Túneles de Probas: aerodinámicos e numéricos

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

XX. No século XIX vivimos o nacemento e desenvolvemento da aviación. Dado que as prestacións que se van a esixir aos avións a partir de agora van ser cada vez maiores, o deseño é fundamental. Até o momento, a mellor maneira de realizar as probas foi realizar ensaios prácticos, pero paira estar máis preto da realidade nos ensaios, é necesario construír probatorios adecuados, o que é moi caro.

Fai uns vinte e cinco anos o primeiro voo dun prototipo ocorría coa aventura, pero hoxe en día as compañías aéreas cómpranas antes de realizar os avións. O avance dos computadores permite aos enxeñeiros calcular e predicir cada vez mellor o comportamento dos avións durante o voo. Paira iso, os complexos fenómenos de movemento aéreo que se producen na contorna do avión analízanse mediante métodos elaborados por especialistas en mecánica de fluídos. A pesar de que este tipo de estudos aínda non son plenamente fiables, o seu uso está en auxe. Algunha vez os cálculos substituirán ao ensaio?

Por computador, sentan as presións que van estar na superficie do mísil. A presión desde o azul escuro até o azul claro, amarelo e vermello é cada vez maior.

Prevense dúas vías: por unha banda a construción de túneles de gran tamaño e prestacións, por suposto caros, e por outro a utilización de supercomputadores que serían túneles numéricos.

Un exemplo da primeira ruta é o túnel de probas de Colonia. O obxectivo deste túnel é analizar o réxime transónico, é dicir, si a velocidade do avión é similar á do son (ten en conta que a velocidade do avión de transporte é conveniente que sexa de mil quilómetros por hora). Tecnicamente, esta velocidade correspóndese co número 0,9 de Mach, que é o cociente entre a velocidade do avión e a velocidade do son.

A maqueta do avión militar Rafale probando en tres posicións no túnel.

Os fenómenos físicos que se producen a velocidades transónicas son complexos, polo que convén expresalos o mellor posible. Paira expresar o fluxo aerodinámico hai que ter en conta dous parámetros: Número de Mach e número de Reynolds. Estes parámetros débense simular o mellor posible no túnel. O número de Mer simúlase ben inxectando aire á velocidade requirida.

Con todo, o número de Reynolds non se simula tan facilmente (o número de Reynolds pódese definir como o cociente entre forzas de inercia e forzas de viscosidad). O número de Reynolds depende do tamaño da maqueta. Ao ser a maqueta menor que o avión real, os enxeñeiros teñen que extrapolarla e estas extrapolaciones ás veces non son correctas. Hai que buscar solucións paira simular este número. Una delas é a redución da temperatura. No túnel de Colonia o aire substituirase por nitróxeno como fluído.

Maqueta do avión no túnel de probas. Está fixo sobre o apoio, co tren de aterraxe fóra.

Como o nitróxeno pode arrefriarse até -180°C, pode ser apropiado paira simular o número de Reynolds. Pero no ano 1994, concretamente no ano da posta en marcha do túnel, pode quedar obsoleto, xa que nos próximos anos a evolución dos supercomputadores pode ser espectacular.

Segundo algúns investigadores, o cálculo pode substituír simulacións imposibles de realizar en túneles e reducir os prazos e custos dos simulacros necesarios no deseño de espazos. Doutra banda, os novos modelos de avión teñen un período de proba. Canto maiores sexan as prestacións requiridas, maior é o período de proba. Por tanto, segundo unha extrapolación, o período de proba dun vehículo aeroespacial que debería realizar un primeiro voo no ano 2000 sería duns cincuenta anos en túneles.

A demanda de avións en liña adoita depender das súas características. Por tanto, é importante realizar simulacións previas á fabricación. Na imaxe, o Airbus europeo en fase de montaxe.

Á vista desta cifra, non é nada sorprendente poder analizar outras vías. Os partidarios das simulacións de cálculo argumentaron a favor desta vía polo aumento de potencia experimentado polos computadores. O incremento da velocidade de cálculo dos grandes ordenadores e da capacidade da memoria principal foi exponencial e é previsible que se manteña a mesma tendencia no futuro. Ademais, o crecemento de potencia foi acompañado dunha diminución dos prezos. O incremento de prezo dos computadores foi inferior ao da súa potencia. Por tanto, o custo do cálculo vai diminuíndo co tempo.

A natureza equipou a Albatrosa paira percorrer 15.000 quilómetros sen aterrar.

A simulación por cálculo está composta por dous partes importantes, hardware e software. Como até agora falamos de hardware, logo falaremos de software. Teoricamente, o movemento do aire ao redor de calquera corpo pode coñecerse resolvendo as ecuacións da mecánica de fluídos. Con todo, mediante este sistema e tendo en conta a dificultade das ecuacións, non existe un computador que poida chegar a un resultado. Por tanto, estas complexas ecuacións substitúense por bases de datos. As bases de datos baséanse na experiencia acumulada, pero esta vía non se puido utilizar até hai pouco, por unha banda porque non había experiencia suficiente e por outro porque os computadores non eran tan rápidos como agora.

Este AGV ou Avión de Velocidade tamén se poderá realizar a unha velocidade de 15.000 km Mach 5. Antes pasará numerosas probas en túneles.

Con todo, en calquera simulación o tratamento da turbulencia resulta extremadamente complicado. As condicións que se obteñen tanto en túneles aerodinámicos como de cálculo fan difícil explicar o estado de turbulencia. Por tanto, nalgúns lugares optouse polo desenvolvemento de vías mixtas, é dicir, pola aplicación de métodos numéricos en túneles aerodinámicos. NASA, por exemplo, está a favor diso.

Un directivo dicía: As necesidades de probas en túneles dos proxectos aeroespaciais actuais e futuros norteamericanos están a crecer. Os novos proxectos, xunto cos cálculos máis avanzados, requiren de ensaios o máis precisos posible. Por tanto, debemos manter a nosa capacidade de ensaio e fortalecela.

Por suposto, o acceso ás vías mixtas ten uns custos económicos elevados. Países como Francia apostaron por túneles aerodinámicos. As tecnoloxías utilizadas nestes túneles serán novas. Os dispositivos mecánicos utilizados antigamente paira medir a velocidade modificaban o fluxo. Pola contra, un método óptico baseado en láser pode proporcionar compoñentes de velocidade en dúas ou tres direccións sen afectar o fluxo de aire.

Avión B-2 indetectable. É o máis avanzado en deseño e materiais no ámbito militar.

Outro método baseado en láser permite visualizar os remolinos que se producen tras as aletas ou o fluxo posterior dos sistemas de propulsión. O aspecto dos muros dos túneles tamén é importante. Cando o número de Mach é da orde de 1, as ondas de choque emitidas pola maqueta reflíctense nas paredes e vólvense. Por tanto, para que isto non ocorra, o muro deberá ter un aspecto especial.

Ao apoiarse a maqueta sobre un soporte, este pode afectar o movemento do fluído. Paira eliminar este efecto hai que quitar o soporte e buscar outros apoios. Este tipo de soportes obtéñense mediante campos magnéticos.

Con todo, se estes túneles renovados son controlados por supercomputadores, os túneles aerodinámicos converteranse en túneles numéricos. Por tanto, as mellores opcións ofrécense combinando ensaios prácticos e computadores.