El término "estructuras inteligentes" se utiliza comúnmente para las estructuras que tienen la capacidad de adaptarse a las condiciones ambientales de acuerdo con los requisitos de diseño. Por regla general, los ajustes se diseñan y realizan para aumentar la eficiencia o la seguridad de la estructura. Combinando "estructuras inteligentes" con la "sofisticación" lograda en la ciencia de los materiales , la tecnología de la información , la ciencia de la medición, los sensores , los actuadores , el procesamiento de señales , la nanotecnología , la cibernética , la inteligencia artificial y la biomimética , [1] se puede hablar de Estructuras Inteligentes Inteligentes. En otras palabras, estructuras que son capaces de detectar su entorno, autodiagnosticar su condición y adaptarse de tal manera que el diseño sea más útil y eficiente.
El concepto de Estructuras Inteligentes para Aeronaves ofrece mejoras significativas en el peso total de la aeronave, el costo de fabricación y, sobre todo, el costo operativo mediante una integración de las tareas del sistema en la estructura de carga. [2] También ayuda a mejorar el ciclo de vida de la aeronave y a reducir su mantenimiento. [3] Los conceptos de transformación individuales también tienen la capacidad de reducir el ruido generado por la estructura de la aeronave y, por lo tanto, reducir el efecto del ruido del tráfico aéreo cerca de los aeropuertos. Además, las reducciones de la resistencia de crucero tienen un efecto positivo en el consumo de combustible y la carga de combustible requerida para el despegue.
Las alas de geometría fija están optimizadas para un único punto de diseño, identificado a través de la altitud , el número de Mach , el peso , etc. Su desarrollo es siempre un compromiso entre los puntos de diseño y fuera de diseño, referidos a una misión típica. Esto se enfatiza para aeronaves civiles donde los perfiles de vuelo son casi estándar. Sin embargo, puede ocurrir volar a altas velocidades y baja altitud con poco peso durante un tramo corto o volar a bajas velocidades y gran altitud con carga máxima durante un mayor alcance. El coeficiente de sustentación oscilaría entonces entre 0,08 y 0,4, [4] [5] con la aeronave experimentando hasta un 30% de reducción de peso a medida que se consume el combustible. [6] Estos cambios podrían compensarse con variaciones de la curvatura del ala , para buscar la geometría óptima para cualquier condición de vuelo, mejorando así el rendimiento aerodinámico y estructural.
Los aviones existentes no pueden cambiar de forma sin huecos aerodinámicos, algo que se puede solucionar con Estructuras Inteligentes Inteligentes. Al garantizar la consideración detallada de las necesidades estructurales a lo largo de toda la vida útil de un avión y centrarse en la integración estructural de las capacidades pasadas necesarias, las Estructuras Inteligentes Inteligentes para Aeronaves permitirán a los diseñadores de aeronaves considerar seriamente las tecnologías de transformación conformal. La reducción de la resistencia durante el despegue, crucero y aterrizaje para alas de aviones civiles futuras y ecológicamente mejoradas se puede lograr mediante tecnología de alas naturalmente laminares, incorporando un dispositivo de borde de ataque sin huecos y deformable con capacidad de proporcionar sustentación. Una estructura de transformación de este tipo normalmente consta de una piel exterior flexible y un mecanismo de accionamiento interno (Figura 1). Los diseños de aeronaves actuales ya emplean winglets destinados a aumentar la eficiencia del vuelo de crucero mediante la reducción de la resistencia inducida. Las Estructuras Inteligentes Inteligentes proponen una tecnología de vanguardia que incorpora un borde de salida activo en la punta del ala , que podría ser un medio para reducir las cargas en las aletas y en las alas en condiciones de vuelo clave.
Otro componente de una estructura de aeronave "inteligente" es la capacidad de detectar y diagnosticar amenazas potenciales a su integridad estructural. Esto difiere de las pruebas no destructivas (NDT) convencionales por el hecho de que el monitoreo de la salud estructural (SHM) [7] utiliza sensores que están adheridos o incrustados permanentemente en la estructura. Los materiales compuestos , que son altamente susceptibles a fallas internas ocultas que pueden ocurrir durante la fabricación y el procesamiento del material o mientras la estructura está sujeta a cargas de servicio, requieren una cantidad sustancial de inspección y monitoreo de defectos a intervalos regulares. Por lo tanto, el uso creciente de materiales compuestos para los componentes de la estructura primaria de aeronaves aumenta sustancialmente su costo de ciclo de vida . Según algunas estimaciones, más del 25% del costo del ciclo de vida de una aeronave o estructura aeroespacial, que incluye los costos de preproducción, producción y posproducción, se puede atribuir a la operación y el soporte, que involucran inspección y mantenimiento. Con la reducción de costo, tamaño y peso de la tecnología de detección, y el aumento continuo de la potencia de procesamiento de señales de los sensores, se han desarrollado una variedad de enfoques que permiten la integración de tales opciones de detección en o sobre componentes estructurales .
Aunque en principio están disponibles, ninguna de estas tecnologías de SHM ha alcanzado un nivel de madurez suficiente como para que se puedan aplicar de forma fiable a estructuras de ingeniería reales. Una reducción real de los costes del ciclo de vida relacionados con el mantenimiento y las inspecciones sólo se puede conseguir mediante sistemas de SHM diseñados como componentes " a prueba de fallos " e incluidos en un escenario de evaluación de la tolerancia a los daños , capaces de reducir los tiempos de inspección (o sus intervalos) investigando la estructura de forma rápida y fiable y evitando el desmontaje de las piezas estructurales, que requiere mucho tiempo. [8]
Las ventajas de los polímeros reforzados con fibra de carbono (PRFC) frente a los materiales metálicos en términos de rigidez y resistencia específicas son bien conocidas. En los últimos años se ha producido un marcado aumento de la demanda de materiales compuestos con capacidades multifuncionales integradas para su uso en estructuras aeronáuticas.
Sin embargo, un inconveniente importante de los CFRP para aplicaciones estructurales primarias es su baja tenacidad y tolerancia al daño. Las resinas epoxi son frágiles y tienen poca resistencia al impacto y resistencia a la propagación de grietas , lo que resulta en niveles insatisfactorios de robustez y confiabilidad. Esto da como resultado diseños con grandes márgenes de seguridad y operaciones de inspección complejas. Además, al aumentar la fracción relativa de componentes compuestos dentro de las nuevas aeronaves, han surgido desafíos relacionados con la conductividad eléctrica, como la protección contra rayos , descarga estática , unión y puesta a tierra eléctrica , blindaje contra interferencias y retorno de corriente a través de la estructura. Estos inconvenientes se pueden resolver mediante el uso de tecnologías emergentes como los nanocompuestos , que combinan propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas. [9]
Se ha descubierto que las resinas reforzadas con nanopartículas ofrecen dos ventajas distintivas sobre los sistemas de resina actuales. [10] [11] [12] [13] [14] En primer lugar, pueden proporcionar un aumento en la tenacidad a la fractura de hasta un 50% para resinas de infusión de resina líquida (LRI) más antiguas y un 30% en sistemas más avanzados. En segundo lugar, las nanopartículas percoladas mejoran drásticamente la conductividad de la resina, convirtiéndola de un aislante perfecto en un semiconductor . Si bien las propiedades de tolerancia al daño mejoradas podrían conducir directamente a ahorros de peso estructural, la explotación de las propiedades eléctricas también podría permitir una red de estructura eléctrica (ESN) más simple y, por lo tanto, más barata.
Para desarrollar estas tecnologías para los futuros aviones no tripulados, actualmente (2011-2015) hay un proyecto en marcha, financiado parcialmente por la Comisión Europea , denominado "SARISTU" (Smart Intelligent Aircraft Structures) con un presupuesto total de 51.000.000 €. Esta iniciativa está coordinada por Airbus y reúne a 64 socios de 16 países europeos. [15] [16] SARISTU se centra en la reducción de costes de los viajes aéreos mediante una variedad de aplicaciones individuales, así como su combinación. En concreto, la integración de diferentes conceptos de transformación conforme en un ala laminar pretende mejorar el rendimiento de la aeronave mediante una reducción del 6% de la resistencia aerodinámica, con un efecto positivo en el consumo de combustible y la carga de combustible de despegue necesaria. Un efecto secundario será una disminución de hasta 6 dB(A) del ruido generado por la estructura del avión, reduciendo así el impacto del ruido del tráfico aéreo en las proximidades de los aeropuertos. Cálculos recientes y análisis de dinámica de fluidos computacional indican que es probable que se supere el objetivo, pero aún será necesario compensarlo con una posible penalización de peso.
Otro resultado esperado es limitar el costo de integración de los sistemas de monitoreo de salud estructural (SHM) al llevar la integración del sistema lo más adelante posible en la cadena de fabricación. De esta manera, la integración de SHM se convierte en un concepto viable para permitir reducciones de costos de inspección en servicio de hasta un 1%. Los ensayos relacionados con el monitoreo de salud estructural indican que las inspecciones de aeronaves específicas pueden obtener mayores beneficios de lo previsto originalmente.
Finalmente, se espera que la incorporación de nanotubos de carbono a las resinas aeronáuticas permita un ahorro de peso de hasta un 3% en comparación con el sistema de piel/larguero/marco sin modificar, mientras que se espera que una combinación de tecnologías reduzca los costos de instalación de la red de estructura eléctrica hasta en un 15%.
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) [Consultado el 30 de julio de 2012].