Proceso de diseño de aeronaves

El proceso de diseño comienza con el propósito previsto de la aeronave. Los aviones comerciales están diseñados para transportar pasajeros o carga, con largo alcance y mayor eficiencia de combustible, mientras que los cazas están diseñados para realizar maniobras a alta velocidad y brindar apoyo cercano a las tropas terrestres. Algunas aeronaves tienen misiones específicas; por ejemplo, los aviones anfibios tienen un diseño único que les permite operar tanto en tierra como en agua, algunos cazas, como el Harrier , tienen capacidad VTOL (despegue y aterrizaje vertical), y los helicópteros tienen la capacidad de mantenerse en vuelo estacionario sobre un área durante un período de tiempo. ^{[ 1 ]}

El objetivo puede ser satisfacer un requisito específico, como en el caso histórico de una especificación del Ministerio del Aire británico , o llenar un "hueco en el mercado" percibido; es decir, una clase o diseño de aeronave que aún no existe, pero para la cual habría una demanda significativa.

Otro factor importante que influye en el diseño son los requisitos para obtener un certificado de tipo para un nuevo diseño de aeronave. Estos requisitos son publicados por las principales autoridades nacionales de aeronavegabilidad, incluyendo la Administración Federal de Aviación de EE. UU. y la Agencia Europea de Seguridad Aérea . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Los aeropuertos también pueden imponer límites a las aeronaves; por ejemplo, la envergadura máxima permitida para una aeronave convencional es de 80 metros (260 pies) para evitar colisiones entre aeronaves durante el rodaje. ^{[ 4 ]} 

Las limitaciones presupuestarias, las exigencias del mercado y la competencia imponen restricciones al proceso de diseño y comprenden las influencias no técnicas en el diseño de aeronaves, junto con los factores ambientales. La competencia lleva a las empresas a esforzarse por lograr una mayor eficiencia en el diseño sin comprometer el rendimiento e incorporando nuevas técnicas y tecnologías. ^{[ 5 ]}

En las décadas de 1950 y 1960, se establecían regularmente objetivos de proyecto inalcanzables que luego se abandonaban, mientras que hoy en día programas problemáticos como el Boeing 787 y el Lockheed Martin F-35 han demostrado ser mucho más costosos y complejos de desarrollar de lo esperado. Se han desarrollado herramientas de diseño más avanzadas e integradas. La ingeniería de sistemas basada en modelos predice interacciones potencialmente problemáticas, mientras que el análisis computacional y la optimización permiten a los diseñadores explorar más opciones al inicio del proceso. La creciente automatización en la ingeniería y la fabricación permite un desarrollo más rápido y económico. Los avances tecnológicos, desde los materiales hasta la fabricación, permiten variaciones de diseño más complejas, como las piezas multifuncionales. Antes imposibles de diseñar o construir, ahora se pueden imprimir en 3D , pero aún no han demostrado su utilidad en aplicaciones como el Northrop Grumman B-21 o los A320neo y 737 MAX remotorizados . Airbus y Boeing también reconocen los límites económicos: la próxima generación de aviones comerciales no puede costar más que las anteriores. ^{[ 6 ]}

Un aumento en el número de aeronaves también significa mayores emisiones de carbono. Los científicos ambientales han expresado su preocupación por los principales tipos de contaminación asociados con las aeronaves, principalmente el ruido y las emisiones. Los motores de las aeronaves han sido históricamente conocidos por generar contaminación acústica y la expansión de las rutas aéreas sobre ciudades ya congestionadas y contaminadas ha generado fuertes críticas, lo que hace necesario contar con políticas ambientales para el ruido de las aeronaves. ^{[ 7 ] [ 8 ]} El ruido también proviene de la estructura del avión, donde se modifican las direcciones del flujo de aire. ^{[ 9 ]} Las regulaciones de ruido mejoradas han obligado a los diseñadores a crear motores y estructuras de aviones más silenciosos. ^{[ 10 ]} Las emisiones de las aeronaves incluyen partículas, dióxido de carbono (CO ₂ ), dióxido de azufre (SO ₂ ), monóxido de carbono (CO), varios óxidos de nitratos e hidrocarburos no quemados . ^{[ 11 ]} Para combatir la contaminación, la OACI estableció recomendaciones en 1981 para controlar las emisiones de las aeronaves. ^{[ 12 ]} Se han desarrollado combustibles más nuevos y respetuosos con el medio ambiente ^{[ 13 ]} y el uso de materiales reciclables en la fabricación ^{[ 14 ]} ha ayudado a reducir el impacto ecológico debido a las aeronaves. Las limitaciones ambientales también afectan la compatibilidad de los aeródromos. Los aeropuertos de todo el mundo se han construido para adaptarse a la topografía de la región en particular. Las limitaciones de espacio, el diseño del pavimento, las áreas de seguridad al final de la pista y la ubicación única del aeropuerto son algunos de los factores aeroportuarios que influyen en el diseño de las aeronaves. Sin embargo, los cambios en el diseño de las aeronaves también influyen en el diseño de los aeródromos, por ejemplo, la reciente introducción de nuevas aeronaves grandes (NLA) como el superjumbo Airbus A380 , ha llevado a los aeropuertos de todo el mundo a rediseñar sus instalaciones para acomodar su gran tamaño y requisitos de servicio. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Las altas velocidades, los tanques de combustible, las condiciones atmosféricas a altitudes de crucero, los peligros naturales (tormentas eléctricas, granizo y colisiones con aves) y el error humano son algunos de los muchos peligros que representan una amenaza para los viajes aéreos. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

La aeronavegabilidad es el estándar por el cual se determina que las aeronaves son aptas para volar. ^{[ 20 ]} La responsabilidad de la aeronavegabilidad recae en los organismos reguladores nacionales de aviación civil, los fabricantes , así como en los propietarios y operadores.

La Organización de Aviación Civil Internacional establece normas internacionales y prácticas recomendadas en las que las autoridades nacionales deben basar sus reglamentos. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Las autoridades reguladoras nacionales establecen normas de aeronavegabilidad, emiten certificados a fabricantes y operadores y establecen normas de formación del personal. ^{[ 23 ]} Cada país tiene su propio organismo regulador, como la Administración Federal de Aviación ( FAA ) en EE. UU., la Dirección General de Aviación Civil (DGCA) en India, etc.

El fabricante de la aeronave se asegura de que cumpla con los estándares de diseño vigentes, define las limitaciones operativas y los programas de mantenimiento, y proporciona asistencia técnica y mantenimiento durante toda su vida útil. Los operadores de aviación incluyen aerolíneas de pasajeros y carga , fuerzas aéreas y propietarios de aeronaves privadas. Se comprometen a cumplir con las regulaciones establecidas por los organismos reguladores, comprender las limitaciones de la aeronave según lo especificado por el fabricante, reportar defectos y colaborar con los fabricantes para mantener los estándares de aeronavegabilidad.

La mayoría de las críticas de diseño actuales se basan en la resistencia a los impactos . Incluso con la máxima atención a la aeronavegabilidad, los accidentes siguen ocurriendo. La resistencia a los impactos es la evaluación cualitativa de cómo las aeronaves sobreviven a un accidente. El objetivo principal es proteger a los pasajeros o la carga valiosa de los daños causados ​​por un accidente. En el caso de los aviones de pasajeros, la estructura presurizada del fuselaje proporciona esta característica, pero en caso de un impacto de morro o cola, se generan grandes momentos de flexión a lo largo de todo el fuselaje, provocando fracturas en la estructura y haciendo que el fuselaje se rompa en secciones más pequeñas. ^{[ 24 ]} Por lo tanto, los aviones de pasajeros se diseñan de tal manera que la disposición de los asientos esté alejada de las áreas que probablemente se vean afectadas en un accidente, como cerca de una hélice, la góndola del motor, el tren de aterrizaje, etc. ^{[ 25 ]} El interior de la cabina también está equipado con elementos de seguridad como máscaras de oxígeno que se despliegan en caso de pérdida de presión en la cabina, compartimentos de equipaje con cerradura, cinturones de seguridad, chalecos salvavidas, puertas de emergencia y franjas luminosas en el suelo. En ocasiones, los aviones se diseñan teniendo en cuenta el aterrizaje de emergencia en el agua ; por ejemplo, el Airbus A330 tiene un interruptor de "amerizaje" que cierra las válvulas y aberturas debajo del avión, ralentizando la entrada de agua. ^{[ 26 ]}

El ala de una aeronave de ala fija proporciona la sustentación necesaria para el vuelo. La geometría del ala afecta a todos los aspectos del vuelo de una aeronave. El área del ala generalmente estará determinada por la velocidad de pérdida deseada , pero la forma general de la planta y otros aspectos de detalle pueden verse influenciados por factores de la disposición del ala. ^{[ 30 ]} El ala puede montarse en el fuselaje en posiciones alta, baja y media. El diseño del ala depende de muchos parámetros como la selección de la relación de aspecto , la relación de conicidad, el ángulo de flecha , la relación de espesor, el perfil de sección, el lavado y el diedro . ^{[ 31 ]} La forma de la sección transversal del ala es su perfil aerodinámico . ^{[ 32 ]} La construcción del ala comienza con la costilla que define la forma del perfil aerodinámico. Las costillas pueden ser de madera, metal, plástico o incluso materiales compuestos. ^{[ 33 ]}

El ala debe diseñarse y probarse para garantizar que pueda soportar las cargas máximas impuestas por las maniobras y por las ráfagas atmosféricas.

El fuselaje es la parte de la aeronave que contiene la cabina de mando , la cabina de pasajeros o la bodega de carga. ^{[ 34 ]}

La propulsión de las aeronaves puede lograrse mediante motores aeronáuticos especialmente diseñados, motores adaptados de automóviles, motocicletas o motos de nieve, motores eléctricos o incluso la fuerza muscular humana. Los principales parámetros del diseño del motor son: ^{[ 35 ]}

• Empuje máximo del motor disponible
• Consumo de combustible
• Masa del motor
• Geometría del motor

El empuje proporcionado por el motor debe equilibrar la resistencia aerodinámica a velocidad de crucero y ser mayor que esta para permitir la aceleración. Los requisitos del motor varían según el tipo de aeronave. Por ejemplo, los aviones comerciales pasan más tiempo a velocidad de crucero y necesitan mayor eficiencia del motor. Los cazas de alto rendimiento necesitan una aceleración muy alta y, por lo tanto, requieren un empuje muy elevado. ^{[ 36 ]}

El peso de la aeronave es el factor común que vincula todos los aspectos del diseño aeronáutico, como la aerodinámica, la estructura y la propulsión. El peso de una aeronave se deriva de diversos factores, como el peso en vacío, la carga útil, etc. Estos pesos se utilizan para calcular el centro de masa de la aeronave completa. ^{[ 37 ]} El centro de masa debe ajustarse a los límites establecidos por el fabricante.

La estructura de la aeronave se centra no solo en la resistencia, la aeroelasticidad , la durabilidad , la tolerancia al daño y la estabilidad , sino también en la seguridad ante fallos , la resistencia a la corrosión , la facilidad de mantenimiento y la facilidad de fabricación. La estructura debe ser capaz de soportar las tensiones causadas por la presurización de la cabina , si la hubiera, la turbulencia y las vibraciones del motor o del rotor. ^{[ 38 ]}

El diseño conceptual de aeronaves implica esbozar diversas configuraciones posibles que cumplan con las especificaciones de diseño requeridas. Al dibujar un conjunto de configuraciones, los diseñadores buscan alcanzar la configuración de diseño que satisfaga todos los requisitos y que, además, se integre armoniosamente con factores como la aerodinámica, la propulsión, el rendimiento de vuelo, la estructura y los sistemas de control. ^{[ 40 ]} Esto se denomina optimización del diseño. Aspectos fundamentales como la forma del fuselaje, la configuración y ubicación de las alas, el tamaño y el tipo de motor se determinan en esta etapa. Las restricciones de diseño, como las mencionadas anteriormente, también se tienen en cuenta en esta etapa. El producto final es un diseño conceptual de la configuración de la aeronave en papel o en la pantalla de la computadora, para ser revisado por ingenieros y otros diseñadores.

La configuración de diseño obtenida en la fase de diseño conceptual se ajusta y remodela para adaptarse a los parámetros de diseño. En esta fase, se realizan pruebas en túnel de viento y cálculos de dinámica de fluidos computacional del campo de flujo alrededor de la aeronave. También se lleva a cabo un análisis estructural y de control importante. Se corrigen los defectos aerodinámicos y las inestabilidades estructurales, si las hubiera, y se dibuja y finaliza el diseño. Luego, tras la finalización del diseño, el fabricante o el diseñador individual debe tomar la decisión clave de proceder con la producción de la aeronave. ^{[ 41 ]} En este punto, varios diseños, aunque perfectamente capaces de volar y tener un buen rendimiento, podrían haber sido descartados para la producción debido a su inviabilidad económica.

Esta fase se centra exclusivamente en la fabricación de la aeronave. Determina el número, el diseño y la ubicación de las costillas , los largueros , las secciones y demás elementos estructurales. ^{[ 42 ]} Todos los aspectos aerodinámicos, estructurales, de propulsión, control y rendimiento ya se han considerado en la fase de diseño preliminar, quedando únicamente la fabricación. En esta etapa también se desarrollan simuladores de vuelo para aeronaves.

Algunos aviones comerciales han experimentado importantes retrasos en el cronograma y sobrecostos en la fase de desarrollo. Ejemplos de esto incluyen el Boeing 787 Dreamliner con un retraso de 4 años y sobrecostos masivos, el Boeing 747-8 con un retraso de dos años, el Airbus A380 con un retraso de dos años y sobrecostos de US$6.1 mil millones, el Airbus A350 con retrasos y sobrecostos, la serie C de Bombardier , Global 7000 y 8000, el Comac C919 con un retraso de cuatro años y el Mitsubishi Regional Jet , que se retrasó cuatro años y terminó con problemas de peso en vacío. ^{[ 43 ]}

• Thomas C. Hayes (27 de noviembre de 1981). "LA PREOCUPACIÓN DE BOEING POR LA REMOTORIZACIÓN" . NY Times .
• Oliver Wyman (diciembre de 2010). "Remotorizar o no remotorizar: esa es la cuestión" . Aviation Week Network .