de vuelo. También ayuda a lograr una estimación aproximada de la relación empuje-peso.
• Finalmente, entran en juego las etapas de análisis paramétrico. La primera etapa combina las dimensiones del ala y el fuselaje para producir un conjunto de resultados para cada fase de vuelo. Esto da como resultado la formación de un espacio de diseño. Se seleccionan conjuntos adecuados de Carga Alar y relaciones de Empuje-Peso para la segunda etapa del análisis paramétrico.
• La segunda etapa del análisis paramétrico incorpora los conjuntos de datos elegidos para calcular la masa global de la aeronave. El conjunto que proporciona el valor de masa óptimo se utiliza para crear un diseño de referencia que luego se utiliza para el análisis y la evaluación en profundidad.
• El diseño de referencia se evalúa, lo que a su vez proporciona:
  • Tamaños estimados para las superficies de control
  • Ayuda para completar la disposición del tren de aterrizaje
  • Mejor estimación de los valores de sustentación, resistencia y masa
  • Cálculos revisados de las características de rendimiento basados en datos de entrada ajustados y métodos de estimación complejos
  • La repetición del procedimiento ocurre hasta que se cumplen los criterios de convergencia de masa
• Al final de esta fase de diseño, se llevan a cabo estudios de sensibilidad del diseño para identificar áreas críticas de diseño mediante técnicas gráficas o matemáticas. Además, otras actividades se desarrollan simultáneamente, incluido el diseño de los sistemas hidráulico, eléctrico, de extinción de incendios, de protección contra el hielo y neumático.

La siguiente fase, es decir, la fase de Diseño Detallado, es donde ocurre la magia, es decir, el diseño se define completamente, los modelos a escala para pruebas se encargan a un fabricante de prototipos y luego se elaboran los planos finales basados en el Diseño para Ensamblaje y el Diseño para Fabricación con topologías, geometrías, dimensiones, tolerancias y especificaciones de material reales. Discutamos esto con mayor detalle ahora en la siguiente sección.

Diseño detallado

El enfoque de esta etapa se centra principalmente en obtener verificaciones para los procedimientos de diseño esbozados en las fases anteriores. Es la fase más extensa de todo el proceso de diseño. Se centra en el diseño final, el prototipado y las pruebas de cada pieza. Basándose en los datos adquiridos de la fase de diseño preliminar, esta fase implica el uso de paquetes de Diseño Asistido por Computadora y Fabricación Asistida por Computadora para apoyar las actividades de diseño.

Hay tres factores bajo consideración: el rendimiento, los costos de fabricación, el tiempo requerido y las eficiencias operativas. Para un resultado integral, hay dos tipos de procedimientos de prueba involucrados, es decir, Pruebas en Tierra y Pruebas en Vuelo. Echemos un vistazo a los detalles de ambos tipos con mayor profundidad.

• Pruebas en tierra: Implican pruebas en túnel de viento para validar los resultados de los paquetes de CFD, pruebas estructurales, evaluación de la aviónica y verificación de sistemas. Esta es la etapa donde el prototipado salva el día. Prototipar piezas a escala para las pruebas iniciales es la clave para ahorrar costos y tiempo valioso. Un buen proveedor de servicios de prototipado utilizará la experiencia adecuada para fabricar la estructura a partir de las especificaciones de material requeridas por su parte. El prototipo puede utilizarse para analizar la resistencia, la rigidez, el flameo, la estabilidad elástica y otros parámetros del sistema. La carga estática, la carga dinámica, el análisis modal vibracional y el análisis de flameo son algunas de las pruebas clave a realizar. Para las piezas de aeronave a escala, la impresión 3D por estereolitografía proporciona la precisión requerida para una evaluación integral entre el diseño esbozado y los resultados experimentales.
• Pruebas en vuelo: La participación de agencias de certificación para verificar el rendimiento y las características de vuelo de la aeronave real. Estas agencias se conocen como autoridades de aeronavegabilidad. Evalúan el diseño de una aeronave basándose en requisitos de diseño y seguridad preestablecidos, esbozados en las Normas de Aeronavegabilidad de las Regulaciones Federales de Aviación. La siguiente tabla esboza de forma integral todas las normas de aeronavegabilidad y su uso respectivo.

La más destacable de estas normas incluye la FAR Parte 23, que es aplicable a aeronaves normales, utilitarias y acrobáticas con un Peso Máximo al Despegue (MTOW) de menos de 12 500 libras y una capacidad de 9 pasajeros o menos. También dicta las normas para aviones de cercanías que tienen un MTOW de no más de 19 000 libras con una capacidad de 19 pasajeros o menos.

Para los aviones de la categoría de transporte comercial como el Airbus A320 o el Boeing 737, la FAR Parte 25 dicta las normas requeridas. La Parte 25 incluye varias subpartes, a saber, A, B, C, D, E y F, todas dictando normas para los diversos sistemas y subsistemas de una aeronave de transporte comercial.

Del mismo modo, para las aeronaves de alas giratorias (más comúnmente conocidas como helicópteros), las FAR Parte 27 y 29 dictan las normas para la categoría normal y de transporte, respectivamente. Después de lograr las certificaciones de aeronavegabilidad, el ciclo de diseño prácticamente termina con el 95 por ciento del costo del ciclo de vida incurrido en esta etapa. A esto le siguen las etapas de fabricación a gran escala.

Concluyendo el proceso de diseño de una aeronave

Esta revisión en profundidad del ciclo de diseño de una aeronave puede parecer muy compleja. Sin embargo, con un enfoque paso a paso, decisiones maduras basadas en el pensamiento crítico y una toma de decisiones sabia, el ciclo de diseño de una aeronave es una hazaña alcanzable. En la era moderna, donde hay mucho en juego tanto en términos de costo como de tiempo, el uso del prototipado es vital cuando y donde sea necesario, porque el éxito del diseño de una aeronave depende enteramente de la validación integral de las ideas de diseño. Pero es realmente importante contratar los servicios del fabricante de prototipos adecuado en el campo de la aviación, ya que la precisión de los prototipos importa mucho. Cualquier atajo tomado en cualquier etapa del ciclo de diseño resulta ser destructivo más adelante, como en el caso del Boeing 737 Max recientemente.