Diseño Avanzado de Aeronaves: Parte 2 – Ampliando Horizontes con Modelado Eficiente

Publicado el: 25 de dic. 2020, | Por WayKen Fabricación Rápida

Los tomadores de decisiones de ingeniería modernos consideran el uso de poder computacional excesivo en esta etapa inútil y como un consumidor de tiempo. La adopción de técnicas que involucran aproximaciones son mucho más eficientes y ayudan a reducir el tiempo requerido para que el modelado paramétrico se ejecute. Tales técnicas incluyen Modelado de Orden Reducido que redujo la complejidad matemática del sistema mientras asegura que la física de las ecuaciones diferenciales parciales gobernantes se mantiene intacta.

Después de que se conduce el análisis inicial, un procedimiento iterativo entra en juego donde los resultados dictan cambios en el diseño para optimización. Este procedimiento es el enlace entre las fases de Diseño Conceptual y Preliminar. Vea más detalles de Prototipado de Diseño Industrial.

Echemos un vistazo a una forma resumida del famoso modelo Howe para Proceso de Síntesis de Proyecto.

• Se considera como una extensión al estudio de factibilidad pero con la participación de mayor detalle e intrincación.
• La primera etapa de este proceso es la selección de una o más configuraciones.
• La segunda etapa se conoce como Selección de Régimen de Vuelo y Planta de Potencia. En esta etapa, para un conjunto dado de condiciones de operación es decir número de Mach, etc., el tipo de planta de potencia a seleccionar se preselecciona es decir turbo-hélice, pistón-hélice, turbofan, turbofan de bajo bypass, turbojet, ramjet, etc.
• La siguiente etapa es sobre la selección de disposición del fuselaje. Los detalles de la carga útil son a menudo el factor impulsor detrás de esta etapa. Esto proporciona un buen punto de partida para la primera predicción de masa de aeronave.
• La configuración del ala viene después. Este es un procedimiento complejo para el laboratorio de aerodinámica donde un gran número de parámetros están involucrados. Es una fase fundamental durante el proceso de diseño preliminar. Lleva a una estimación inicial de sustentación, arrastre, masa de una aeronave y también ayuda a lograr cálculos de estimación de carga alar después de que se conduce el análisis sucesivo. Las estimaciones de carga alar se conducen basadas en ecuaciones teóricas ajustadas según datos empíricos para varias condiciones de vuelo. También ayuda a lograr una estimación aproximada de la relación empuje-peso.
• Finalmente, las etapas de análisis paramétrico entran en juego. La primera etapa combina dimensiones de ala y fuselaje para producir un conjunto de resultados para cada fase de vuelo. Esto resulta en la formación de un espacio de diseño. Conjuntos adecuados de Carga Alar y relaciones Empuje-Peso son seleccionados 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 análisis y evaluación en profundidad.
• El diseño de referencia es evaluado lo que a su vez proporciona:
  • Tamaños estimados para superficies de control
  • Ayuda para completar la disposición del tren de aterrizaje
  • Mejor estimación de valores de sustentación, arrastre y masa
  • Cálculos revisados para características de rendimiento basados en datos de entrada ajustados y métodos de estimación complejos
  • Repetición del procedimiento hasta que se cumplan criterios de convergencia de masa
• Al final de esta fase de diseño, se llevan a cabo estudios de diseño de sensibilidad para identificar áreas críticas de diseño usando técnicas gráficas o matemáticas. Además, otras actividades ocurren simultáneamente incluyendo diseño de sistemas hidráulicos, eléctricos, supresión de incendios, 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, modelos a escala para pruebas se ordenan a un fabricante de prototipos y luego los dibujos finales basados en Diseño para Ensamblaje y Diseño para Fabricación se delinean con topologías, geometrías, dimensiones, tolerancias y especificaciones de materiales reales. Discutamos esto con más detalle ahora en la siguiente sección.

Diseño Detallado

El enfoque de esta etapa está principalmente en obtener verificaciones para los procedimientos de diseño delineados en fases anteriores. Es la fase más extensa de todo el proceso de diseño. Se centra en el diseño final de cada parte, prototipado y pruebas. Basado en los datos adquiridos de la fase de diseño preliminar, esta fase implica el uso de paquetes de Diseño Asistido por Computadora y Fabricación Asistida por Computadora para apoyar actividades de diseño.

Hay tres factores bajo consideración: rendimiento, costos de fabricación, tiempo requerido y eficiencias operativas. Para un resultado comprehensivo, 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 resultados de paquetes CFD, pruebas estructurales, evaluación de aviónica y verificación de sistemas. Esta es la etapa donde el prototipado salva el día. Prototipar partes a escala para pruebas iniciales es la clave para ahorrar costos y tiempo precioso. Un buen proveedor de servicios de prototipado usará la experiencia apropiada para fabricar la estructura con las especificaciones de material requeridas desde su lado. El prototipo puede usarse para analizar resistencia, rigidez, aleteo, estabilidad elástica y otros parámetros de sistemas. Carga estática, carga dinámica, análisis modal vibracional y análisis de aleteo son algunas de las pruebas clave a realizar. Para partes de aeronaves a escala, la impresión 3D Estereolitografía proporciona la precisión requerida para evaluación comprehensiva entre diseño delineado y resultados experimentales.
• Pruebas en Vuelo: La participación de agencias de certificación para verificar el rendimiento y características de vuelo de la aeronave real. Estas agencias son conocidas como autoridades de aeronavegabilidad. Evalúan el diseño de una aeronave basado en requisitos de diseño y seguridad preestablecidos descritos en Estándares de Aeronavegabilidad de Regulaciones Federales de Aviación. La siguiente tabla describe comprehensivamente todos los estándares de aeronavegabilidad y su uso respectivo.

Los más notables de estos estándares incluyen FAR Parte 23 que es aplicable para aeronaves normales, utilitarias y acrobáticas con Peso Máximo de Despegue (MTOW) de menos de 12,500 libras y capacidad de 9 o menos pasajeros. También dicta estándares para aviones de pasajeros con MTOW de no más de 19,000 libras con capacidad de 19 o menos pasajeros.

Para aviones de transporte comercial como el Airbus A320 o Boeing 737, FAR Parte 25 dicta los estándares requeridos. Parte 25 incluye varios subpartes namely A, B, C, D, E y F, todos dictando estándares para los diversos sistemas y subsistemas de un avión de transporte comercial.

Asimismo, para rotorcrafts (más comúnmente conocidos como helicópteros) FAR Parte 27 y 29 dictan los estándares para categorías normal y transporte respectivamente. Después de lograr las certificaciones de aeronavegabilidad, el ciclo de diseño prácticamente termina con el 95 por ciento del costo del ciclo de vida incurrido en esta etapa. Esto es seguido por etapas de fabricación a gran escala.

Concluyendo el 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 pensamiento crítico y toma de decisiones sabia, el ciclo de diseño de una aeronave es una hazaña alcanzable. En la era moderna donde las apuestas son altas tanto en términos de costo y tiempo, el uso de prototipado es vital cuando y donde se necesita porque el éxito de un diseño de aeronave depende enteramente de la validación comprehensiva de ideas de diseño. Pero es realmente importante contratar los servicios del fabricante de prototipos correcto en el campo de la aviación ya que la precisión de los prototipos importa mucho. Cualquier atajo tomado en cualquier etapa del ciclo de diseño resulta destructivo más tarde como en el caso del Boeing 737 Max recientemente.