Túneles de Pruebas: aerodinámicos y numéricos

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

XX. En el siglo XIX hemos vivido el nacimiento y desarrollo de la aviación. Dado que las prestaciones que se van a exigir a los aviones a partir de ahora van a ser cada vez mayores, el diseño es fundamental. Hasta el momento, la mejor manera de realizar las pruebas ha sido realizar ensayos prácticos, pero para estar más cerca de la realidad en los ensayos, es necesario construir probatorios adecuados, lo que es muy caro.

Hace unos veinticinco años el primer vuelo de un prototipo ocurría con la aventura, pero hoy en día las compañías aéreas las compran antes de realizar los aviones. El avance de los ordenadores permite a los ingenieros calcular y predecir cada vez mejor el comportamiento de los aviones durante el vuelo. Para ello, los complejos fenómenos de movimiento aéreo que se producen en el entorno del avión se analizan mediante métodos elaborados por especialistas en mecánica de fluidos. A pesar de que este tipo de estudios todavía no son plenamente fiables, su uso está en auge. ¿Alguna vez los cálculos sustituirán al ensayo?

Por ordenador, se sientan las presiones que van a estar en la superficie del misil. La presión desde el azul oscuro hasta el azul claro, amarillo y rojo es cada vez mayor.

Se prevén dos vías: por un lado la construcción de túneles de gran tamaño y prestaciones, por supuesto caros, y por otro la utilización de superordenadores que serían túneles numéricos.

Un ejemplo de la primera ruta es el túnel de pruebas de Colonia. El objetivo de este túnel es analizar el régimen transónico, es decir, si la velocidad del avión es similar a la del sonido (ten en cuenta que la velocidad del avión de transporte es conveniente que sea de mil kilómetros por hora). Técnicamente, esta velocidad se corresponde con el número 0,9 de Mach, que es el cociente entre la velocidad del avión y la velocidad del sonido.

La maqueta del avión militar Rafale probando en tres posiciones en el túnel.

Los fenómenos físicos que se producen a velocidades transónicas son complejos, por lo que conviene expresarlos lo mejor posible. Para expresar el flujo aerodinámico hay que tener en cuenta dos parámetros: Número de Mach y número de Reynolds. Estos parámetros se deben simular lo mejor posible en el túnel. El número de Mer se simula bien inyectando aire a la velocidad requerida.

Sin embargo, el número de Reynolds no se simula tan fácilmente (el número de Reynolds se puede definir como el cociente entre fuerzas de inercia y fuerzas de viscosidad). El número de Reynolds depende del tamaño de la maqueta. Al ser la maqueta menor que el avión real, los ingenieros tienen que extrapolarla y estas extrapolaciones a veces no son correctas. Hay que buscar soluciones para simular este número. Una de ellas es la reducción de la temperatura. En el túnel de Colonia el aire se sustituirá por nitrógeno como fluido.

Maqueta del avión en el túnel de pruebas. Está fijo sobre el apoyo, con el tren de aterrizaje fuera.

Como el nitrógeno puede enfriarse hasta -180°C, puede ser apropiado para simular el número de Reynolds. Pero en el año 1994, concretamente en el año de la puesta en marcha del túnel, puede quedar obsoleto, ya que en los próximos años la evolución de los superordenadores puede ser espectacular.

Según algunos investigadores, el cálculo puede sustituir simulaciones imposibles de realizar en túneles y reducir los plazos y costes de los simulacros necesarios en el diseño de espacios. Por otro lado, los nuevos modelos de avión tienen un periodo de prueba. Cuanto mayores sean las prestaciones requeridas, mayor es el periodo de prueba. Por tanto, según una extrapolación, el período de prueba de un vehículo aeroespacial que debería realizar un primer vuelo en el año 2000 sería de unos cincuenta años en túneles.

La demanda de aviones en línea suele depender de sus características. Por tanto, es importante realizar simulaciones previas a la fabricación. En la imagen, el Airbus europeo en fase de montaje.

A la vista de esta cifra, no es nada sorprendente poder analizar otras vías. Los partidarios de las simulaciones de cálculo han argumentado a favor de esta vía por el aumento de potencia experimentado por los ordenadores. El incremento de la velocidad de cálculo de los grandes ordenadores y de la capacidad de la memoria principal ha sido exponencial y es previsible que se mantenga la misma tendencia en el futuro. Además, el crecimiento de potencia ha ido acompañado de una disminución de los precios. El incremento de precio de los ordenadores ha sido inferior al de su potencia. Por tanto, el coste del cálculo va disminuyendo con el tiempo.

La naturaleza ha equipado a Albatrosa para recorrer 15.000 kilómetros sin aterrizar.

La simulación por cálculo está compuesta por dos partes importantes, hardware y software. Como hasta ahora hemos hablado de hardware, luego hablaremos de software. Teóricamente, el movimiento del aire alrededor de cualquier cuerpo puede conocerse resolviendo las ecuaciones de la mecánica de fluidos. Sin embargo, mediante este sistema y teniendo en cuenta la dificultad de las ecuaciones, no existe un ordenador que pueda llegar a un resultado. Por tanto, estas complejas ecuaciones se sustituyen por bases de datos. Las bases de datos se basan en la experiencia acumulada, pero esta vía no se ha podido utilizar hasta hace poco, por un lado porque no había experiencia suficiente y por otro porque los ordenadores no eran tan rápidos como ahora.

Este AGV o Avión de Velocidad también se podrá realizar a una velocidad de 15.000 km Mach 5. Antes pasará numerosas pruebas en túneles.

Sin embargo, en cualquier simulación el tratamiento de la turbulencia resulta extremadamente complicado. Las condiciones que se obtienen tanto en túneles aerodinámicos como de cálculo hacen difícil explicar el estado de turbulencia. Por lo tanto, en algunos lugares se ha optado por el desarrollo de vías mixtas, es decir, por la aplicación de métodos numéricos en túneles aerodinámicos. NASA, por ejemplo, está a favor de ello.

Un directivo decía: Las necesidades de pruebas en túneles de los proyectos aeroespaciales actuales y futuros norteamericanos están creciendo. Los nuevos proyectos, junto con los cálculos más avanzados, requieren de ensayos lo más precisos posible. Por tanto, debemos mantener nuestra capacidad de ensayo y fortalecerla.

Por supuesto, el acceso a las vías mixtas tiene unos costes económicos elevados. Países como Francia han apostado por túneles aerodinámicos. Las tecnologías utilizadas en estos túneles serán nuevas. Los dispositivos mecánicos utilizados antiguamente para medir la velocidad modificaban el flujo. Por el contrario, un método óptico basado en láser puede proporcionar componentes de velocidad en dos o tres direcciones sin afectar al flujo de aire.

Avión B-2 indetectable. Es el más avanzado en diseño y materiales en el ámbito militar.

Otro método basado en láser permite visualizar los remolinos que se producen tras las aletas o el flujo posterior de los sistemas de propulsión. El aspecto de los muros de los túneles también es importante. Cuando el número de Mach es del orden de 1, las ondas de choque emitidas por la maqueta se reflejan en las paredes y se vuelven. Por tanto, para que esto no ocurra, el muro deberá tener un aspecto especial.

Al apoyarse la maqueta sobre un soporte, éste puede afectar al movimiento del fluido. Para eliminar este efecto hay que quitar el soporte y buscar otros apoyos. Este tipo de soportes se obtienen mediante campos magnéticos.

Sin embargo, si estos túneles renovados son controlados por superordenadores, los túneles aerodinámicos se convertirán en túneles numéricos. Por tanto, las mejores opciones se ofrecen combinando ensayos prácticos y ordenadores.