Un apantallamiento avanzado del fuselaje podría hacer realidad las aeronaves con turbopropulsores
Se espera que las aeronaves se sometan a una transformación tecnológica sustancial a lo largo de los próximos decenios. Las normas estrictas sobre ahorro de combustible y emisiones de CO2 son fuerzas motrices que aceleran los diseños de materiales y motores avanzados. Los sistemas de rotor abierto contrarrotatorio (RACR), también conocidos como turbopropulsores, son una vía prometedora que se está estudiando para propulsar los aviones comerciales de próxima generación, ya que podrían mejorar el consumo de combustible en un 20-30 %. Para lograr su integración segura, la estructura de la aeronave debería tolerar determinados fallos de los motores de rotor abierto. En este contexto, el proyecto financiado con fondos europeos ELEMENT se centró en soluciones prácticas y actividades de modelización para mitigar los riesgos de los fallos de motor no contenidos. «Los escombros de alta energía podrían impactar en el fuselaje y provocar grandes daños estructurales que harían peligrar la seguridad del avión y los pasajeros», señala Jorge López-Puente, coordinador del proyecto.
Modelos virtuales que replican las condiciones reales de ensayo
Los investigadores validaron el nivel de madurez de las distintas configuraciones de apantallamiento que ayudan a minimizar la penalización de peso y protegen a la aeronave frente a distintos fallos de motor. Se llevaron a cabo tanto ensayos físicos como virtuales de escombros expulsados por el cárter del motor a grandes velocidades sobre paneles simples y estructuras representativas de aeronaves a escala real. «Los ensayos virtuales podrían reducir el número y el coste de los ensayos experimentales y limitarlos, en el mejor de los casos, al número exacto necesario para la certificación de las aeronaves. Actualmente, las simulaciones por ordenador se utilizan ampliamente en condiciones estáticas, pero no dinámicas», señala López-Puente. Los ensayos virtuales son fundamentales para conseguir unos diseños de productos más flexibles y podrían acelerar el proceso de certificación de las estructuras, a la vez que se cumplen las normas de seguridad. Los investigadores dedicaron un gran esfuerzo a preparar el entorno experimental para los ensayos con cupones. Se utilizó un polímero reforzado con fibra de carbono para producir el fragmento de prisma que representa los álabes, mientras que una esfera de acero representaba los fragmentos metálicos. Se desarrollaron y probaron distintas configuraciones de equipos y materiales para integrar las estructuras de apantallamiento flexibles y rígidas. En total, el equipo llevó a cabo más de trescientos cupones de ensayo empleando un lanzador neumático. Unas cámaras de alta velocidad grabaron las energías absorbidas y las velocidades residuales de los escombros en las estructuras de apantallamiento.
Análisis del impacto de los ensayos físicos sobre las estructuras aeronáuticas
Al principio, los investigadores llevaron a cabo ensayos experimentales físicos verdaderamente representativos de los modelos virtuales a fin de evaluar el impacto de los escombros de motor no contenidos. Cabe destacar que estos ensayos no requirieron la destrucción de ningún motor. «Los grandes ejemplares representativos de las estructuras aeronáuticas reales permiten reducir considerablemente los costes y aumentan la repetibilidad de nuestros procedimientos de ensayo, lo cual es necesario para validar las soluciones integradas. En última instancia, estos avances podrían ayudar a establecer normas para unas campañas de ensayos de certificación más asequibles», observa el coordinador del proyecto. «Los ensayos experimentales normalmente se llevan a cabo en cupones de dimensiones reducidas para ahorrar costes. Los estudios con estructuras impactadas representativas de aeronaves a escala real son confidenciales o inexistentes», añade López-Puente. Es más, los estudios actuales suelen centrarse en fragmentos metálicos que no se deforman de manera apreciable al golpear la aeronave, o en cuerpos blandos como pájaros que se fracturan por completo al colisionar con el fuselaje. Los estudios con fragmentos o partes de fuselaje de polímeros reforzados con fibra de carbono son escasos. Su comportamiento mecánico podría desviarse de los descritos en la literatura sobre otros materiales. Los resultados experimentales y teóricos del proyecto podrían facilitar en gran medida la integración del motor RACR en futuras aeronaves. Los beneficios potenciales no se limitan al ámbito de las aeronaves, sino que se extienden a otros campos como los trenes de alta velocidad, al centrarse en cómo los balastos de las vías ferroviarias afectan a la estructura del tren.
Palabras clave
ELEMENT, escombros, estructura de apantallamiento, fallo motor no contenido, rotor abierto contrarrotatorio, ensayo virtual, polímero reforzado con fibra de carbono
