Túnels de Proves: aerodinàmics i numèrics

1990/07/01 Aizpurua Sarasola, Joxerra Iturria: Elhuyar aldizkaria

XX. En el segle XIX hem viscut el naixement i desenvolupament de l'aviació. Atès que les prestacions que s'exigiran als avions a partir d'ara seran cada vegada majors, el disseny és fonamental. Fins al moment, la millor manera de realitzar les proves ha estat realitzar assajos pràctics, però per a estar més prop de la realitat en els assajos, és necessari construir probatoris adequats, la qual cosa és molt car.

Fa uns vint-i-cinc anys el primer vol d'un prototip ocorria amb l'aventura, però avui dia les companyies aèries les compren abans de realitzar els avions. L'avanç dels ordinadors permet als enginyers calcular i predir cada vegada millor el comportament dels avions durant el vol. Per a això, els complexos fenòmens de moviment aeri que es produeixen a l'entorn de l'avió s'analitzen mitjançant mètodes elaborats per especialistes en mecànica de fluids. A pesar que aquest tipus d'estudis encara no són plenament fiables, el seu ús està en auge. Alguna vegada els càlculs substituiran a l'assaig?

Per ordinador, se sentin les pressions que estaran en la superfície del míssil. La pressió des del blau fosc fins al blau clar, groc i vermell és cada vegada major.

Es preveuen dues vies: d'una banda la construcció de túnels de gran grandària i prestacions, per descomptat cars, i per un altre la utilització de supercomputadors que serien túnels numèrics.

Un exemple de la primera ruta és el túnel de proves de Colònia. L'objectiu d'aquest túnel és analitzar el règim transsònic, és a dir, si la velocitat de l'avió és similar a la del so (tingues en compte que la velocitat de l'avió de transport és convenient que sigui de mil quilòmetres per hora). Tècnicament, aquesta velocitat es correspon amb el número 0,9 de Mach, que és el quocient entre la velocitat de l'avió i la velocitat del so.

La maqueta de l'avió militar Rafale provant en tres posicions en el túnel.

Els fenòmens físics que es produeixen a velocitats transsòniques són complexos, per la qual cosa convé expressar-los tan bé com sigui possible. Per a expressar el flux aerodinàmic cal tenir en compte dos paràmetres: Número de Mach i número de Reynolds. Aquests paràmetres s'han de simular tan bé com sigui possible en el túnel. El número de Mer se simula bé injectant aire a la velocitat requerida.

No obstant això, el número de Reynolds no se simula tan fàcilment (el número de Reynolds es pot definir com el quocient entre forces d'inèrcia i forces de viscositat). El número de Reynolds depèn de la grandària de la maqueta. A l'ésser la maqueta menor que l'avió real, els enginyers han d'extrapolar-la i aquestes extrapolacions a vegades no són correctes. Cal buscar solucions per a simular aquest número. Una d'elles és la reducció de la temperatura. En el túnel de Colònia l'aire se substituirà per nitrogen com a fluid.

Maqueta de l'avió en el túnel de proves. Està fix sobre el suport, amb el tren d'aterratge fora.

Com el nitrogen pot refredar-se fins a -180 °C, pot ser apropiat per a simular el número de Reynolds. Però l'any 1994, concretament l'any de la posada en marxa del túnel, pot quedar obsolet, ja que en els pròxims anys l'evolució dels supercomputadors pot ser espectacular.

Segons alguns investigadors, el càlcul pot substituir simulacions impossibles de realitzar en túnels i reduir els terminis i costos dels simulacres necessaris en el disseny d'espais. D'altra banda, els nous models d'avió tenen un període de prova. Quant majors siguin les prestacions requerides, major és el període de prova. Per tant, segons una extrapolació, el període de prova d'un vehicle aeroespacial que hauria de realitzar un primer vol l'any 2000 seria d'uns cinquanta anys en túnels.

La demanda d'avions en línia sol dependre de les seves característiques. Per tant, és important realitzar simulacions prèvies a la fabricació. En la imatge, l'Airbus europeu en fase de muntatge.

A la vista d'aquesta xifra, no és gens sorprenent poder analitzar altres vies. Els partidaris de les simulacions de càlcul han argumentat a favor d'aquesta via per l'augment de potència experimentat pels ordinadors. L'increment de la velocitat de càlcul dels grans ordinadors i de la capacitat de la memòria principal ha estat exponencial i és previsible que es mantingui la mateixa tendència en el futur. A més, el creixement de potència ha anat acompanyat d'una disminució dels preus. L'increment de preu dels ordinadors ha estat inferior al de la seva potència. Per tant, el cost del càlcul va disminuint amb el temps.

La naturalesa ha equipat a Albatrosa per a recórrer 15.000 quilòmetres sense aterrar.

La simulació per càlcul està composta per dues parts importants, maquinari i programari. Com fins ara hem parlat de maquinari, després parlarem de programari. Teòricament, el moviment de l'aire al voltant de qualsevol cos pot conèixer-se resolent les equacions de la mecànica de fluids. No obstant això, mitjançant aquest sistema i tenint en compte la dificultat de les equacions, no existeix un ordinador que pugui arribar a un resultat. Per tant, aquestes complexes equacions se substitueixen per bases de dades. Les bases de dades es basen en l'experiència acumulada, però aquesta via no s'ha pogut utilitzar fins fa poc, d'una banda perquè no hi havia experiència suficient i per un altre perquè els ordinadors no eren tan ràpids com ara.

Aquest AGV o Avió de Velocitat també es podrà realitzar a una velocitat de 15.000 km Mach 5. Abans passarà nombroses proves en túnels.

No obstant això, en qualsevol simulació el tractament de la turbulència resulta extremadament complicat. Les condicions que s'obtenen tant en túnels aerodinàmics com de càlcul fan difícil explicar l'estat de turbulència. Per tant, en alguns llocs s'ha optat pel desenvolupament de vies mixtes, és a dir, per l'aplicació de mètodes numèrics en túnels aerodinàmics. NASA, per exemple, està a favor d'això.

Un directiu deia: Les necessitats de proves en túnels dels projectes aeroespacials actuals i futurs nord-americans estan creixent. Els nous projectes, juntament amb els càlculs més avançats, requereixen d'assajos el més precisos possible. Per tant, hem de mantenir la nostra capacitat d'assaig i enfortir-la.

Per descomptat, l'accés a les vies mixtes té uns costos econòmics elevats. Països com França han apostat per túnels aerodinàmics. Les tecnologies utilitzades en aquests túnels seran noves. Els dispositius mecànics utilitzats antigament per a mesurar la velocitat modificaven el flux. Per contra, un mètode òptic basat en làser pot proporcionar components de velocitat en dues o tres direccions sense afectar el flux d'aire.

Avió B-2 indetectable. És el més avançat en disseny i materials en l'àmbit militar.

Un altre mètode basat en làser permet visualitzar els remolins que es produeixen després de les aletes o el flux posterior dels sistemes de propulsió. L'aspecte dels murs dels túnels també és important. Quan el número de Mach és de l'ordre de 1, les ones de xoc emeses per la maqueta es reflecteixen en les parets i es tornen. Per tant, perquè això no ocorri, el mur haurà de tenir un aspecte especial.

En secundar-se la maqueta sobre un suport, aquest pot afectar el moviment del fluid. Per a eliminar aquest efecte cal llevar el suport i buscar altres suports. Aquest tipus de suports s'obtenen mitjançant camps magnètics.

No obstant això, si aquests túnels renovats són controlats per supercomputadors, els túnels aerodinàmics es convertiran en túnels numèrics. Per tant, les millors opcions s'ofereixen combinant assajos pràctics i ordinadors.