| por Carlos García Nieto |
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| Decía Theodore Von Karman, uno de los padres de la aerodinámica actual, que la ingeniería constituye el uso de la ciencia para solventar las necesidades de la humanidad. Un científico descubre y analiza todo aquello que ya existe. Sin embargo, un ingeniero crea lo que antes no estaba. Bajo estas consideraciones y partiendo de una hoja de papel en blanco para establecer sobre ella las necesidades operacionales de las aeronaves del futuro, Airbus desarrolló su A380 como el avión más espacioso y eficiente concebido hasta la fecha.
El ensamblaje de la aeronave tiene lugar en Toulouse (el hangar central de montaje tiene casi quinientos metros de largo, doscientos cincuenta de ancho y unos cuarenta y cinco metros de alto) donde se reciben partes estructurales, elementos y piezas provenientes de Alemania, Francia, Reino Unido y España. El desarrollo del A380 contó con tres problemas principales:
Superadas las dificultades encontradas, el último paso era llevar a cabo la Justificación Estructural de la Aeronave. Para ello, se debían llevar a cabo cuatro tipo de tests:
El siguiente gráfico recoge de forma clara la secuencia a seguir:
Estas justificaciones se complementan con análisis mecánicos (propiedades de los materiales) y con análisis de proceso y calidad. |
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| En detalle: los fenómenos aeroelásticosEl 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 estáticaLa 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 dinámicaLa 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 aeroelásticosEn 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 diseñoEn 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 funcionalesAunque 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 análisisFinalmente, 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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| Sobre el autor:Carlos García Nieto nació en Alcalá la Real en abril de 1984. Llevó a cabo sus estudios primarios en el Colegio José Garnica Salazar de Alcalá la Real. Cursó los estudios de Educación Secundaria y Bachillerato en el Instituto Alfonso XI. Finalmente, realizó la carrera de Ingeniería Aeronáutica en la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla. Actualmente, trabaja en Hamburgo como Ingeniero de Cálculo de Estructuras para las justificaciones estructurales y certificación del Airbus A380. | |
Referencias bibliográficas
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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.
