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Pruebas de materiales compuestos para motores de aeronaves de próxima generación

Los materiales compuestos se utilizan cada vez más en el diseño de piezas de aeronaves. El rotor abierto contrarrotante en desarrollo es una muestra reciente de esta tendencia. Unas pruebas estructurales y un modelado rigurosos ayudarán a garantizar la seguridad del material en estas arquitecturas de motor nuevas y sorprendentes.

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Toda la industria aeroespacial, tanto los operadores como los fabricantes, comparte los mismos objetivos principales: reducción del consumo de combustible, mitigación de las emisiones nocivas y disminución del ruido. El demostrador de rotor abierto, que forma parte del programa sobre motores sostenibles y verdes de Clean Sky (Sustainable and Green Engines, SAGE)), es una nueva arquitectura de motor con dos ventiladores que giran en sentido contrario y no están cubiertos. Diseñado para propulsar las próximas generaciones de aviones de fuselaje estrecho, este rotor abierto tiene como objetivo reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2 en cerca de un 30 % en comparación con los actuales motores CFM56. El proyecto HEGEL, financiado con fondos europeos, se creó para apoyar el proceso de diseño de esta nueva configuración de la aeroestructura, gracias a capacidades y procedimientos avanzados de evaluación de materiales compuestos. «En general, nuestro objetivo principal era desarrollar herramientas de prueba avanzadas, tanto virtuales como experimentales, para evaluar la capacidad de los laminados compuestos respecto a la carga dinámica y de vibración, cuyos excesos pueden producir daños por fatiga en los componentes», señala Damaso De Bono, coordinador de HEGEL.

La contaminación acústica es una gran preocupación

Un gran reto asociado a los motores de aeronaves de rotor abierto son los niveles de ruido que genera el sistema de propulsión. Esto se debe principalmente a las aspas giratorias que están abiertas y no «silenciadas» por la caja del ventilador y la góndola (como en un motor turbofán). «Una solución a este desafío es utilizar motores de rotor abierto en una configuración propulsora, donde los rotores con los motores están montados en la parte trasera del fuselaje. Tal configuración requiere cambios importantes en la arquitectura actual de la aeronave y pruebas exhaustivas de la integridad estructural», explica De Bono. Investigadores del Centro Aeroespacial de los Países Bajos (NLR, por sus siglas en neerlandés), uno de los socios que participan en HEGEL, desarrollaron una fuente de sonido y un sistema de amplificación especiales que se pusieron a prueba en las instalaciones de ensayo del Instituto Fraunhofer de Física de la Construcción (IBP). Según explica De Bono: «El sistema de última generación evalúa la respuesta de los componentes estructurales y los materiales a las diferentes presiones de sonido y las vibraciones asociadas típicamente presentes en el entorno de los motores, como el rotor abierto contrarrotante. Las pruebas de laboratorio podrían servir para eludir las caras pruebas a gran escala, al menos en las primeras etapas del proceso de diseño de los componentes estructurales». El equipo de prueba consiste en ocho altavoces conectados a un número equivalente de tubos que guían las ondas sonoras, todos ellos configurados simétricamente y asegurados dentro de una caja de alojamiento acústica y térmicamente aislada. Una de las formas de probar la muestra de laminado compuesto es a través del uso de una placa plana de 500 x 500 mm2 que cubre la abertura. Entonces, se activa el sistema de sonido, que provoca que la presión del sonido golpee la placa. Los niveles de presión acústica pueden variar según los requisitos específicos de cada prueba.

Un marco de predicción de la resistencia a la fatiga

«Las herramientas de predicción numérica y computacional actuales para la fatiga por número elevado de ciclos no están totalmente validadas para las aplicaciones aeroespaciales y solo tienen en cuenta un número limitado de parámetros», señala De Bono. HEGEL amplía las metodologías de predicción de la fatiga existentes mediante la incorporación de parámetros ambientales adicionales (por ejemplo, temperatura y humedad) y factores dependientes que se producen a frecuencias elevadas (por ejemplo, los efectos de autocalentamiento) durante la fatiga por número elevado de ciclos. Las herramientas de predicción recientemente desarrolladas abordan el estudio de la fatiga por número elevado de ciclos a través de un método semiempírico basado en curvas maestras y factores de desplazamiento, así como en modelos avanzados de elementos finitos. «Nuestras nuevas herramientas de prueba y evaluación pueden mejorar significativamente la efectividad de las evaluaciones sobre la integridad estructural de los materiales compuestos en las piezas de las aeronaves durante el proceso de diseño», concluye De Bono. En general, los resultados del proyecto constituyen un paso importante hacia el desarrollo de los futuros motores de aeronaves y su integración en nuevas arquitecturas de aeronaves.

Palabras clave

HEGEL, rotor abierto, materiales compuestos, predicción de la fatiga, presión acústica, rotor abierto contrarrotante, fatiga por número elevado de ciclos

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