“A beautiful aircraft is the expression of the genius of a great engineer who is also a great artist”.
— Neville Shute
Hoy en día damos por hecho distintas comodidades que han brindado las ciencias e ingenierías. Ya sea que utilicemos sin pensarlo mucho celulares o automóviles. Sin embargo cada pieza y parte que conforman esos productos finales fue en algún momento ideado y diseñado por alguien de alguna forma u otra. En el caso de los aviones es difícil imaginar cómo es que se comienza a crear un producto tan complejo desde cero. ¿Se comenzará con el fuselaje? ¿Qué forma se le dará a las alas? ¿Dónde se deben colocar las turbinas? Rápidamente se vuelve un sin fin de preguntas que no son fáciles de responder. Es por esto que tener una metodología básica para lograr atacar el reto del diseño es tan esencial, ésta proporcionará el orden y orientación inicial en las etapas más ambiguas del proyecto.
Como será posible apreciarlo a continuación, no existe una fórmula única ni correcta para el diseño de productos tan complejos como lo son las aeronaves. El diseño de estás es más un trabajo artesanal que uno puramente frío y calculado. Citando las palabras de Neville Shute, “una hermosa aeronave es la expresión del genio de un gran ingeniero quien también es un gran artista”.
El diseño de una aeronave es un proceso en el cual se crea en papel o en una computadora una máquina que es capaz de volar y (1) logra cumplir ciertas especificaciones y requisitos establecidos por los usuarios potenciales y/o (2) buscar ser pionera de nuevas ideas y tecnologías inovadoras. A partir de estos dos puntos es posible construir una filosofía de diseño para las aeronaves. Podemos considerar los dos puntos anteriores como los objetivos principales del producto a generar, por lo que éstos nos ayudarán a dar los primeros pasos en la dirección correcta hacia un producto útil y deseable por el usuario final. A estos primeros pasos a partir de estos dos puntos iniciales se les llama diseño conceptual y es una de las tres fases del diseño de una aeronave. Las dos fases restantes se generan a partir de las ambigüedades que son generadas con el diseño conceptual, como veremos a continuación.
Fases del Diseño de una Aeronave #
Diseño Conceptual #
El proceso de diseño comienza con un conjunto de especificaciones para la aeronave o el deseo de inovar las tecnologías utilizadas en estas máquinas. Se debe de tener una meta concreta para poder llevar al diseño en la dirección correcta. El producto obtenido de esta fase es un layout de la configuración de la aeronave. Sin embargo, los dibujos obtenidos se deben visualizar con “líneas flexibles” capaces de cambiar moderadamente según lo requieran las siguientes fases del diseño. Se dice que deben de cambiar moderadamente porque en esta fase del diseño se determinan los aspectos fundamentales de la aeronave (como la forma de las alas, los ángulos de barrido, ubicación de las alas a lo largo del fuselaje, etc.). En la siguientes fases del diseño se busca modificar de manera más detallada y lograr definir explícitamente medias y formas.
Diseño Preliminar #
En esta fase solo se realizan cambios menores a la configuración y disposición de las partes de la aeronave. Si se necesita realizar cambios mayores durante esta fase entonces eso significaría que la fase de diseño conceptual fue en gran parte errónea. Aquí se consideran análisis más serios de los sistemas estructurales y de control. También a lo largo de esta fase se realizan pruebas extensivas en túneles de viento y simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) en todo el dominio espacial de la aeronave. Es muy probable que estos análisis dejen al descubierto distintas interferencias aerodinámicas o problemas de estabilidad, lo cual llevará al rediseño de ciertos aspectos de la aeronave.
Al final de esta fase se dice que el diseño de la configuración de la aeronave está precisamente definido y congelado. A partir de esto es posible llevar a cabo la definición de curvas matemáticas que permitirán obtener la superficie tridimensional de la aeronave (en un proceso llamado lofting). Este producto trae consigo una decisión de suma importancia: comprometerse al diseño y llevarlo a la manufactura o rediseñarlo. Esta decisión conlleva gastos de gran magnitud y en gran parte de las ocasiones puede llevar a una compañía a problemas de financiamiento si es que no está bien planeada.
Diseño Detallado #
Esta fase se encarga de analizar las fuerzas aerodinámicas, la propulsión, las estructuras, el desempeño y el control de la aeronave. En esta fase la aeronave se ha vuelto simplemente una máquina por fabricar. El diseño de cada costilla, larguero y sección es definido. También en esta fase se crean simuladores de vuelo para la aeronave en cuestión. Al final de esta fase la aeronave puede ser fabricada como tal.
Puntos Importantes para el Diseño Conceptual #
Cómo se remarcó anteriormente, no existe una fórmula establecida para crear una aeronave desde cero. La metodología y estilo al diseñar una aeronave varía tanto de persona a persona como de empresa a empresa. Algunos autores ofrecen una filosofía básica que da orientación al momento de trabajar en el diseño conceptual de la aeronave. Este proceso es un proceso de creatividad, por lo que las distintas soluciones a un conjunto de requisitos dado es muy basto y da espacio para ingeniar productos inovadores y únicos. Estos siete puntos que a continuación se expondrán no deben de ser tomados como los pasos decisivos del diseño conceptual, sino más bien una guía flexible la cual facilitará la creación de los diseños.
Requsitos #
Los requisitos de una nueva aeronave son tan únicos y distintos de avión a avión. Es por esto que no es posible estipular una manera específica de obtener los requisitos especificos de toda aeronave diseñada y por diseñar. Lo que es posible es tener en cuenta que un nuevo diseño necesita tener algunos requisitos establecidos los cuales servirán como arranque al procesod e diseño y deben de estar alineados a la meta principal de producto final. Los principales aspectos a considerar cuando se están delineando estos requisitos son combinaciones de:
- Rango
- Distancia de despegue.
- Velocidad de pérdida.
- Rendimiento.
- Velocidad máxima.
- Régimen de ascenso.
- MSTR y SST para aviones de combate.
- Costo.
- Confiabilidad y mantenibilidad.
- Tamaño máximo.
Peso del Avión — Primer Estimación #
Ningún avión puede despegar si no produce una fuerza de sustentación mayor a su peso. Es por eso que al momento de diseñar es importante realizar una estimación del peso bruto del avión. Aquí se realiza un cálculo crudo y poco preciso de las fuerzas aerodinámicas básicas a las que estará sometido el avión.
Parámetros Críticos de Desempeño #
Daependiendo de los requisitos del avión, se deberá entregar un diseño que permita su cumplimiento. Al momento de establecer los requisitos se establecen también ciertos criterios de desempeño que se deben de cumplir, entre ellos están el máximo coeficiente de sustentación (\(C_{L_{max}}\)), la razón de sustentación sobre arrastre (\(L/D\)) (usualmente a condiciones crucero), carga alar (\(W/S\)), y la razón de empuje sobre peso (\(T/W\)).
Configuración de la Aeronave #
La configuració nde la aeronave es el dibujo de la forma y tamaño del avión hasta este punto. Los parámetros críticos de desempeño en combinación con la estimación inicial del peso dan la suficiente información para aproximar las dimensiones del avión y poder dibujar la configuración.
Peso del Avión más Preciso #
En esta etapa la forma y tamaño general del avión comizan a tomar forma y se vuelven un punto de enfoque. Dado el papel tan importante del peso, en este punto es posible obtener un estimado del peso mucho más preciso basándose en los parámetros de desempeños determinados anteriormente, incluso se puede realizar un estimado detallado de cada componente gracias a la nueva configuración de la aeronave y también se podrá obtener un estimado del peso del combustible necesario para que se cumplan los requisitos.
Análisis de Desempeño #
Aquí se comienzan a analizar de manera más detenida los parámetros de desempeño que logra el diseño de la aeronave hasta este punto. En este punto es necesario tener un criterio creativo y tener la capacidad de iterar sobre el diseño. Es probable que los parametros de desempeño no se cumplan para todos los requisitos, quizá se deban de hacer sacrificios en cuanto a uno u a otros. Por ejemplo, si es necesario que la aeronave cuente con una gran velocidad entonces puede que el rango y rendimiento se vuelvan más tolerables.
Optimización #
Cuando el (los) diseñador(es) esté(n) satisfecho(s) con el proceso iterativo y se ha producido un avión viable, la siguiente pregunta es \textit{¿es esté el mejor diseño?} Esto lleva a un análisis para la optimización, el cual es la última etapa del diseño conceptual. Este análisis puede aplicarse a cada uno de los sistemas, buscando mejorarlos.
Bibliografía #
- John D. Anderson, Jr. (2010), “Aircraft Performance and Design”. Tata McGraw-Hill, p. 381-395. ISBN-13: 978-0-07-070245-5.