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Skin friction and fiber-optics-based surface pressure measurements for aircraft applications

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Sensores vanguardistas mejoran el rendimiento de la aerodinámica de las alas

Unos investigadores financiados con fondos europeos presentaron unos innovadores sensores activos que detectan la separación del flujo en las alas de las aeronaves. Los nuevos sistemas de medición listos para el vuelo permitirán a los ingenieros seguir mejorando la aerodinámica de la nueva generación de aeronaves.

Transporte y movilidad

Para los ingenieros aeronáuticos, controlar el flujo laminar es una de las metas más apasionantes, ya que ayuda reducir la resistencia aerodinámica. En esencia, el flujo laminar es la manera en que el flujo de aire viaja por encima y por debajo de las superficies de las alas, siguiendo caminos paralelos uniformes y sin alteraciones entremedio. Su homólogo es el flujo turbulento que se produce de forma independiente en la forma y el tamaño de las superficies de las alas. A medida que el aire se mueve por las alas, la interfaz se convierte en una zona caótica de remolinos y fluctuaciones irregulares, y de aumentos de presión, provocando así un incremento en la resistencia aerodinámica y el consumo de combustible.

Detectar la presión y la fricción superficial

«Esta fuerza, conocida en la industria como “fricción superficial” o “tensión de corte de las paredes”, junto con la presión son las dos rúbricas de la física de fluidos cerca de las alas de la aeronave», indica Julien Weiss, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos SKOPA. «Diseñamos y fabricamos un sistema de medición listo para el vuelo basado en sensores térmicos a fin de realizar mediciones de la fricción superficial y sensores de fibra óptica a fin de realizar mediciones de la presión. Esta tecnología se podría utilizar para reducir los efectos de la separación del flujo, aumentando así la eficiencia aerodinámica y la seguridad del vuelo». A diferencia de los sensores convencionales, los nuevos sensores de fibra óptica desarrollados son menos susceptibles al ruido y a las perturbaciones externas. Además, los sensores térmicos se diseñaron para detectar la amplitud y la duración de la fricción superficial en las alas, mientras que la mayoría de sensores solo detectan la amplitud.

Nueva generación de motores de aeronaves

Las actividades del proyecto tienen repercusiones importantes para el desarrollo de motores de bajo consumo de combustible, más ecológicos y más silenciosos, como los motores con índice de derivación ultraalto. Dichos motores tienen un mayor rendimiento propulsivo, pero implica el desarrollo de góndolas relativamente grandes. Por lo tanto, «para ofrecer una distancia suficiente entre la góndola y la pista sin introducir puntales del tren de aterrizaje más largos, las góndolas se deben incorporar cerca de las alas. A su vez, ello aumenta el riesgo de separación del flujo en la región de la interfaz de las alas y el voladizo, en particular durante el despegue y el aterrizaje», explica Weiss. La separación del flujo real sería especialmente perjudicial ya que limitaría tanto el coeficiente de sustentación máximo como la relación entre sustentación y resistencia de la aeronave, dos cifras aerodinámicas que son fundamentales para el aterrizaje y el despegue, respectivamente. El programa de investigación de la Comisión Europea Clean Sky 2 ha presentado técnicas integradas del control activo del flujo en la interfaz de las alas y el voladizo, a fin de reducir o eliminar posibles zonas de separación del flujo. «Con nuestra nueva tecnología, los ingenieros pueden validar la eficacia de los sistemas de control activo del flujo y seguir mejorando la aerodinámica de la nueva aeronave de transporte», afirma Weiss. Los socios del proyecto utilizaron un modelo de alas externas equipado con control activo del flujo para probar la respuesta de ambos sensores. Los resultados mostraron que los sensores térmicos midieron de forma eficaz el aumento en la tensión de corte de las paredes generado por los accionadores del control activo del flujo. Las presiones estáticas y las fluctuaciones de la presión medidas por el sensor de presión coincidieron con los datos de referencia. Después de realizar las pruebas en el túnel aerodinámico, los socios del proyecto utilizaron la aeronave ligera para la ciencia, la educación y la investigación (LASER, por sus siglas en inglés) de la Universidad Técnica de Berlín, a fin de validar la disponibilidad al vuelo de ambos sensores. «Las pruebas de vuelo revelaron información valiosa en cuanto a la física del vuelo, pero necesita una tecnología de detección sólida y esencial. Nuestro sensor de presión en miniatura, que ofrece mediciones precisas en un alto rango dinámico, permite realizar pruebas de campo en entornos difíciles. Los sensores de fibra óptica también representan una solución prometedora para los entornos difíciles gracias a las características intrínsecas de los sistemas de fibra óptica: no se produce acoplamiento electromagnético ni corrosión, ofrece un diseño pasivo, así como una estabilidad y una protección de sobrecarga sin precedentes», concluye Weiss.

Palabras clave

SKOPE, fricción superficial, separación del flujo, control activo del flujo, sensores de fibra óptica, sensores de presión, motores con índice de derivación ultraalto

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