Los aviones se guiarán por el impulso del motor

2000/06/01 Kortabarria Olabarria, Beñardo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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El programa de caza EF-2000 es el mayor proyecto militar de cooperación que se ha puesto en marcha y casi finalizado en Europa hasta la fecha. Más de 400 empresas de Alemania, Reino Unido, Italia y España trabajan en directo en el consorcio Eurofighter (British Aerospace (Reino Unido), DASA (Alemania), Alenia (Italia) y CASA (España) que realiza el avión. Los primeros aviones de la serie EF-2000, motores 148 y 363, se realizarán en el año 2001 y volarán en el año 2002.

El motor EJ-200 impulsará el avión de caza EF-2000 y su desarrollo es responsabilidad del consorcio Eurojet, Rolls Royce (Reino Unido), MTU (Alemania), Fiat Avio (Italia) e Industria de Turbo Propulsores (ITP) de Zamudio. La construcción del motor está distribuida y la empresa de Zamudio está fabricando la tolva convergente-divergente, el difusor de fugas de la turbina, la carcasa del tubo de desvío, la carcasa del quemador posterior y los tubos y cables exteriores del motor.

Está claro que las empresas más potentes del sector de la aviación en Europa han decidido seguir el camino de la colaboración. No han tenido más remedio que afrontar la competencia. Las empresas europeas tienen que competir con empresas estadounidenses y para ello tendrán que construir motores con bajo impacto ambiental y con buen precio sin fallos.

Los expertos prevén un crecimiento del sector de la aviación en los próximos veinte años y se detecta que la actual competencia intercontinental será sustituida por la cooperación entre los continentes, incluidos Asia. Para este futuro, ITP ha trabajado y trabaja con los principales productores de motor del mundo: EJ-200 (Rolls Royce, MTU, Fiat Avio); Trent (Rolls Royce); 501K y 601K (Allison); Atar 9K50 Plus (Snecma); BR710 y BR715 (BMW-RR); General Fiat; 25Tfal.

Toda esta experiencia y, sobre todo, el camino recorrido en el desarrollo del proyecto de la tobera del motor EJ-200, han permitido a ITP iniciar un nuevo proyecto que prácticamente ha culminado: Tolva vectorial para el motor EJ-200. Este proyecto ha sido considerado como trabajo de I+D y no forma parte del programa actual del motor EJ-200.

Nueva tolva

La tolva es la parte final del motor de reacción de los aviones. En las tolvas convencionales, el gas procedente de la turbina se expande en la tolva, por lo que a medida que baja la presión aumenta la velocidad de los gases de escape. Por lo tanto, el aire sale a una velocidad superior a la entrada. Así surge el empuje que mueve el avión hacia delante. Las toberas vectoriales tienen la misma función: aumentar la velocidad del gas que sale de la turbina para aumentar el empuje del motor, pero además pueden conducir la dirección del gas.

Por tanto, el avión puede utilizar el mismo empuje para controlar y maniobrar el vuelo. El uso del impulso para controlar el vuelo no es una idea nueva, pero hasta el momento no se ha podido llevar a cabo debido a la falta de tecnología y materiales adecuados. Hoy en día en Europa no hay aviones que utilicen la tobera vectorial, mientras que en otros lugares existen. Según el movimiento se distinguen dos tipos de tolvas vectoriales: 1) Toberas vectoriales 2D: capaces de hacer movimiento de izquierda a derecha. 2) Toberas vectoriales 3D: aquellas que permiten el movimiento de izquierda a derecha y de arriba abajo o abajo hacia arriba. En general, la tecnología de las tolvas vectoriales puede utilizarse con cualquier turboreactor o turbofán. Sin embargo, las toberas vectoriales existentes en la actualidad se utilizan en aviones de reacción militares de postcombustión. En el futuro se prevé que esta tecnología se utilice también en aviones con otro motor de reacción.

Uno de los problemas más graves de las toberas vectoriales que se han diseñado hasta el momento ha sido encontrar un accionamiento capaz de desplegar y cerrar la parte convergente y divergente de la tobera y, al mismo tiempo, dirigir la tolva hacia diferentes direcciones. Por ello, todas las toberas vectoriales existentes utilizan un sistema de actuadores para cada función, dos por tanto. Además de encontrar un sistema de buen peso, precio y tamaño para poder cumplir con el papel de la tobera vectorial, hasta ahora ha sido un gran problema. La mayor innovación tecnológica de la tobera diseñada en ITP se encuentra en el sistema de actuadores. Precisamente porque tiene un único sistema de accionamiento, en este caso hidráulico, para realizar todas las tareas de la tobera vectorial. Con el mismo accionamiento se controla tanto la sección convergente de la tobera, que es el lugar en el que se decide la entrada de gas, como el divergente, que es el punto en el que se decide hacia donde se envía el gas. Está claro que esto puede tener una gran influencia en el peso, coste y eficiencia del motor en general. Para mejorar este aspecto de la investigación, actualmente en ITP se está trabajando con nuevos materiales, además de en pruebas de vuelo y en tareas de lanzamiento de la tolva.

Recorrido 10 años

Según lo dicho, se puede pensar que el proyecto de la tobera vectorial está terminado, pero no es así, aunque ha recorrido un largo camino, todavía queda por hacer. El proyecto propiamente dicho comenzó en 1990. Durante los cinco primeros años del proyecto se patentó la idea, se realizó el diseño conceptual y se construyó la maqueta. ITP contó en aquellos años con la colaboración de la empresa alemana DASA en el ámbito de la consultoría, que es un potente impulsor de la tecnología asociada a la tobera vectorial.

Una vez hecho esto, se procedió al diseño aerodinámico. Al mismo tiempo, hasta encontrar el más adecuado, se procedió a la selección de los materiales ligeros necesarios para hacer realidad el proyecto de la tolva vectorial. En general, la mayor parte de las partes de la tolva están formadas por aleaciones de titanio y níquel.

En los primeros meses de 1997 se puso en marcha el diseño del prototipo de tolva vectorial para ensayos. Y es que querían empezar a hacer pruebas el año que viene.

Antes de comenzar las pruebas, sin embargo, había algo que hacer. Estaban destinados a la fabricación de componentes de la tobera vectorial, así como a los actuadores que le daban movimiento a la tolva. Bajo las órdenes de ITP fueron realizadas por la empresa madrileña CESA. No sólo eso, sino que además de la fabricación de componentes y actuadores, también se comprobó su correcta respuesta, ya que se realizaron varias pruebas.

El año 1998 fue un año importante para el proyecto de la tobera vectorial, ya que en aquel año se acabaron varios trabajos ya iniciados. Inicialmente se desarrolló el sistema electrónico de control de la tolva vectorial. Posteriormente se realizó la integración de la tolva vectorial en el motor EJ-200. Finalmente, los sistemas de control se probaron en un simulador de vuelo virtual. Los trabajos fueron realizados por la empresa alemana MTU, única socia de ITP en este proyecto. La empresa MTU también se encarga del control electrónico del motor en el consorcio Eurojet para la ejecución del motor EJ-200 original. Una vez desarrollados los componentes, los actuadores y el sistema de control, se realizó el montaje e instrumentación de la tolva.

Además de en los simuladores, antes de las pruebas que se realicen en los vuelos antes de salir al mercado, es necesario realizar pruebas de tierra en el taller. A pesar de que estas pruebas se realizan en bancos de ensayo previamente preparados, debido a que el proyecto de la tolva vectorial es especial, hubo que adaptar el banco de ensayos. Una vez preparado el banco de ensayos se realizaron los tests a realizar en el suelo, colocando la tolva en diferentes situaciones que tendría en un vuelo real. En estas pruebas se obtuvieron datos que acreditaban el correcto funcionamiento de la tobera.

Después de más de un año desde la realización de los tests terrestres, el siguiente paso será realizar las pruebas en vuelos reales, ya que antes de empezar con la producción es imprescindible probar la tecnología volando. Por último, lógicamente, el producto debería comercializarse. De momento parece que el mercado será único, el militar. Si responde correctamente en los aviones militares, no cabe duda de que en el futuro esta tecnología se podrá utilizar también en la sociedad civil.

Al iniciar el proyecto, el objetivo principal de ITP, lógicamente, era hacer negocio, pero no era el único. Los pasos que se han dado hasta el momento han permitido demostrar en ITP que la tecnología de las toberas vectoriales puede tener futuro, lo que ha permitido a los potenciales clientes del futuro. Desde el punto de vista técnico, el trabajo realizado ha permitido a ITP ampliar sus conocimientos sobre las toberas vectoriales, calibrar sus sistemas de cálculo y trabajar con sistemas hidráulicos para accionamientos -en el proyecto original EJ-200 la tobera es responsabilidad del ITP, pero el sistema hidráulico y los actuadores son responsabilidad de Fiat Avio, mientras que en el proyecto de tobera vectorial, el sistema hidráulico y accionador son responsables de PD.

La predicción puede ser demasiado peligrosa, pero si se avanza en el camino de las toberas vectoriales, es posible que el control de los aviones futuros y la capacidad de maniobrar tengan poco que ver con los actuales.