Diseño de Aeronaves (Parte 2):Expandiendo Horizontes

Publicado el:25 de diciembre de 2020 | Por WayKen Fabricación rápida

Los tomadores de decisiones de la ingeniería moderna consideran que el uso de un poder de cómputo excesivo en esta etapa es inútil y una pérdida de tiempo. La adopción de técnicas que involucran aproximaciones es mucho más eficiente y ayuda a reducir el tiempo requerido para ejecutar el modelado paramétrico. Dichas técnicas incluyen el modelado de orden reducido, que redujo la complejidad matemática del sistema y al mismo tiempo aseguró que la física de las ecuaciones diferenciales parciales gobernantes se mantuviera intacta.

Después de realizar el análisis inicial, entra en juego un procedimiento iterativo en el que los resultados dictan cambios en el diseño para la optimización. Este procedimiento es el vínculo entre las fases de diseño conceptual y preliminar. Ver más el detalle Prototipos de Diseño Industrial.

Echemos un vistazo a una forma resumida del famoso modelo de Howe para el proceso de síntesis de proyectos.

• Se considera como una extensión del estudio de factibilidad pero con la participación de mayor detalle y complejidad.
• La primera etapa de este proceso es la selección de una o más configuraciones.
• La segunda etapa se conoce como Régimen de vuelo y selección del motor. En esta etapa, para un conjunto determinado de condiciones de funcionamiento, es decir, número de Mach, etc., se selecciona el tipo de motor que se seleccionará, es decir, turbohélice, pistón-hélice, turboventilador, turboventilador de derivación baja, turborreactor, estatorreactor, etc.
• La siguiente etapa se refiere a la selección del diseño del fuselaje. Los detalles de la carga útil son a menudo el factor determinante detrás de esta etapa. Esto proporciona un buen punto de partida para la primera predicción de la masa de la aeronave.
• La configuración del ala viene a continuación. Este es un procedimiento complejo para el laboratorio de aerodinámica donde se involucra una gran cantidad de parámetros. Es una fase fundamental durante el proceso de diseño preliminar. Conduce a una estimación inicial de sustentación, arrastre, la masa de una aeronave y también ayuda a lograr cálculos de estimación de carga alar después de realizar los análisis sucesivos. Las estimaciones de la carga alar se realizan en base a ecuaciones teóricas ajustadas de acuerdo con datos empíricos para varias condiciones de vuelo. También ayuda a obtener una estimación aproximada de la relación entre empuje y peso.
• Por último, entran en juego las etapas de análisis paramétrico. La primera etapa combina las dimensiones del ala y el fuselaje para producir un conjunto de resultados para cada fase de vuelo. Esto da como resultado la formación de un espacio de diseño. Se seleccionan conjuntos adecuados de relaciones de carga alar y empuje a peso para la segunda etapa del análisis paramétrico.
• La segunda etapa del análisis paramétrico incorpora los conjuntos de datos elegidos para calcular la masa total de la aeronave. El conjunto que proporciona el valor de masa óptimo se usa para crear un diseño de referencia que luego se usa para un análisis y una evaluación en profundidad.
• Se evalúa el diseño del árbitro, que a su vez proporciona:
  • Tamaños estimados para superficies de control
  • Ayuda para completar el diseño del tren de aterrizaje
  • Mejor estimación de los valores de sustentación, arrastre y masa
  • Cálculos revisados ​​para características de rendimiento basados ​​en datos de entrada ajustados y métodos de estimación complejos
  • Se repite el procedimiento hasta que se cumplen los criterios de convergencia de masas
• Al final de esta fase de diseño, se llevan a cabo estudios de diseño de sensibilidad para identificar áreas críticas de diseño utilizando técnicas gráficas o matemáticas. Además, se están llevando a cabo otras actividades simultáneamente, incluido el diseño de sistemas hidráulicos, eléctricos, de extinción de incendios, de protección contra hielo y neumáticos.

La siguiente fase, es decir, la fase de diseño detallado, es donde ocurre la magia, es decir, el diseño está completamente definido, los modelos a escala para la prueba se piden a un fabricante de prototipos y luego los dibujos finales basados ​​en el diseño para el ensamblaje y el diseño para la fabricación se presentan con topologías reales. , geometrías, dimensiones, tolerancias y especificaciones de materiales. Analicemos esto con más detalle ahora en la siguiente sección.

Diseño detallado

El enfoque de esta etapa es principalmente obtener verificaciones para los procedimientos de diseño descritos en las fases anteriores. Es la fase más extensa de todo el proceso de diseño. Se centra en el diseño final, la creación de prototipos y las pruebas de cada pieza. Según los datos adquiridos en la fase de diseño preliminar, esta fase implica el uso de paquetes de diseño asistido por computadora y fabricación asistida por computadora para respaldar las actividades de diseño.

Hay tres factores bajo consideración:el rendimiento, los costos de fabricación, el tiempo requerido y las eficiencias operativas. Para obtener un resultado integral, hay dos tipos de procedimientos de prueba involucrados, es decir, pruebas en tierra y pruebas en vuelo. Echemos un vistazo a los detalles de ambos tipos con mayor detalle.

• Pruebas en tierra: Implica pruebas de túnel de viento para validar los resultados de paquetes CFD, pruebas estructurales, evaluación de aviónica y verificación de sistemas. Esta es la etapa donde la creación de prototipos salva el día. La creación de prototipos de piezas a escala para las pruebas iniciales es la clave para ahorrar costos y tiempo valioso. Un buen proveedor de servicios de creación de prototipos utilizará la experiencia adecuada para elaborar la estructura a partir de las especificaciones de material requeridas por su parte. El prototipo se puede utilizar para analizar la fuerza, la rigidez, el aleteo, la estabilidad elástica y otros parámetros del sistema. La carga estática, la carga dinámica, el análisis modal vibracional y el análisis de aleteo son algunas de las pruebas clave que se realizarán. Para piezas de aeronaves a escala, la impresión 3D de estereolitografía proporciona la precisión necesaria para una evaluación integral entre el diseño esbozado y los resultados experimentales.
• Pruebas en vuelo: La participación de agencias de certificación para verificar el rendimiento y las características de vuelo de la aeronave real. Estas agencias se conocen como autoridades de aeronavegabilidad. Evalúan el diseño de una aeronave en función de los requisitos de diseño y seguridad preestablecidos descritos en los Estándares de Aeronavegabilidad de las Regulaciones Federales de Aviación. La siguiente tabla describe exhaustivamente todos los estándares de aeronavegabilidad y su uso respectivo.

El más notable de estos estándares incluye FAR Parte 23, que se aplica a aeronaves normales, utilitarias y acrobáticas con un peso máximo de despegue (MTOW) de menos de 12,500 libras y capacidad para 9 pasajeros o menos. También dicta normas para aviones de pasajeros que tengan un MTOW de no más de 19 000 libras con una capacidad de 19 pasajeros o menos.

Para aviones de categoría de transporte comercial como el Airbus A320 o el Boeing 737, FAR Parte 25 dicta los estándares requeridos. La Parte 25 incluye varias subpartes, a saber, A, B, C, D, E y F, que dictan normas para los diversos sistemas y subsistemas de un avión de transporte comercial.

Del mismo modo, para los giroaviones (más comúnmente conocidos como helicópteros) FAR Parte 27 y 29 dictan los estándares para la categoría normal y de transporte, respectivamente. Luego de lograr las certificaciones de aeronavegabilidad, el ciclo de diseño prácticamente finaliza con el 95 por ciento del costo del ciclo de vida incurrido por esta etapa. A esto le siguen etapas de fabricación a gran escala.

Conclusión del proceso de diseño de una aeronave

Esta revisión en profundidad del ciclo de diseño de una aeronave puede parecer muy compleja. Sin embargo, con un enfoque paso a paso, decisiones maduras basadas en el pensamiento crítico y una toma de decisiones sabia, el ciclo de diseño de una aeronave es una hazaña alcanzable. En la era moderna, donde hay mucho en juego tanto en términos de costo como de tiempo, el uso de prototipos es vital cuando y donde sea necesario porque el éxito del diseño de una aeronave depende completamente de la validación integral de las ideas de diseño. Pero es realmente importante prestar los servicios del fabricante de prototipos adecuado en el campo de la aviación, ya que la precisión de los prototipos es muy importante. Cualquier atajo tomado en cualquier etapa del ciclo de diseño resulta ser destructivo más adelante, como en el caso reciente del Boeing 737 Max.