El diseño (elaboración de la descripción geométrica de alguna cosa que será construida) de un avión es algo complejo. Se compone de tres fases que interactúan entre sí:
- Diseño conceptual.
- Diseño preliminar.
- Diseño detallado.
Diseño conceptual
El punto de partida suele ser un estudio de mercado donde se contemplen las necesidades de un determinado nicho del mismo o unas especificaciones de una agencia gubernamental o línea aérea. La petición puede pertenecer a una de estas categorías: transporte civil o militar, avión militar de altas prestaciones o helicóptero, los cuáles a su vez, pueden dividirse en más subcategorías. Aquí hablaremos únicamente de un avión comercial.
La primera cuestión a resolver es: ¿Puede construirse un avión que satisfaga los requerimientos del cliente? Si no es así, el cliente debe relajar sus requisitos.
Una vez contestada la pregunta anterior, debe definirse la misión para la cuál el avión debe ser diseñado. La misión consiste en diseñar un perfil de vuelo con varios segmentos, en cada uno de los cuáles deben cumplirse las prestaciones y restricciones definidas en las especificaciones. Ver fig. 1.
El avión objeto del diseño debe transportar una carga a una distancia dada y a una altitud de crucero también dada. Adicionalmente, debe despegar y aterrizar en pistas de longitud determinada, así como subir a una velocidad ascensional máxima, hasta el nivel de crucero. Otras restricciones pueden afectar a la minimización de consumo de combustible, contaminación y costes operativos.
El siguiente paso es elaborar un dibujo conceptual. Aquí se selecciona la configuración básica, lo cuál significa que se dispone de un dibujo con las tres vistas del avión, sin dimensiones, pero en el que están incluidas la geometría aproximada de las alas y los estabilizadores, localización de los componentes mayores, trenes de aterrizaje, cabina de tripulación y de pasajeros, bodegas de carga, etc.
A continuación se sigue con un proceso iterativo (ver fig. 2) que comienza con la estimación del peso al despegue, el tamaño del motor (máximo empuje estático al nivel del mar) y tamaño del ala (fundamentalmente, la superficie alar). Después se determina la geometría del avión, suponiendo que el centro de gravedad coincide con el centro aerodinámico del ala de forma que el avión sea estáticamente estable. Se determinan la posición de los estabilizadores horizontal y vertical. Después de esta primera iteración se conocen los pesos de los componentes –que se calculan con fórmulas estadísticas– y la geometría del avión. Una vez conocida la geometría, se estima la aerodinámica (Polar de resistencia y sustentación).
Lo siguiente es “volar” el avión en la misión seleccionada. Si la distancia de despegue es demasiado larga, el empuje máximo se incrementa y el cálculo se reinicia. Una vez que el despegue se ha realizado, se determina la máxima velocidad ascensional para llegar al nivel de crucero. Si es menor que el establecido, se incrementa el empuje y el cálculo se reinicia. La última restricción es la longitud de aterrizaje. Si es demasiado larga, se cambia la superficie alar y el cálculo se reinicia de nuevo.
Una vez que el avión puede volar a través de toda la misión, se calcula la cantidad de combustible y se distribuye entre el fuselaje y las alas. A continuación se recalculan los pesos de los componentes y de ahí el peso total al despegue. Si este peso no es coincidente o parecido al peso estimado se repite el cálculo de nuevo. Una vez que se ha conseguido la convergencia de ambos pesos, se tiene la información suficiente para desarrollar un dibujo con los más importantes detalles, con dimensiones y numerosas secciones rectas. En este momento se estiman los costes de operación y mantenimiento. El resultado final es, o debe ser, un diseño de avión que puede ser pasado con toda confianza a la fase de diseño preliminar.
Diseño preliminar
Durante esta fase los especialistas en áreas tales como, estructuras, trenes de aterrizaje y los diversos sistemas analizan y diseñan su porción de avión. Se inician los ensayos aerodinámicos, de propulsión, estructuras, estabilidad y control.
Se modela matemáticamente el revestimiento exterior del avión para asegurar un adecuado encaje de todas y cada una de las piezas del mismo, aunque estén diseñadas por diferentes diseñadores y vayan a ser fabricadas en localizaciones diferentes.
El último objetivo del diseño preliminar es preparar a la compañía para la fase de diseño detallado. El final de la fase de diseño preliminar implica una propuesta de desarrollo a escala real con un coste económico y unos riesgos, ante los cuáles debe tomarse una decisión. El diseño preliminar debe dar la confianza suficiente para seguir adelante, es decir, que el avión pueda ser construido de acuerdo a los costes y el tiempo estimados.
Diseño detallado
Suponiendo una decisión favorable para el desarrollo a escala real, la fase de diseño detallado comienza con el diseño de las piezas a fabricar. Por ejemplo, durante las fases de diseño conceptual y preliminar se analiza el cajón de ala como un todo. En la fase de diseño conceptual el todo se divide en piezas elementales, tales como, costillas, larguerillos, etc que se analizan y diseñan cada una individualmente.
Otra parte importante es el diseño de la producción, es decir, cómo será fabricado el avión, comenzando por las piezas elementales y pequeños conjuntos, y terminando con el montaje final. Los diseñadores de la producción, frecuentemente deben modificar el diseño final en aras de la facilidad de fabricación, lo cual puede tener impacto en el peso o en las prestaciones. Las soluciones de compromiso son inevitables, sin embargo, los requisitos finales deben ser satisfechos.
Durante esta fase los ensayos se intensifican (las fotos de abajo son un ensayo del fuselaje de un DC-6 y del pylon exterior de un DC-8). La estructura se fabrica y se ensaya. Las leyes de operación de los mandos de vuelo se comprueban en un simulador a escala real con los actuadores y las superficies de mando.
Esta parte del diseño termina con la fabricación del prototipo y los ensayos en vuelo del mismo.
Bibliografía:
Fundamental of Airplane Flight Mechanics. David G. Hull
Aircraft Design. A conceptual approach. Daniel P. Raymer.
Analysis & Design of Flight Vehicles Structures. E.F. Bruhn (fotografías)
