| En detalle: los fenómenos aeroelásticos
El diseño y cálculo de las aeronaves actuales
constituye un complejo proceso en el que intervienen grandes recursos
técnicos y humanos. El considerable volumen de trabajo a realizar y la
especialización a la que tiende la industria actual hacen que cada
ingeniero trabaje dentro de un departamento o sección en particular.
Quizás, una de las partes de mayor interés y complejidad dentro de todo
este entramado viene dada por el estudio aeroelástico de las aeronaves.
Las generalidades asociadas al mismo se exponen a continuación.
La aeroelasticidad constituye un núcleo central
que se apoya en tres pilares básicos: la mecánica estructural, la
aerodinámica y la dinámica de fluidos. Estudiar un fenómeno
aeroelástico implica analizar la interacción existente entre las
deformaciones estructurales de la estructura y las cargas aerodinámicas
dependientes de la misma. Las estructuras modernas de los aviones no
son completamente rígidas y el fenómeno aeroelástico se presenta cuando
las deformaciones estructurales inducen cambios en las fuerzas
aerodinámicas. Las fuerzas aerodinámicas adicionales conllevan un
incremento en las deformaciones estructurales, que a su vez provocan
fuerzas aerodinámicas mayores. Estas interacciones pueden volverse
gradualmente más pequeñas hasta llegar a una condición de equilibrio, o
pueden diverger de forma catastrófica.
La aeroelasticidad se puede dividir en dos campos
de estudio: aeroelasticidad estática (divergencia e inversión de mando)
y dinámica (flameo, respuesta dinámica y bataneo).
Aeroelasticidad estática
La aeroelasticidad estática aborda la interacción
existente entre
fuerzas elásticas y aerodinámicas sin considerar las propiedades de
masa. La existencia de grandes deformaciones no constituye
necesariamente un problema pero éstas han de ser consideradas durante
el proceso de diseño de forma que se garantice el buen funcionamiento
de la aeronave. Dentro de la aeroelasticidad estática destacan:
Divergencia. Constituye una
inestabilidad estática aeroelástica que puede conducir a fallos
estructurales. Está causada por el hecho de que las fuerzas
aerodinámicas superan a las fuerzas elásticas de la estructura.
Sometida a cargas aerodinámicas, la estructura de la aeronave se
deforma de manera que las cargas aerodinámicas aumentan. Al llegar a
una velocidad crítica de la aeronave respecto al viento, la deformación
autoamplificada puede concluir en fallo estructural.
Eficiencia reducida de las superficies de
control o inversión de mando. La reducción de la eficiencia
de las superficies de control a alta velocidad causadas por
deformaciones estructurales es uno de los mayores problemas para la
aeronave. Las propiedades de estabilidad y control de la aeronave
dependen en gran medida de la distribución aerodinámica de carga.
Aeroelasticidad dinámica
La aeroelasticidad dinámica estudia la interacción
entre las fuerzas aerodinámicas, elásticas e inerciales. Dentro del
concepto de aeroelasticidad dinámica, se han de reseñar tres fenómenos:
Flameo. Es uno de los fenómenos
aeroelásticos más conocidos. El sistema aeroelástico ofrece propiedades
dinámicas que bajo ciertas condiciones conducen a oscilaciones. Es una
vibración autoinducida que ocurre cuando una superficie sustentadora se
dobla bajo una carga aerodinámica. Una vez que la carga se reduce, la
desviación también se reduce, restaurando la forma original; esto a su
vez restaura la carga original y empieza así el ciclo nuevamente.
En su forma más inofensiva puede aparecer como un
"zumbido" en la estructura del avión, pero en la más violenta se puede
detonar incontrolablemente a gran velocidad y causar grandes daños o
incluso la destrucción de la aeronave.
Respuesta dinámica. Constituye
la respuesta de una aeronave a ráfagas y demás alteraciones
atmosféricas externas.
Bataneo. Es una inestabilidad a
altas frecuencias asociada a una vibración forzada aleatoria.
Análisis de los fenómenos aeroelásticos
En el pasado, la aeroelasticidad estaba asociada
usualmente a problemas y efectos aerodinámicos que debían ser evitados.
Los análisis se realizaban frecuentemente a modo de comprobaciones
finales cuando el avión estaba prácticamente terminado o cuando
aparecían problemas durante los ensayos en vuelo. Los problemas se
solucionaban tradicionalmente rigidizando la estructura o llevando a
cabo una compensación de pesos en la aeronave. Actualmente, el análisis
aeroelástico se lleva a cabo en etapas iniciales del proyecto, teniendo
en cuenta los conceptos de aeroelasticidad activa. La idea básica de
los mismos es tomar ventaja de la deformación estructural para obtener
mayores rendimientos.
Los procesos de diseño y análisis han evolucionado
considerablemente. El empleo del Método de los Elementos Finitos (MEF)
en cálculo estructural y el Método de Paneles en aerodinámica han
permitido que múltiples configuraciones de aeronaves y condiciones de
carga hayan sido tenidos en consideración. A su vez, el estudio de la
aeronave bajo condiciones de vuelo obliga a suprimir las hipótesis de
linealidad por lo que la solución de los problemas no lineales
formulados obliga a hacer uso de la Dinámica de Fluidos Computacional,
de métodos computacionales no lineales (Euler o Reynolds-Averaged
Navier-Stokes) o de la aplicación de resultados experimentales.
Optimización del diseño
En ingeniería, la optimizacion numérica constituye
una herramienta fundamental para la mejora del diseño. En general, el
objetivo es determinar un conjunto de variables X, que son solución de
un problema de optimización de una función f(x), sometida a ciertas
restricciones. En aeronáutica, la aplicación típica suele ser minimizar
el peso de la aeronave. No obstante, siempre se ha de tener muy
presente que pequeñas perturbaciones en modelos estructurales o fuerzas
aerodinamicas pueden dar lugar a dramáticos resultados. Por ello, es
necesario comprobar las posibles variaciones que puedan existir en los
modelos.
Tests y pruebas funcionales
Aunque las mejoras en análisis y cálculo
computacional son manifiestas, la comprobación experimental (tests y
pruebas funcionales) es una herramienta necesaria para el diseño y la
validación.
La creación de modelos a escala para su ensayo en
túneles de viento permite analizar el comportamiento de la aeronave de
forma que se garantice un comportamiento óptimo. No obstante, este tipo
de tests y ensayos son caros en inversión económica y tiempo.
Interacción entre tests y análisis
Finalmente, se ha de tener en consideración que
los resultados analíticos y experimentales son fuertemente dependientes
unos de otros y deben, por tanto, ser desarrollados en paralelo. Este
hecho facilita la innovación, la eficiencia y la rentabilidad económica
del proyecto realizado.
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El A380 es el
avión de transporte de pasajeros más grande del mundo. En función de la
configuración adoptada presenta un número de plazas u otro pudiendo
llegarse incluso a las ochocientas. El alcance de la aeronave es de
catorce mil ochocientos kilómetros y su peso máximo al despegue es de
quinientas sesenta toneladas. Aunque la presentación oficial del A380
tuvo lugar el 18 de enero de 2005, el primer avión fue entregado a
Singapore Airlines el 15 de octubre de 2007, realizándose el primer
vuelo (Singapur-Sydney) el 25 de octubre del mismo mes y año.
Realmente, de
los tres problemas planteados, el único que debía ser resuelto a muy
corto plazo era el de sobrepeso (el problema de evacuación implicaba
cumplir con la especificación pero no requería proceso de cálculo o
rediseño. A su vez, el problema operacional afectaba más a cuestiones a
posteriori que a consideraciones a tener en cuenta a muy
corto plazo). Y así sucedió. Se solventó el problema de sobrepeso
empleando compuestos de fibra de carbono, formados a partir de una base
de petróleo rellena con una resina epóxica. De igual forma, se empleó
GLARE, una aleación de aluminio y fibra de vidrio que ha permitido
reducir el peso en vacío del avión en una tonelada adicional. 