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 pueda transportar una carga útil adecuada al tiempo que es lo suficientemente confiable para volar de manera segura durante la vida útil de diseño de la aeronave. Similar a, pero más exigente que, el proceso de diseño de ingeniería habitual , la técnica es muy iterativa, implica compensaciones de configuración de alto nivel, una mezcla 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 nacionales de aeronavegabilidad .
Este artículo trata sobre aviones propulsados como aviones y diseños de helicópteros .
Restricciones de diseño
Propósito
El proceso de diseño comienza con el propósito previsto de la aeronave. Los aviones comerciales están diseñados para transportar una carga útil de pasajeros o carga, de 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 el agua, algunos cazas, como el Harrier Jump Jet , tienen capacidad VTOL (despegue y aterrizaje vertical), los helicópteros tienen la capacidad para desplazarse sobre un área durante un período de tiempo. [1]
El propósito puede ser cumplir con 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 que habría una demanda significativa.
Regulaciones de aeronaves
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]
Factores financieros y mercado
Las limitaciones presupuestarias, los requisitos del mercado y la competencia imponen restricciones al proceso de diseño y comprenden las influencias no técnicas en el diseño de la aeronave junto con los factores ambientales. La competencia lleva a las empresas a luchar por una mayor eficiencia en el diseño sin comprometer el rendimiento e incorporando nuevas técnicas y tecnología. [5]
En las décadas de 1950 y 1960, los objetivos de los proyectos inalcanzables se establecían regularmente, pero luego se abandonaban, mientras que los programas problemáticos de hoy 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 al principio del proceso. El aumento de la automatización en la ingeniería y la fabricación permite un desarrollo más rápido y económico. Los avances tecnológicos desde los materiales hasta la fabricación permiten variaciones de diseño más complejas, como las piezas multifunción. Una vez que fueron imposibles de diseñar o construir, ahora pueden imprimirse en 3D , pero aún tienen que demostrar su utilidad en aplicaciones como el Northrop Grumman B-21 o el A320neo y el 737 MAX rediseñados . Airbus y Boeing también reconocen los límites económicos, que la próxima generación de aviones no puede costar más que las anteriores. [6]
Factores ambientales
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 las aeronaves, principalmente el ruido y las emisiones. Los motores de las aeronaves han sido históricamente notorios por generar contaminación acústica y la expansión de las vías respiratorias sobre ciudades ya congestionadas y contaminadas ha generado fuertes críticas, por lo que es necesario contar con políticas ambientales para el ruido de las aeronaves. [7] [8] El ruido también surge de la estructura del avión, donde se cambian las direcciones del flujo de aire. [9] Las regulaciones de ruido mejoradas han obligado a los diseñadores a crear motores y fuselajes más silenciosos. [10] Las emisiones de las aeronaves incluyen partículas, dióxido de carbono (CO 2 ), dióxido de azufre (SO 2 ), monóxido de carbono (CO), varios óxidos de nitratos e hidrocarburos no quemados . [11] Para combatir la contaminación, la OACI estableció recomendaciones en 1981 para controlar las emisiones de las aeronaves. [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 del aeródromo. Los aeropuertos de todo el mundo se han construido para adaptarse a la topografía de la región en particular. Las limitaciones de espacio, el diseño del pavimento, las áreas de seguridad del extremo de la pista y la ubicación única del aeropuerto son algunos de los factores del aeropuerto que influyen en el diseño de la aeronave. Sin embargo, los cambios en el diseño de los aviones también influyen en el diseño del aeródromo, 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]
Seguridad
Las altas velocidades, los tanques de combustible, las condiciones atmosféricas a altitudes de crucero, los peligros naturales (tormentas eléctricas, 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 reguladores de la aviación nacionales , los fabricantes , así como los propietarios y operadores. [ cita requerida ]
La Organización de Aviación Civil Internacional establece normas y prácticas recomendadas internacionales en las que las autoridades nacionales deben basar sus reglamentaciones. [21] [22] Las autoridades reguladoras nacionales establecen normas de aeronavegabilidad, emiten certificados a los fabricantes y operadores y las normas de formación del personal. [23] Cada país tiene su propio organismo regulador, como la Administración Federal de Aviación de EE. UU., La DGCA (Dirección General de Aviación Civil) de 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. Acuerdan cumplir con las regulaciones establecidas por los organismos reguladores, comprender las limitaciones de la aeronave según lo especificado por el fabricante, informar los defectos y ayudar a los fabricantes a mantener los estándares de aeronavegabilidad. [ cita requerida ]
La mayoría de las críticas de diseño en estos días se basan en la resistencia a los choques . Incluso con la mayor atención a la aeronavegabilidad, todavía ocurren accidentes. La resistencia al impacto es la evaluación cualitativa de cómo las aeronaves sobreviven a un accidente. El objetivo principal es proteger a los pasajeros o la carga valiosa de los daños causados por un accidente. En el caso de los aviones de pasajeros, la piel estresada del fuselaje presurizado proporciona esta característica, pero en el caso de un impacto en el morro o en la cola, se acumulan grandes momentos de flexión a lo largo del fuselaje, lo que provoca fracturas en el casco, lo que hace que el fuselaje se rompa. en secciones más pequeñas. [24] Por lo tanto, el avión de pasajeros está diseñado de tal manera que la disposición de los asientos está lejos de las áreas que probablemente se inmiscuyan en un 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 se despliegan en caso de pérdida de presión en la cabina, maleteros con cerradura, cinturones de seguridad, chalecos salvavidas, puertas de emergencia y listones luminosos en el suelo. Las aeronaves a veces se diseñan teniendo en cuenta el aterrizaje de emergencia en el agua , por ejemplo, el Airbus A330 tiene un interruptor de `` caída '' que cierra las válvulas y aberturas debajo de la aeronave, lo que ralentiza la entrada de agua. [26]
Optimización de diseño
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 dirigidos por un diseñador jefe que conoce todos los requisitos y objetivos de diseño y coordina el equipo en consecuencia. A medida que pasaba el tiempo, también crecía la complejidad de los aviones militares y de las aerolíneas. Los proyectos modernos de diseño militar y de aerolíneas son de una escala tan grande que cada aspecto del diseño es abordado por diferentes equipos y luego reunidos. En la aviación general, una gran cantidad de aviones ligeros están diseñados y construidos por aficionados y entusiastas . [27]
Diseño asistido por computadora de aeronaves
En los primeros años del diseño de aeronaves, los diseñadores generalmente usaban la teoría analítica para realizar los diversos cálculos de ingeniería que se incluyen en el proceso de diseño junto con mucha experimentación. Estos cálculos eran laboriosos y consumían 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 semi-empíricas. Incluso después de la simplificación, los cálculos continuaron 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 aviones. Con el auge de los lenguajes de programación, los ingenieros ahora podían escribir programas que se adaptaran para diseñar un avión. Originalmente esto se hacía con computadoras mainframe y se usaban 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 ]
Aspectos de diseño
Los principales aspectos del diseño de aeronaves son:
- Aerodinámica
- Propulsión
- Control S
- Masa
- Estructura
Todos los diseños de aeronaves implican compromisos de estos factores para lograr la misión de diseño. [29]
Diseño de ala
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 forma en planta y otros aspectos de los detalles pueden verse influenciados por factores de diseño 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 ahusamiento, el ángulo de retroceso , la relación de espesor, el perfil de la sección, el lavado y el diedro . [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 materiales compuestos. [33]
El ala debe diseñarse y probarse para garantizar que pueda soportar las cargas máximas impuestas por las maniobras y por las ráfagas atmosféricas.
Fuselaje
El fuselaje es la parte de la aeronave que contiene la cabina, la cabina de pasajeros o la bodega de carga. [34]
Propulsión
La propulsión de las aeronaves puede lograrse mediante motores de aeronaves especialmente diseñados, motores adaptados para automóviles, motocicletas o motos de nieve, motores eléctricos o incluso la fuerza de los músculos humanos. Los principales parámetros del diseño de motores son: [35]
- Empuje máximo del motor disponible
- El consumo de combustible
- Masa del motor
- Geometría del motor
El empuje proporcionado por el motor debe equilibrar la resistencia a la velocidad de crucero y ser mayor que la resistencia para permitir la aceleración. El requisito del motor varía según el tipo de aeronave. Por ejemplo, los aviones comerciales pasan más tiempo en velocidad de crucero y necesitan más eficiencia del motor. Los aviones de combate de alto rendimiento necesitan una aceleración muy alta y, por lo tanto, tienen requisitos de empuje muy altos. [36]
Peso
El peso de la aeronave es el factor común que vincula todos los aspectos del diseño de la 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 diversos pesos se utilizan para luego calcular el centro de masa de toda la aeronave. [37] El centro de masa debe ajustarse a los límites establecidos por el fabricante.
Estructura
La estructura de la aeronave se centra no solo en la resistencia, la aeroelasticidad , la durabilidad , la tolerancia al daño , la estabilidad , sino también en la seguridad ante fallas , la resistencia a la corrosión , la facilidad de mantenimiento y la facilidad de fabricación. La estructura debe ser capaz de soportar las tensiones provocadas por la presurización de la cabina , si está instalada, las turbulencias y las vibraciones del motor o del rotor. [38]
Proceso de diseño y simulación
El diseño de cualquier avión comienza en tres fases [39]
Diseño conceptual
El diseño conceptual de la 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, además de ir de la mano de factores como aerodinámica, propulsión, desempeño de vuelo, sistemas estructurales y de control. [40] Esto se denomina optimización del diseño. En esta etapa se determinan aspectos fundamentales como la forma del fuselaje, la configuración y ubicación del ala, el tamaño y el tipo del motor. Las restricciones al diseño como las mencionadas anteriormente también se tienen en cuenta en esta etapa. El producto final es un diseño conceptual de la configuración de la aeronave en papel o pantalla de computadora, para ser revisado por ingenieros y otros diseñadores.
Fase de diseño preliminar
La configuración de diseño a la que se llegó en la fase de diseño conceptual se modifica y remodela para adaptarse a los parámetros de diseño. En esta fase, se realizan pruebas en túnel de viento y cálculos de dinámica de fluidos computacionales del campo de flujo alrededor de la aeronave. En esta fase también se llevan a cabo importantes análisis estructurales y de control. Las fallas aerodinámicas y las inestabilidades estructurales, si las hay, se corrigen y se dibuja y finaliza el diseño final. Luego, después de la finalización del diseño, la decisión clave recae en el fabricante o la persona que lo diseña, si realmente se sigue adelante con la producción de la aeronave. [41] En este punto, varios diseños, aunque perfectamente capaces de vuelo y rendimiento, podrían haber sido excluidos de producción debido a que no eran económicamente viables.
Fase de diseño de detalle
Esta fase simplemente se ocupa del aspecto de fabricación de la aeronave que se fabricará. Determina el número, diseño y ubicación de nervaduras , largueros , secciones y otros elementos estructurales. [42] Todos los aspectos aerodinámicos, estructurales, de propulsión, control y rendimiento ya se han cubierto en la fase de diseño preliminar y solo queda la fabricación. En esta etapa también se desarrollan simuladores de vuelo para aviones.
Retrasos
Algunas aeronaves comerciales han experimentado retrasos importantes en los horarios y sobrecostos en la fase de desarrollo. Ejemplos de esto incluyen el Boeing 787 Dreamliner con un retraso de 4 años con sobrecostos masivos, el Boeing 747-8 con un retraso de dos años, el Airbus A380 con un retraso de dos años y US $ 6.1 mil millones en sobrecostos, el Airbus A350 con retrasos y sobrecostos, el Bombardier C Series , Global 7000 y 8000, el Comac C919 con cuatro años de retraso y el Mitsubishi Regional Jet , que se retrasó cuatro años y terminó con problemas de peso vacío. [43]
Desarrollo del programa
Se puede desarrollar un programa de aviones existente para aumentar el rendimiento y la 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 nmi a Mach 0.8 / FL360, un TSFC 10% menor ahorra un 13% de combustible, un aumento del 10% L / D ahorra un 12%, un OEW 10% menor ahorra un 6% y todo combinado ahorra un 28%. [44]
Re-motor
Base | Motores anteriores | Primer vuelo | Re-motorizado | Motores nuevos | Primer vuelo |
---|---|---|---|---|---|
DC-8 Super 60 | JT3D | 30 de mayo de 1958 | DC-8 Super 70 | CFM56 | mil novecientos ochenta y dos |
Boeing 737 original | JT8D | 9 de abril de 1967 | Boeing 737 clásico | CFM56 | 24 de febrero de 1984 |
Fokker F28 | Rolls-Royce Spey | 9 de mayo de 1967 | Fokker 100/70 | Rolls-Royce Tay | 30 de noviembre de 1986 |
Boeing 747 | JT9D / CF6 -50 / RB211 -524 | 9 de febrero de 1969 | Boeing 747-400 | PW4000 / CF6-80 / RB211-524G / H | 29 de abril de 1988 |
Douglas DC-10 | JT9D / CF6-50 | 29 de agosto de 1970 | MD-11 | PW4000 / CF6-80 | 10 de enero de 1990 |
Douglas DC-9 / MD-80 | JT8D | 25 de febrero de 1965 | MD-90 | V2500 | 22 de febrero de 1993 |
Boeing 737 clásico | CFM56-3 | 24 de febrero de 1984 | Boeing 737 NG | CFM56-7 | 9 de febrero de 1997 |
Boeing 747-400 | PW4000 / CF6 / RB211 | 29 de abril de 1988 | Boeing 747-8 | GEnx | 8 de febrero de 2010 |
Airbus A320 | CFM56 / V2500 | 22 de febrero de 1987 | Airbus A320neo | CFM LEAP / PW1100G | 25 de septiembre de 2014 |
Boeing 737 NG | CFM56 | 9 de febrero de 1997 | Boeing 737 MAX | SALTO CFM | 29 de enero de 2016 |
Embraer E-Jet | CF34 | 19 de febrero de 2002 | Embraer E-Jet E2 | PW1000G | 23 de mayo de 2016 |
Airbus A330 | CF6 / PW4000 / Trent 700 | 2 de noviembre de 1992 | Airbus A330neo | Trento 7000 | 19 de octubre de 2017 |
Boeing 777 | GE90 / PW4000 / Trent 800 | 12 de junio de 1994 | Boeing 777X | GE9X | 25 de enero de 2020 |
Estiramiento del fuselaje
Base | Longitud de la base | Primer vuelo | Estirado | Longitud estirada | Primer vuelo |
---|---|---|---|---|---|
Boeing 737-100 | 28,65 m (94,00 pies) | 9 de abril de 1967 | 737-200 | 30,5 m (100,2 pies) | 8 de agosto de 1967 |
737-500 / 600 | 31,00–31,24 m (101,71–102,49 pies) | ||||
737-300 / 700 | 33,4–33,63 m (109,6–110,3 pies) | ||||
737 MAX 7 | 35,56 m (116,7 pies) | ||||
737-400 | 36,40 m (119,4 pies) | ||||
737-800 / MAX 8 | 39,47 m (129,5 pies) | ||||
737-900 / MAX 9 | 42,11 m (138,2 pies) | ||||
737 MAX 10 | 43,80 m (143,7 pies) | plan. 2020 | |||
Boeing 747-100/200/300/400 | 70,66 m (231,8 pies) | 9 de febrero de 1969 | Boeing 747SP | 56,3 m (185 pies) | 4 de julio de 1975 |
Boeing 747-8 | 76,25 m (250,2 pies) | 8 de febrero de 2010 | |||
Boeing 757 | 47,3 m (155 pies) | 19 de febrero de 1982 | Boeing 757-300 | 54,4 m (178 pies) | |
Boeing 767-200 / ER | 48,51 m (159,2 pies) | 26 de septiembre de 1981 | Boeing 767-300 / ER | 54,94 m (180,2 pies) | |
Boeing 767-400ER | 61,37 m (201,3 pies) | ||||
Boeing 777-200 / ER / LR | 63,73 m (209,1 pies) | 12 de junio de 1994 | Boeing 777X -8 | 69,8 m (229 pies) | |
Boeing 777-300 / ER | 73,86 m (242,3 pies) | 16 de octubre de 1997 | |||
Boeing 777X-9 | 76,7 m (252 pies) | 25 de enero de 2020 | |||
Boeing 787 -8 | 56,72 m (186,08 pies) | 15 de diciembre de 2009 | Boeing 787-9 | 62,81 m (206,08 pies) | 17 de septiembre de 2013 |
Boeing 787-10 | 68,28 m (224 pies) | 31 de marzo de 2017 | |||
Airbus A300 | 53,61–54,08 m (175,9–177,4 pies) | 28 de octubre de 1972 | Airbus A310 | 46,66 m (153,1 pies) | 3 de abril de 1982 |
Airbus A320 (neo) | 37,57 m (123,3 pies) | 22 de febrero de 1987 | Airbus A318 | 31,44 m (103,1 pies) | 15 de enero de 2002 |
Airbus A319 (neo) | 33,84 m (111,0 pies) | 25 de agosto de 1995 | |||
Airbus A321 (neo) | 44,51 m (146,0 pies) | 11 de marzo de 1993 | |||
Airbus A330-300 / 900 | 63,67 m (208,9 pies) | 2 de noviembre de 1992 | Airbus A330-200 / 800 | 58,82 m (193,0 pies) | 13 de agosto de 1997 |
Airbus A340-300 | 63,69 m (209,0 pies) | 25 de octubre de 1991 | Airbus A340-200 | 59,40 m (194,9 pies) | 1 de abril de 1992 |
Airbus A340-500 | 67,93 m (222,9 pies) | 11 de febrero de 2002 | |||
Airbus A340-600 | 75,36 m (247,2 pies) | 23 de abril de 2001 | |||
Airbus A350 -900 | 66,61 m (218,5 pies) | 14 de junio de 2013 | A350-1000 | 73,59 m (241,4 pies) | 24 de noviembre de 2016 |
Ver también
- Ingeniería Aeroespacial
- Fabricante de aeronaves
- Pájaro de hierro (aviación)
Referencias
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