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Ingeniería

Impacto en vuelo

Estudio ayuda a prever límite de resistencia del fuselaje de los aviones contra choques con objetos extraños

En 2005, la Fuerza Aérea contabilizó 480 incidentes producto de la colisión de aves con aviones en el país, principalmente durante el proceso del despegue. Este problema preocupa a su vez a todo el planeta, incluso porque aumentó la población de aves en muchos países, tal como lo demuestran algunos estudios, es un factor positivo para el ambiente, pero que genera preocupaciones en las fábricas de aviones, como es el caso de la brasileña Embraer. La empresa acaba de adoptar un avanzado sistema de análisis de estructuras de aeronaves desarrollado en los laboratorios de la escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP). El sistema se compone de un modelo matemático que verifica el límite de resistencia de los materiales utilizados en la fabricación del fuselaje y de las alas de los jet, además de prever cuándo ocurrirán rupturas a causa de choques con objetos extraños.

Impactos indeseables signaron uno de los más célebres aviones de todos los tiempos, el legendario supersónico anglo-francés Concorde, que tuvo un fin melancólico. El día 25 de julio de 2000, segundos después de decolar del aeropuerto Roissy-Charles de Gaulle, en los alrededores de Paris, se incendió y cayó del cielo, con lo cual murieron todos los 109 pasajeros y tripulantes a bordo y además cuatro personas en tierra. El accidente abrevió la carrera de la aeronave, que acabó jubilada tres años después. La tragedia fue causada por una serie de acontecimientos fatales. En el momento del despegue, un neumático del avión se rompió al pasar sobre una pieza metálica suelta en la pista, que se había desprendido de otra aeronave. Pedazos de caucho del neumático fueron lanzados contra el ala, perforaron el tanque de combustible y originaron la explosión del jet.

Aunque no todos los accidentes provocados por la colisión de objetos extraños, como pedazos de metal, goma, piedras, granizo o aves, devienen en la caída de la aeronave, como aconteció con el Concorde, estos eventos siempre acarrean peligro y son más comunes de lo que podría suponerse. La ruptura de esos materiales es muy difícil de ser preverse por la complejidad del fenómeno, ya que está sujeto a muchas variables, como las propiedades del material usado en la fabricación del avión, el tamaño y el formato del objeto impactante, la velocidad y el ángulo de colisión, entre otros, explica el ingeniero mecánico Marcílio Alves, profesor de la USP, que estuvo al frente del proyecto.

Las informaciones recabadas por nuestro modelo matemático serán esenciales para mejorar el desarrollo de los aviones de la fábrica brasileña, toda vez que revelaran datos acerca de la resistencia de los materiales utilizados en sus aeronaves, afirma Alves, quien también es coordinador del Grupo de Mecánica de Sólidos e Impacto en Estructuras del Departamento de Ingeniería Mecatrónica y de Sistemas Mecánicos de la Poli. El modelo matemático se transformó en un código informático y acoplado a un programa comercial de análisis estructural utilizado por la fábrica. Se espera que el comience a utilizárselo este año.

La idea de desarrollar esta herramienta surgió en la propia Embraer. Nuestro primer contacto con la empresa se produjo en el año 2000. Dos años más tarde comenzamos el trabajo y para eso contamos con una financiación de la FAPESP por intermedio del programa de Asociación para la Innovación en Ciencia y Tecnología aeroespacial (Picta) revela el investigador. El Picta se destina a proyectos del sector aeroespacial y forma parte del programa Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite), destinado a la financiación de proyectos conjuntos entre universidades, institutos de investigación y empresas. Según Alves, la Embraer contaba abtes con un proceso de análisis de fallas por impacto, pero más sencillo y limitado.

Cuando nos consultó, una de las preocupaciones de la compañía era reducir la cantidad de ensayos experimentales de impacto de aves (reproducciones de aves de tamaño y peso semejantes a buitres, por ejemplo) y materiales rígidos en sus aviones, sustituyéndolos por simulaciones numéricas. Con nuestra herramienta, será posible eliminar algunos ensayos, principalmente los de la fase de desarrollo de nuevas aeronaves. Estos ensayos de impacto son una exigencia de los órganos de certificación de aeronaves.

Un aspecto importante del proyecto fue el trabajo de  reproducción de las uniones de aluminio empleadas en la fabricación del fuselaje y las alas de los aviones. El material se ensayó en condiciones estáticas y dinámicas, cuando se miden el comportamiento del fuselaje en situaciones de impacto en vuelo o sometido a temperaturas que varían desde -70º C a 150 ºC. Los ensayos dinámicos someten al material a rápidos cambios de formato que ocurren en fracciones de tiempo del orden de los microsegundos en forma similar, durante las pequeñas colisiones aéreas. Esta simulación es importante, pues revela información sobre la resistencia de los materiales y otorga indicios sobre sus parámetros de deformación y ruptura. El conocimiento de las propiedades dinámicas del material es fundamental para el análisis de estructuras bajo cargas de impacto, subraya el ingeniero. Para la realización de esos ensayos, los investigadores tuvieron que desarrollar equipamientos específicos para ensayos dinámicos, sin similares en Brasil.

Cañón para ensayos
Otro mecanismo proyectado y construido durante el programa fue el lanzador de proyectiles, también conocido como cañón de gas (del inglés: gas gun).Su función es lanzar pequeños objetos, como esferas de acero y pedazos de caucho, a velocidades similares a las de un avión en situación de impacto con aves entre 100 y 600 kilómetros por hora (km/h) contra estructuras aeronáuticas, como chapas metálicas de fuselaje, simulando la colisión de un avión con el objeto. El aparato está conformado por un cilindro de gas comprimido, un tubo de 6 metros de extensión y 50 a 100 milímetros de ancho, y un dispositivo de fijación para la colocación del material que será impactado por el proyectil. Medidores infrarrojos de velocidad y de micro deslizamientos láser, miden la velocidad del objeto lanzado y la deformación sufrida por la estructura. Esas pruebas son importantes para convalidar nuestro modelo matemático. Con ellas comparamos la teoría con la práctica, explica Alves.

Durante los tres años que duró el proyecto, terminado en julio, el equipo, formado también por los profesores Larissa Driemeier y Sérgio Proença, de la Escuela de Ingeniería São Carlos de la USP, y el doctorando Giancarlo Barbosa Micheli, del Poli, además del ingeniero Carlos Eduardo Chaves, de Embraer, contó con la colaboración de investigadores extranjeros del Instituto de Mecánica de la Academia de Ciencias de Bulgaria, del Centro de Investigaciones en Impacto de la universidad de Liverpool, de Inglaterra, y de la Universidad de Dortmund, en Alemania. La cooperación internacional resultó esencial para la concreción del proyecto, dice Alves. Asimismo, con el conocimiento adquirido por el grupo del Poli en los últimos diez años, ofrecemos entrenamiento para 25 ingenieros de Embraer sobre impactos en estructuras aeronáuticas.

El Proyecto
Comportamiento de materiales en estructuras aeronáuticas sujetas a impacto (nº 02/11313-5); Modalidad Asociación para Innovación en Ciencia y Tecnología Aeroespacial (Picta) y Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite); Coordinador Marcílio Alves – USP; Inversión R$ 367.896,00 (FAPESP) y R$ 210.000,00 (Embraer)

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