El proceso de diseño de aeronaves es un método vagamente definido que se utiliza para equilibrar muchos requisitos competitivos y exigentes 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 con seguridad durante la vida útil de diseño de la aeronave. Similar al proceso habitual de diseño de ingeniería , pero más exigente , la técnica es altamente iterativa e implica compensaciones 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 aviones propulsados , como aviones y diseños de helicópteros .
El proceso de diseño comienza con el propósito previsto de la aeronave. Los aviones comerciales están diseñados para transportar 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 brindar apoyo cercano a las tropas terrestres. Algunos aviones tienen misiones específicas, por ejemplo, los aviones anfibios tienen un diseño único que les permite operar tanto desde tierra como desde 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 adaptarse a un requisito específico, por ejemplo, como en el caso histórico de una especificación del Ministerio del Aire británico , o llenar un "vacío en el mercado" percibido; es decir, una clase o diseño de aeronave que aún no existe, pero para la cual habría una demanda importante.
Otro factor importante que influye en el diseño son los requisitos para obtener un certificado de tipo para un nuevo diseño de aeronave. Estos requisitos son publicados por las principales autoridades nacionales de aeronavegabilidad, incluida la Administración Federal de Aviación de EE. UU . 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, las exigencias del mercado y la competencia imponen limitaciones al proceso de diseño y comprenden las influencias no técnicas en el diseño de las 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 tecnologías. [5]
En las décadas de 1950 y 1960, se establecían regularmente objetivos de proyectos inalcanzables, pero luego se abandonaban, mientras que hoy 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 y la optimización computacionales permiten a los diseñadores explorar más opciones en las primeras etapas 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 piezas multifunción. Antaño 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 rediseñados . Airbus y Boeing también reconocen los límites económicos: la próxima generación de aviones 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 conocidos por generar contaminación acústica y la expansión de las vías aéreas sobre ciudades ya congestionadas y contaminadas ha generado fuertes críticas, lo que hace necesario contar con políticas ambientales para el ruido de los aviones. [7] [8] El ruido también surge del fuselaje, donde se cambian las direcciones del flujo de aire. [9] La mejora de las normas sobre ruido ha obligado a los diseñadores a crear motores y estructuras de avión más silenciosos. [10] Las emisiones de los aviones incluyen partículas, dióxido de carbono (CO 2 ), dióxido de azufre (SO 2 ), monóxido de carbono (CO), diversos óxidos de nitratos e hidrocarburos no quemados . [11] Para combatir la contaminación, la OACI estableció en 1981 recomendaciones 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 con los aeródromos. Se han construido aeropuertos en todo el mundo para adaptarse a la topografía de una 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 del aeropuerto que influyen en el diseño de las aeronaves. Sin embargo, los cambios en el diseño de los aviones también influyen en el diseño de los aeródromos; por ejemplo, la reciente introducción de nuevos aviones grandes (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 requisitos de servicio. [15] [16]
Las altas velocidades, los tanques de combustible, las condiciones atmosféricas en las altitudes de crucero, los peligros naturales (tormentas, granizo y choques con aves) y los errores humanos son algunos de los muchos peligros que representan una amenaza para los viajes aéreos. [17] [18] [19]
La aeronavegabilidad es el estándar por el cual se determina que las aeronaves son aptas para volar. [20] La responsabilidad de la aeronavegabilidad recae en los organismos nacionales reguladores de la aviación civil, los fabricantes , así como los propietarios y operadores. [ cita necesaria ]
La Organización de Aviación Civil Internacional establece estándares internacionales y prácticas recomendadas en las que las autoridades nacionales deben basar sus regulaciones. [21] [22] Las autoridades reguladoras nacionales establecen normas de aeronavegabilidad, emiten certificados a fabricantes y operadores y normas de formación 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 la aeronave 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 operativa de la aeronave. Los operadores de aviación incluyen aviones de pasajeros y de carga , fuerzas aéreas y propietarios de aviones privados. 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 defectos y ayudar a los fabricantes a mantener los estándares de aeronavegabilidad. [ cita necesaria ]
La mayoría de las críticas al diseño en estos días se basan en la resistencia a los choques . Incluso prestando la mayor atención a la aeronavegabilidad, todavía se producen accidentes. La resistencia al choque es la evaluación cualitativa de cómo las aeronaves sobreviven a un accidente. El objetivo principal es proteger a los pasajeros o carga valiosa de los daños causados por un accidente. En el caso de los aviones de pasajeros, la piel tensada del fuselaje presurizado proporciona esta característica, pero en caso de un impacto en la nariz o la cola, se generan grandes momentos de flexión en todo el fuselaje, lo que provoca fracturas en la carcasa y la rotura del fuselaje. en secciones más pequeñas. [24] Por lo tanto, los aviones de pasajeros están diseñados de tal manera que la disposición de los asientos esté alejada de áreas que puedan verse invadidas en caso de accidente, como cerca de una hélice, el tren de aterrizaje de la góndola del motor, etc. [25] El interior de la cabina también está equipado con elementos de seguridad como máscaras de oxígeno que bajan en caso de pérdida de presión en la cabina, maleteros con cerradura, cinturones de seguridad, chalecos salvavidas, puertas de emergencia y franjas luminosas en el piso. A veces, los aviones se diseñan pensando en el aterrizaje de emergencia en el agua; por ejemplo, el Airbus A330 tiene un interruptor de "zanja" que cierra las válvulas y las aberturas debajo del avión, lo que ralentiza la entrada de agua. [26]
Los diseñadores de aeronaves normalmente elaboran 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 el equipo en consecuencia. A medida que pasó el tiempo, también creció la complejidad de los aviones militares y aéreos. Los proyectos de diseño militares y aéreos modernos son de tan gran escala que cada aspecto del diseño es abordado por diferentes equipos y luego reunidos. En la aviación general, un gran número de aviones ligeros son diseñados y construidos por aficionados y entusiastas . [27]
En los primeros años del diseño de aeronaves, los diseñadores generalmente usaban la teoría analítica para realizar los diversos cálculos de ingeniería que intervienen en el proceso de diseño junto con mucha experimentación. Estos cálculos requerían mucha mano de obra y mucho 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 siguieron 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 diseñados para diseñar un avión. Originalmente esto se hacía con computadoras mainframe y usaba lenguajes de programación de bajo nivel que requerían que el usuario dominara 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 todos los aspectos del vuelo de un avión. El área del ala generalmente estará dictada por la velocidad de pérdida deseada , pero la forma general de la planta y otros aspectos detallados pueden verse influenciados por factores de disposición del ala. [30] El ala se puede montar en el fuselaje en posiciones alta, baja y media. El diseño del ala depende de muchos parámetros, como la selección de la relación de aspecto , la relación de conicidad, el ángulo de retroceso , la relación de espesor, el perfil de la sección, el lavado y el diédrico . [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 compuestos. [33]
El ala debe diseñarse y probarse 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 , cabina de pasajeros o bodega de carga. [34]
La propulsión de los aviones puede lograrse mediante motores de avión especialmente diseñados, motores adaptados de automóviles, motocicletas o motos de nieve, 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 a velocidad de crucero y ser mayor que la resistencia para permitir la aceleración. El requisito del motor varía según el tipo de avión. 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 elevados. [36]
El peso de la aeronave es el factor común que vincula todos los aspectos del diseño de una aeronave, como la aerodinámica, la estructura y la propulsión, todos juntos. El peso de una aeronave se deriva de varios factores, como el peso en vacío, la carga útil, la carga útil, etc. Los distintos pesos se utilizan para luego calcular el centro de masa de toda la aeronave. [37] El centro de masa debe encajar dentro de los límites establecidos por el fabricante.
La estructura de la aeronave se centra no sólo en la resistencia, la aeroelasticidad , la durabilidad , la tolerancia al daño , la estabilidad , sino también en la seguridad contra fallas , la resistencia a la corrosión , la mantenibilidad y la facilidad de fabricación. La estructura debe ser capaz de soportar las tensiones provocadas por la presurización de la cabina , si la hubiera, las turbulencias y las vibraciones del motor o del rotor. [38]
El diseño de cualquier avión 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 del 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 restricciones de diseño como las mencionadas anteriormente. El producto final es un diseño conceptual de la configuración de la aeronave en papel o en una pantalla de computadora, para ser revisado por ingenieros y otros diseñadores.
La configuración de diseño a la que se llega en la fase de diseño conceptual luego 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 computacionales de dinámica de fluidos del campo de flujo alrededor de la aeronave. En esta fase también se llevan a cabo importantes análisis estructurales y de control. Se corrigen los defectos aerodinámicos y las inestabilidades estructurales, si las hubiera, y se dibuja y finaliza el diseño final. Luego, una vez finalizado el diseño, la decisión clave la toma el fabricante o la persona que lo diseña si realmente continúa con la producción del avión. [41] En este punto, varios diseños, aunque perfectamente capaces de volar y funcionar, podrían haber sido excluidos de la producción debido a que no eran económicamente viables.
Esta fase simplemente se ocupa del aspecto de fabricación de la aeronave que se va a fabricar. Determina el número, diseño y ubicación de nervaduras , largueros , perfiles y demás elementos estructurales. [42] Todos los aspectos aerodinámicos, estructurales, de propulsión, control y rendimiento ya han sido cubiertos en la fase de diseño preliminar y sólo queda la fabricación. En esta etapa también se desarrollan simuladores de vuelo para aviones.
Algunos aviones comerciales han experimentado importantes retrasos en sus cronogramas y sobrecostos en la fase de desarrollo. Ejemplos de ello son el Boeing 787 Dreamliner con un retraso de 4 años y sobrecostos masivos, el Boeing 747-8 con un retraso de dos años, el Airbus A380 con un retraso de dos años y 6.100 millones de dólares en sobrecostos, el Airbus A350 con retrasos y sobrecostos, Bombardier C Series , Global 7000 y 8000, Comac C919 con cuatro años de retraso y Mitsubishi Regional Jet , que se retrasó cuatro años y acabó con problemas de peso en vacío. [43]
Se puede desarrollar un programa de aeronave existente 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 9.100 millas náuticas a Mach 0,8/FL360, un TSFC un 10 % menor ahorra un 13 % de combustible, un aumento de L/D del 10 % ahorra un 12 %, un OEW un 10 % menor ahorra un 6 % y todo combinado ahorra un 28 %. [44]
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