El proceso de diseño de aeronaves es un método poco definido que se utiliza para equilibrar muchos requisitos exigentes y que compiten entre sí para producir una aeronave que sea fuerte, liviana, económica y que pueda transportar una carga útil adecuada y, al mismo tiempo, sea lo suficientemente confiable para volar de manera segura durante la vida útil de diseño de la aeronave. Similar al proceso de diseño de ingeniería habitual, pero más exigente , la técnica es altamente iterativa e implica concesiones de configuración de alto nivel, una combinación de análisis y pruebas y el examen detallado de la idoneidad de cada parte de la estructura. Para algunos tipos de aeronaves, el proceso de diseño está regulado por las autoridades de aeronavegabilidad civil .
Este artículo trata sobre diseños de aeronaves a motor, como aviones y helicópteros .
El proceso de diseño comienza con el propósito previsto de la aeronave. Los aviones comerciales están diseñados para transportar una carga útil de pasajeros o carga, largo alcance y mayor eficiencia de combustible, mientras que los aviones de combate están diseñados para realizar maniobras de alta velocidad y proporcionar apoyo cercano a las tropas terrestres. Algunas aeronaves tienen misiones específicas, por ejemplo, los aviones anfibios tienen un diseño único que les permite operar tanto desde tierra como desde el agua, algunos cazas, como el Harrier Jump Jet , tienen capacidad VTOL (despegue y aterrizaje vertical), los helicópteros tienen la capacidad de flotar sobre un área durante un período de tiempo. [1]
El propósito puede ser satisfacer un requisito específico, por ejemplo, como en el caso histórico de una especificación del Ministerio del Aire británico , o llenar un "vacío percibido en el mercado"; es decir, una clase o diseño de aeronave que aún no existe, pero para el cual habría una demanda significativa.
Otro factor importante que influye en el diseño son los requisitos para la obtención de un certificado de tipo para un nuevo diseño de aeronave. Estos requisitos son publicados por las principales autoridades nacionales de aeronavegabilidad, entre ellas la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos y la Agencia Europea de Seguridad Aérea . [2] [3]
Los aeropuertos también pueden imponer límites a las aeronaves; por ejemplo, la envergadura máxima permitida para una aeronave convencional es de 80 metros (260 pies) para evitar colisiones entre aeronaves durante el rodaje. [4]
Las limitaciones presupuestarias, los requisitos del mercado y la competencia imponen restricciones al proceso de diseño y comprenden las influencias no técnicas en el diseño de aeronaves junto con los factores ambientales. La competencia lleva a las empresas a esforzarse por lograr una mayor eficiencia en el diseño sin comprometer el rendimiento e incorporando nuevas técnicas y tecnología. [5]
En los años 50 y 60, se fijaban regularmente objetivos de proyecto inalcanzables, pero luego se abandonaban, mientras que hoy en día programas problemáticos como el Boeing 787 y el Lockheed Martin F-35 han demostrado ser mucho más costosos y complejos de desarrollar de lo esperado. Se han desarrollado herramientas de diseño más avanzadas e integradas. La ingeniería de sistemas basada en modelos predice interacciones potencialmente problemáticas, mientras que el análisis computacional y la optimización permiten a los diseñadores explorar más opciones al principio del proceso. La creciente automatización en ingeniería y fabricación permite un desarrollo más rápido y económico. Los avances tecnológicos desde los materiales hasta la fabricación permiten variaciones de diseño más complejas como las piezas multifunción. Antes imposibles de diseñar o construir, ahora se pueden imprimir en 3D , pero aún tienen que demostrar su utilidad en aplicaciones como el Northrop Grumman B-21 o los A320neo y 737 MAX con nuevos motores . Airbus y Boeing también reconocen los límites económicos, ya que la próxima generación de aviones de pasajeros no puede costar más que las anteriores. [6]
Un aumento en el número de aviones también significa mayores emisiones de carbono. Los científicos ambientales han expresado su preocupación por los principales tipos de contaminación asociados con los aviones, principalmente el ruido y las emisiones. Los motores de los aviones han sido históricamente notorios por crear contaminación acústica y la expansión de las vías aéreas sobre ciudades ya congestionadas y contaminadas ha generado fuertes críticas, lo que hace necesario tener políticas ambientales para el ruido de los aviones. [7] [8] El ruido también surge de la estructura del avión, donde se cambian las direcciones del flujo de aire. [9] Las regulaciones mejoradas sobre el ruido han obligado a los diseñadores a crear motores y fuselajes más silenciosos. [10] Las emisiones de los aviones incluyen partículas, dióxido de carbono (CO 2 ), dióxido de azufre (SO 2 ), monóxido de carbono (CO), varios óxidos de nitratos e hidrocarburos no quemados . [11] Para combatir la contaminación, la OACI estableció recomendaciones en 1981 para controlar las emisiones de los aviones. [12] Se han desarrollado combustibles más nuevos y respetuosos con el medio ambiente [13] y el uso de materiales reciclables en la fabricación [14] ha ayudado a reducir el impacto ecológico debido a los aviones. Las limitaciones ambientales también afectan la compatibilidad de los aeródromos. Los aeropuertos de todo el mundo se han construido para adaptarse a la topografía de la región en particular. Las limitaciones de espacio, el diseño del pavimento, las áreas de seguridad de los extremos de las pistas y la ubicación única del aeropuerto son algunos de los factores aeroportuarios que influyen en el diseño de las aeronaves. Sin embargo, los cambios en el diseño de las aeronaves también influyen en el diseño de los aeródromos; por ejemplo, la reciente introducción de nuevos aviones de gran tamaño (NLA), como el superjumbo Airbus A380 , ha llevado a los aeropuertos de todo el mundo a rediseñar sus instalaciones para adaptarse a su gran tamaño y a los requisitos de servicio. [15] [16]
Las altas velocidades, los tanques de combustible, las condiciones atmosféricas a altitudes de crucero, los peligros naturales (tormentas eléctricas, granizo y choques con aves) y el error humano son algunos de los muchos peligros que suponen una amenaza para los viajes aéreos. [17] [18] [19]
La aeronavegabilidad es el estándar por el cual se determina que una aeronave es apta para volar. [20] La responsabilidad de la aeronavegabilidad recae en los organismos reguladores de la aviación civil nacional, los fabricantes , así como los propietarios y operadores. [ cita requerida ]
La Organización de Aviación Civil Internacional establece normas internacionales y prácticas recomendadas en las que las autoridades nacionales deben basar sus reglamentaciones. [21] [22] Las autoridades reguladoras nacionales establecen normas de aeronavegabilidad, emiten certificados a fabricantes y operadores y las normas de capacitación del personal. [23] Cada país tiene su propio organismo regulador, como la Administración Federal de Aviación en EE. UU., la DGCA (Dirección General de Aviación Civil) en India, etc.
El fabricante de aeronaves se asegura de que la aeronave cumpla con los estándares de diseño existentes, define las limitaciones operativas y los programas de mantenimiento y brinda soporte y mantenimiento durante toda la vida útil de la aeronave. Los operadores de aviación incluyen los aviones de pasajeros y de carga , las fuerzas aéreas y los propietarios de aeronaves privadas. Se comprometen a cumplir con las regulaciones establecidas por los organismos reguladores, comprender las limitaciones de la aeronave según lo especificado por el fabricante, informar sobre los defectos y ayudar a los fabricantes a mantener los estándares de aeronavegabilidad. [ cita requerida ]
La mayoría de las críticas de diseño en estos días se basan en la resistencia a los choques . Incluso con la mayor atención a la aeronavegabilidad, todavía ocurren accidentes. La resistencia a los choques es la evaluación cualitativa de cómo las aeronaves sobreviven a un accidente. El objetivo principal es proteger a los pasajeros o la valiosa carga de los daños causados por un accidente. En el caso de los aviones de pasajeros, la piel estresada del fuselaje presurizado proporciona esta característica, pero en el caso de un impacto en la nariz o la cola, se acumulan grandes momentos de flexión en todo el fuselaje, causando fracturas en la carcasa, haciendo que el fuselaje se rompa en secciones más pequeñas. [24] Por lo tanto, los aviones de pasajeros están diseñados de tal manera que los asientos están lejos de las áreas que probablemente se verán invadidas en un accidente, como cerca de una hélice, la góndola del motor, el tren de aterrizaje, etc. [25] El interior de la cabina también está equipado con características de seguridad como máscaras de oxígeno que se bajan en caso de pérdida de presión de la cabina, compartimentos de equipaje con cerradura, cinturones de seguridad, chalecos salvavidas, puertas de emergencia y tiras luminosas en el piso. A veces los aviones se diseñan teniendo en mente el aterrizaje de emergencia en el agua ; por ejemplo, el Airbus A330 tiene un interruptor de "amerizaje" que cierra válvulas y aberturas debajo del avión, lo que retarda la entrada de agua. [26]
Los diseñadores de aeronaves normalmente esbozan el diseño inicial teniendo en cuenta todas las limitaciones de su diseño. Históricamente, los equipos de diseño solían ser pequeños, generalmente encabezados por un diseñador jefe que conocía todos los requisitos y objetivos del diseño y coordinaba al equipo en consecuencia. A medida que transcurrió el tiempo, la complejidad de las aeronaves militares y de aerolíneas también aumentó. Los proyectos de diseño militares y de aerolíneas modernos son de una escala tan grande que cada aspecto del diseño es abordado por diferentes equipos y luego se reúnen. En la aviación general, una gran cantidad de aeronaves ligeras son diseñadas y construidas por aficionados y entusiastas . [27]
En los primeros años del diseño de aeronaves, los diseñadores generalmente utilizaban la teoría analítica para realizar los diversos cálculos de ingeniería que intervienen en el proceso de diseño junto con mucha experimentación. Estos cálculos requerían mucho trabajo y tiempo. En la década de 1940, varios ingenieros comenzaron a buscar formas de automatizar y simplificar el proceso de cálculo y se desarrollaron muchas relaciones y fórmulas semiempíricas. Incluso después de la simplificación, los cálculos continuaron siendo extensos. Con la invención de la computadora, los ingenieros se dieron cuenta de que la mayoría de los cálculos podían automatizarse, pero la falta de visualización del diseño y la enorme cantidad de experimentación involucrada mantuvieron estancado el campo del diseño de aeronaves. Con el auge de los lenguajes de programación, los ingenieros ahora podían escribir programas que estaban diseñados para diseñar una aeronave. Originalmente, esto se hacía con computadoras centrales y se utilizaban lenguajes de programación de bajo nivel que requerían que el usuario fuera fluido en el lenguaje y conociera la arquitectura de la computadora. Con la introducción de las computadoras personales, los programas de diseño comenzaron a emplear un enfoque más fácil de usar. [28] [ verificación fallida ]
Los principales aspectos del diseño de aeronaves son:
Todos los diseños de aeronaves implican compromisos de estos factores para lograr la misión de diseño. [29]
El ala de un avión de ala fija proporciona la sustentación necesaria para el vuelo. La geometría del ala afecta cada aspecto del vuelo de un avión. El área del ala generalmente estará determinada por la velocidad de pérdida deseada , pero la forma general de la planta y otros aspectos de detalle pueden verse influenciados por factores de diseño del ala. [30] El ala se puede montar en el fuselaje en posiciones altas, bajas y medias. El diseño del ala depende de muchos parámetros, como la selección de la relación de aspecto , la relación de conicidad, el ángulo de flecha hacia atrás , la relación de espesor, el perfil de la sección, el derrumbe y el diedro . [31] La forma de la sección transversal del ala es su perfil aerodinámico . [32] La construcción del ala comienza con la nervadura que define la forma del perfil aerodinámico. Las nervaduras pueden estar hechas de madera, metal, plástico o incluso materiales compuestos. [33]
El ala debe estar diseñada y probada para garantizar que pueda soportar las cargas máximas impuestas por las maniobras y las ráfagas atmosféricas.
El fuselaje es la parte de la aeronave que contiene la cabina de mando , la cabina de pasajeros o la bodega de carga. [34]
La propulsión de las aeronaves puede lograrse mediante motores de avión especialmente diseñados, motores de automóviles, motocicletas o motos de nieve adaptados, motores eléctricos o incluso la fuerza muscular humana. Los principales parámetros del diseño del motor son: [35]
El empuje proporcionado por el motor debe equilibrar la resistencia aerodinámica a velocidad de crucero y ser mayor que la resistencia aerodinámica necesaria para permitir la aceleración. El requisito del motor varía según el tipo de aeronave. Por ejemplo, los aviones comerciales pasan más tiempo a velocidad de crucero y necesitan una mayor eficiencia del motor. Los aviones de combate de alto rendimiento necesitan una aceleración muy alta y, por lo tanto, tienen requisitos de empuje muy altos. [36]
El peso de la aeronave es el factor común que vincula todos los aspectos del diseño de aeronaves, como la aerodinámica, la estructura y la propulsión. El peso de una aeronave se deriva de varios factores, como el peso en vacío, la carga útil, la carga útil, etc. Los diversos pesos se utilizan para calcular el centro de masas de toda la aeronave. [37] El centro de masas debe ajustarse a los límites establecidos por el fabricante.
La estructura de la aeronave no sólo se centra en la resistencia, la aeroelasticidad , la durabilidad , la tolerancia a los daños y la estabilidad , sino también en la seguridad frente a fallos , la resistencia a la corrosión , la capacidad de mantenimiento y la facilidad de fabricación. La estructura debe ser capaz de soportar las tensiones provocadas por la presurización de la cabina , si está instalada, la turbulencia y las vibraciones del motor o del rotor. [38]
El diseño de cualquier aeronave comienza en tres fases [39]
El diseño conceptual de una aeronave implica esbozar una variedad de configuraciones posibles que cumplan con las especificaciones de diseño requeridas. Al dibujar un conjunto de configuraciones, los diseñadores buscan alcanzar la configuración de diseño que cumpla satisfactoriamente con todos los requisitos y que vaya de la mano con factores como la aerodinámica, la propulsión, el rendimiento de vuelo, los sistemas estructurales y de control. [40] Esto se llama optimización del diseño. En esta etapa se determinan aspectos fundamentales como la forma del fuselaje, la configuración y ubicación de las alas, el tamaño y el tipo de motor. En esta etapa también se tienen en cuenta las restricciones del diseño como las mencionadas anteriormente. El producto final es un diseño conceptual de la configuración de la aeronave en papel o en la pantalla de la computadora, para que lo revisen los ingenieros y otros diseñadores.
La configuración de diseño a la que se llegó en la fase de diseño conceptual se modifica y remodela para que se ajuste a los parámetros de diseño. En esta fase, se realizan pruebas en el túnel de viento y cálculos de dinámica de fluidos computacional del campo de flujo alrededor de la aeronave. También se lleva a cabo un importante análisis estructural y de control en esta fase. Se corrigen los defectos aerodinámicos y las inestabilidades estructurales, si las hay, y se dibuja y finaliza el diseño final. Luego, después de la finalización del diseño, el fabricante o la persona que lo diseña debe tomar la decisión clave de seguir adelante con la producción de la aeronave. [41] En este punto, varios diseños, aunque perfectamente capaces de volar y rendir, podrían haber sido descartados de la producción debido a que no eran económicamente viables.
Esta fase se ocupa simplemente del aspecto de fabricación del avión que se va a fabricar. Determina el número, diseño y ubicación de las costillas , largueros , secciones y otros elementos estructurales. [42] Todos los aspectos aerodinámicos, estructurales, de propulsión, control y rendimiento ya se han cubierto en la fase de diseño preliminar y solo queda la fabricación. Los simuladores de vuelo para aviones también se desarrollan en esta etapa.
Algunos aviones comerciales han experimentado retrasos significativos en el cronograma y sobrecostos en la fase de desarrollo. Ejemplos de esto incluyen el Boeing 787 Dreamliner con un retraso de 4 años con sobrecostos masivos, el Boeing 747-8 con un retraso de dos años, el Airbus A380 con un retraso de dos años y US$6.1 mil millones en sobrecostos, el Airbus A350 con retrasos y sobrecostos, el Bombardier C Series , Global 7000 y 8000, el Comac C919 con un retraso de cuatro años y el Mitsubishi Regional Jet , que se retrasó cuatro años y terminó con problemas de peso vacío. [43]
Un programa de aeronave existente puede ser desarrollado para obtener ganancias de rendimiento y economía estirando el fuselaje , aumentando el MTOW , mejorando la aerodinámica, instalando nuevos motores , nuevas alas o nueva aviónica. Para un largo alcance de 9100 millas náuticas a Mach 0,8/FL360, un TSFC un 10 % más bajo ahorra un 13 % de combustible, un aumento del 10 % de L/D ahorra un 12 %, un OEW un 10 % más bajo ahorra un 6 % y todos los ahorros combinados son del 28 %. [44]
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