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Ingeniería

Aeronaves más silenciosas

Un proyecto encabezado por la empresa Embraer pretende disminuir los ruidos que generan los aviones

Embraer_ceuMiguel BoyayanEl tráfico aéreo mundial ha venido creciendo en forma permanente durante las últimas décadas, y seguirá describiendo esa trayectoria en los próximos años. Estimaciones de la Asociación Internacional do Transporte Aéreo (Iata) indican que el movimiento de pasajeros alcanzará la marca de 2.750 millones de viajes en 2011 ante los 2.130 millones de comienzos de 2007. Uno de los desafíos que afronta la industria aeronáutica, para seguir evolucionando sin detrimento de la calidad de vida de las ciudades, consiste en proyectar y desarrollar aviones más silenciosos, que puedan operar en los aeropuertos sin ocasionarles molestias a los habitantes de sus alrededores. Esta necesidad se vuelve aún más urgente en función de un nuevo requisito estipulado por la Federal Aviation Administration (FAA), el organismo regulador del sector aéreo en Estados Unidos, previsto para entrar en vigencia en 2015, que restringe todavía más la emisión de ruidos de aeronaves en los aeropuertos.

Para adecuarse a esta determinación y seguir siendo competitiva en el mercado global, la empresa Embraer, tercera fábrica de aviones del mundo, puso recientemente en marcha un amplio proyecto que lleva el nombre de Aeronave silenciosa: una investigación en aeroacústica, con el objetivo de detectar y evaluar los ruidos generados y propagados por sus aparatos. Con base en dichos datos, la compañía planea implementar soluciones de ingeniería, con el fin de volverlos más silenciosos. En las grandes ciudades, el rugido de las aeronaves va a la zaga únicamente del de los automóviles?, afirma el ingeniero Micael Gianini Valle do Carmo, responsable del proyecto de Embraer. La iniciativa de estudiar el ruido externo de nuestros aviones surgió hace algunos años, con los proyectos de la familia de jets Embraer 170/ 190, aeronaves mucho más grandes que las que fabricábamos antes?. El foco del programa, que cuenta con apoyo financiero de la FAPESP por medio del Programa de Investigación en Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite,  por su sigla en portugués), reside en los denominados ruidos de airframe (o ruidos aerodinámicos), generados por el flujo de aire que pasa alrededor del ala  y por el fuselaje del avión. Juntas, la FAPESP y Embraer destinarán 11 millones de reales al programa, que tendrá una duración de tres años.

En los últimos años, los avances tecnológicos han transformado a los motores de los aviones en artefactos más silenciosos, y esto ha llevado a que los ruidos aerodinámicos cobren relevancia. Durante el aterrizaje, entre el 75% y el 80% del ruido que producen los aviones tiene origen aerodinámico, en tanto que el resto es provocado por el motor. En el despegue, cuando la aeronave requiere más potencia para alzar vuelo, dicha relación se invierte. Las principales fuentes de ruidos aerodinámicos durante el aterrizaje y el despegue son el tren de aterrizaje y las superficies hipersustentadoras, nombre asignado al conjunto formado por el ala y los flaps y los slats, dispositivos móviles ubicados en las alas de los aviones que tienen la función de aumentar la superficie y la sustentación de la aeronave. El ruido es ocasionado por el torbellino de aire y por las fluctuaciones de presión en esos puntos, explica el ingeniero Julio Romano Meneghini, docente de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (USP) y coordinador general del proyecto.

Además de la Escuela Politécnica, integran el programa cinco centros de enseñanza e investigación nacionales y otros cuatro extranjeros: la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la USP, la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC), la Universidad de Brasilia (UnB), el Instituto Tecnológico de la Aeronáutica (ITA), la Universidad Federal de Uberlândia (UFU), la Universidad de Twente, Holanda, el Imperial College y la Universidad de Southampton, estos dos últimos de Inglaterra, y el Centro Aeroespacial Germánico, DLR, por su sigla en alemán, de Alemania. Los investigadores pretenden atacar el problema mediante tres abordajes distintos y a la vez complementarios en aeroacústica: ensayos en vuelo y en túnel de viento, modelos analíticos y empíricos y aeroacústica computacional. Este último abordaje se concentrará en el Núcleo de Dinámica de los Fluidos (NDF) de la Escuela Politécnica de la USP, que recibirá una supercomputadora con más de 1.200 núcleos de unidades centrales de procesamiento (CPU’s) y 2,5 terabytes de memoria, adquirida con recursos del proyecto. Modelaremos y simularemos numéricamente el flujo de aire alrededor de las superficies hipersustentadoras y del tren de aterrizaje. Con la simulación del flujo del aire lograremos obtener las estructuras de los torbellinos (vórtices) que se forman, y así tendremos una estimación del ruido que se genera en esas superficies, afirma Meneghini. Con la ayuda de la supercomputadora, una de las más avanzadas del país, conoceremos concretamente el complejo fenómeno de generación de ruido aerodinámico, y a partir de allí podremos sugerirle a Embraer alteraciones en la geometría de elementos tales como las alas, los flaps, el tren de aterrizaje, etc., dice.

La parte experimental del programa se llevará a cabo en la pista de pruebas de la unidad de Embraer ubicada en la localidad de Gavião Peixoto, interior de São Paulo. Su objetivo será detectar las fuentes de ruido aerodinámico y cuantificarlas. Para obtener dichas informaciones, se instalarán 256 micrófonos en un área de 50 por 50 metros situada en una de las cabeceras de la pista, con la función de captar el ruido que generan los aviones, que aterrizarán y despegarán innumerables veces. La necesidad de tantos micrófonos se justifica, pues el ruido que propagan las aeronaves es sumamente complejo. Con base en el procesamiento de los datos acústicos, sabremos qué porcentajes de ruidos provocaron los flaps, el tren de aterrizaje, los slats y así sucesivamente, destaca Meneghini. De acuerdo con el investigador, los resultados de estos ensayos harán posible entre otras cosas el desarrollo de kits de reducción de ruido aerodinámico, que se aplicarán en puntos específicos de las aeronaves. Esta parte del trabajo quedará a cargo de la UFSC y de la Escuela de Ingeniería de São Carlos. Nos encargaremos de desarrollar herramientas experimentales y de diagnóstico de las fuentes de ruido en las aeronaves, dice el profesor César José Deschamps, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la UFSC. También realizaremos estudios a fin de entender el ruido aeronáutico desde un punto de vista más teórico y, con esa comprensión, emplear las mejores metodologías para preverlo. Así es como podremos plantear alteraciones en los proyectos de los aviones de Embraer, afirma Deschamps.

La región de las alas y la del tren de aterrizaje son las principales responsables del ruido de los aviones

Embraer La región de las alas y la del tren de aterrizaje son las principales responsables del ruido de los avionesEmbraer

Otra vertiente del proyecto, a cargo de la Universidad de Brasilia (UnB), es el estudio de los ruidos generados por el fan del motor. El fan, un tipo de hélice con gran número de paletas, es la segunda fuente de ruido de los sistemas propulsores de los aviones, y se ubica únicamente detrás del propio chorro de aire caliente que expele la turbina. Si bien Embraer no es responsable de la fabricación de los motores de sus aviones dicho componente está a cargo de la empresa estadounidense General Electric, la empresa tiene interés en estudiar este tipo de ruido pues fabrica la barquilla, una estructura metálica donde se monta el motor turbofan. La barquilla es la primera línea de combate contra los ruidos del motor, explica el profesor Roberto Bobenrieth Miserda, del Instituto de Tecnología de la UnB.

De acuerdo con Julio Meneghini, las instituciones extranjeras implicadas en el programa desempeñarán un importante rol. La Universidad de Twente, Holanda, pondrá a disposición del proyecto un túnel de viento destinado a la realización de ensayos aeroacústicos, en tanto que la Universidad de Southampton y el Imperial College, de Inglaterra, cederán sus aptitudes en el área de modelos analíticos simplificados y simuladores. Ellos tienen una vasta experiencia en el área y utilizarán esos modelos empíricos para efectuar estimaciones de ruidos, dice Meneghini. También está prevista la realización de intercambios de estudiantes brasileños con los de la institución holandesa y los de las instituciones inglesas.

Además del avance teórico, del desarrollo de metodologías y de la creación de herramental destinado a entender los fenómenos involucrados en la cuestión del ruido aeronáutico, el proyecto Aeronave silenciosa, tendrá también como fin la formación de recursos humanos especializados en el área, ya que existen pocos profesionales especializados en aeroacústica en el país. Por tal motivo, una parte de los recursos del programa tendrá por objeto la financiación de becas de iniciación científica, maestría, doctorado y posdoctorado para alumnos que trabajan en investigaciones ligadas a los temas del programa. Pretendemos crear un núcleo de aptitud en el área de acústica, para poner así a disposición de la industria aeronáutica nacional especialistas altamente calificados, destaca el ingeniero Deschamps, de la UFSC. Actualmente, parte del estudio y la evaluación de los niveles de ruido externo de los aviones de Embraer está a cargo de consultores externos internacionales, cosa que ocasiona algunas dificultades, como es el caso de la lentitud de respuestas a situaciones críticas. Además de un equipo integrado por unos 25 investigadores de Embraer y de las universidades, se estima que alrededor de 40 alumnos participarán del proyecto.

Empresas e instituciones de investigación del sector aeroespacial de Estados Unidos y de Europa también están desarrollado programas similares a éste que financian la FAPESP y Embrear. La Nasa, la agencia espacial estadounidense, por ejemplo, encabeza el proyecto Quiet Aircraft Technology (QAT), cuyo objetivo es reducir a la mitad el ruido de los aviones dentro de diez años, y un 75% en los próximos 25 años. Se  estima que las primeras aeronaves que incorporarán algunos de los avances de la tecnología QAT empezarán a fabricarse en 2010. Otro programa estadounidense es el Advanced Subsonic Technology que también cuenta con la participación de la Nasa, del gobierno federal y del sector privado, que aspira a desarrollar dispositivos de disminución del ruido de 20 decibeles hasta 2020 en relación con las tecnologías existentes en 1997. Es una meta audaz, que, de cumplirse, representa una reducción de alrededor del 20% de los ruidos generados por un Boeing 777 durante el aterrizaje, por ejemplo, cuando emite alrededor de 100 decibeles. A su vez, la Comunidad Europea patrocina el proyecto temático Silence(R), que abarca a 51 empresas de 14 países con un presupuesto de más de 110 millones de euros. Su objetivo es validar tecnologías de disminución de ruido, con miras a realizar operaciones con aeronaves hasta seis decibeles más silenciosas.

Jubilación forzosa
Un jet inglés salió de circulación debido al ruido de sus motores

El BAC 1-11 (One Eleven), uno de los más exitosos aviones británicos de todos los tiempos, tuvo que salir de circulación habida cuenta del ruido que generaban sus motores. Concebido por Hunting Aircraft y fabricado por British Aircraft Corporation (BAC),  fue presentado a comienzos de los años 1960 y voló durante alrededor de 30 años, hasta su jubilación en razón de las restricciones al ruido. Otros aviones, como el Boeing 737-200, el Douglas DC-8 y Tupolev Tu-154, podrían haber tenido el mismo destino si no fuera por la invención de un equipamiento antirruido denominado hush kit, ideado para mitigar el ruido de los antiguos motores turbofan tipo low-bypass ?los modelos actuales (high-bypass) son mucho más silenciosos. El hush kit es una especie de extractor dispuesto detrás de la turbina, que sirve para ?sofocar? el ruido provocado por aviones antiguos. Otro beneficio que aporta dicha tecnología es la disminución de la cantidad de gases contaminantes que libera el motor.

El projeto
Aeronave silenciosa: una investigación en aeroacústica (nº 06/52568-7); Modalidad Programa de Investigación en Asociación para la Innovación Tecnológica (Pite, sigla en portugués); Coordinador Julio Romano Meneghini  – USP; Inversión R$ 707.506,58 y US$ 1.709.305,41 (FAPESP) y R$ 6.000.000,00 (Embraer)

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