Diseño de Aeronaves (Parte 1): Horizontes Pioneros en Ingeniería Aeroespacial

Entre las carreras de ingeniería más duras globalmente, la ingeniería aeroespacial y aeronáutica probablemente encabezan las listas. Cualquier ingeniero leyendo este artículo podría estar familiarizado con los ciclos de diseño usuales involucrados en el diseño de cualquier producto, pero es el nivel de intrincación requerido en el campo de la aviación lo que lo hace tan desafiante.

El diseño moderno de aeronaves enfrenta desafíos operacionales, ambientales y financieros estrictos. Un cambio de paradigma masivo se está notando en cómo se diseñan sistemas complejos y cómo evitar fallos de diseño como en el caso del último Boeing 737 Max. En este artículo, discutiremos el flujo de un ciclo de diseño moderno de aeronaves e instancias donde usar los servicios de un fabricante de prototipos para pruebas a escala puede salvar el día.

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Ciclo de Diseño de una Aeronave Moderna

Cada diseñador leyendo este artículo podría estar familiarizado con las tres fases básicas de diseño: Conceptual, Preliminar y Diseño Detallado. Sin embargo, la feroz competencia entre actores del mercado con altas expectativas de clientes significa que una empresa tiene que innovar notablemente en las fases de diseño para cumplir diversos criterios. Discutamos el ciclo de diseño de una aeronave basado en el costo del ciclo de vida con ayuda del siguiente diagrama.

Como puede ver, las primeras tres fases antes de la etapa de fabricación suman el 95% del costo total. Entre las tres fases iniciales, la más importante es la Fase 1: Planificación y Diseño Conceptual. Por lo tanto, enfóquemonos en la primera fase en detalle seguida por las otras dos.

Planificación y Diseño Conceptual

El paso inicial está marcado por un estudio de factibilidad que determina si un requisito puede cumplirse con tecnología existente o no. Además, el estudio de factibilidad también ayuda a optimizar el camino para un proyecto, es decir, rediseño completo que significa el mayor riesgo y costo o adopción/modificación de diseño existente. Siguiendo esto, la fase de diseño conceptual comienza. Cualquier diseñador de aeronaves conoce muy bien los modelos Raymer y Roskam y como ellos delinean, la fase de diseño conceptual implica responder las siguientes preguntas básicas:

• ¿Funcionará?
• ¿Cómo se ve?
• ¿Cuáles son los requisitos?
• Cómo optimizar los intercambios?
• Cómo optimizar peso y costos?

La meta final de la etapa de diseño conceptual es identificar y preparar un concepto de diseño factible y óptimo para mayor refinamiento. Esta fase implica así crear, estudiar y examinar varios conceptos de diseño, todos con conocimiento mínimo de resultados experimentales y datos limitados sobre la practicidad del diseño. El gráfico debajo de este párrafo representa el mayor rango de incertidumbre durante las etapas conceptuales comparado con las etapas avanzadas. Agregando a esto, un 65 por ciento del costo del ciclo de vida incurrido durante esta etapa significa que cualquier cambio al diseño básico más tarde significa una reducción en ingresos totales y extensión en plazos.

El dilema comúnmente enfrentado en la fase de diseño conceptual es el inicio de un programa de diseño sin delinear claramente un conjunto de requisitos a cumplir. Delimitar requisitos de mercado y hacer que los clientes hagan sus expectativas explícitamente conocidas es tan importante. Refinar requisitos en una etapa posterior resulta en un enfoque antieconómico e ineficiente y tal ciclo de diseño tiene implicaciones severas en los costos del ciclo de vida incurridos. En el caso de un diseño de aeronave, hay múltiples conjuntos de requisitos y expectativas a menudo conflictivos establecidos por clientes. Un conjunto diverso y complejo de sistemas de aeronaves basados en varias partes de una aeronave, ej. alas, motor, fuselaje, tren de aterrizaje, cola y canard significan múltiples desafíos.

Lidiar con esto es un arte en su propio derecho y por eso tales decisiones se facilitan usando técnicas como Toma de Decisiones Multi-Atributo (MADM). Con la ayuda de tales técnicas, consideraciones implícitas entran en juego, y la toma de decisiones se mueve de un enfoque determinista de punto único a un enfoque dinámico y paramétrico. Además, técnicas como Análisis Multidisciplinario y Optimización de Diseño son vitales para cumplir conjuntos de restricciones enredados en tal entorno. Esta técnica ha sido delineada en el siguiente diagrama que representa las interacciones entre varios mayores aeronáuticos.

Con respecto a la incertidumbre en la etapa de diseño conceptual como se delineó anteriormente, los métodos establecidos se basan en teorías probabilísticas y métodos de diseño. Estos métodos implican el uso de Funciones de Densidad de Probabilidad (PDFs) y Funciones de Distribución Acumulativa (CDFs) para cada restricción de diseño. Los datos para varias restricciones de diseño se trazan y analizan colectivamente. Estos datos acumulativos dan al diseñador una visión clara de la región de diseño y si necesita relajar alguna restricción o introducir alguna tecnología para la mejora general del ciclo de diseño.

En resumen, el diseñador crea una relación entre variables de entrada y salida manteniendo en vista la variabilidad de factores de entrada.

Diseño Preliminar

Esta etapa es monumentalmente crítica para dimensionar los varios factores de diseño para el concepto finalizado en la primera fase. Esto requiere estudio y análisis en profundidad de las interacciones interdisciplinarias entre los varios sistemas y subsistemas de una aeronave. Por ejemplo, el concepto de aeroelasticidad es la combinación de mecánica estructural y aerodinámica.

En la era moderna de ingeniería de hoy, la fase de diseño preliminar también incluye consideraciones como fiabilidad, mantenibilidad, estabilidad y control, seguridad y economía. Ahora discutiremos con mayor detalle los desafíos que yacen en esta fase de diseño y la forma óptima de enfrentarlos.

Modelado sofisticado, complejo y preciso requiere el uso de algoritmos numéricos avanzados, ej. Dinámica de Fluidos Computacional y Análisis de Elementos Finitos. Sin embargo, costos computacionales excepcionalmente altos significan otro desafío para los diseñadores. El siguiente diagrama representa figurativamente el intercambio involucrado en elegir herramientas de alta fidelidad vs usar simulaciones simples.

Moverse hacia herramientas complejas y de alta fidelidad no solo significa costos computacionales más altos sino también hay el desafío de lidiar con varias variables, a menudo ascendiendo a cientos, y su interdependencia también. Así, tiempo significativo se gasta en identificar y mapear el entorno de simulación. (¡La historia no termina!!!)

Si aún está interesado en el contenido, por favor lea el Diseño de Aeronaves (Parte 2): Ampliando Horizontes. Gracias.