Por mucho que nos quejemos de los viajes aéreos, el hecho es que volar se ha vuelto considerablemente más barato, más seguro, más rápido e incluso más ecológico en los últimos 60 años.
Los aviones de hoy usan aproximadamente un 80 por ciento menos de combustible por pasajero-milla que los primeros jets de la década de 1950, un testimonio del tremendo impacto de la ingeniería aeroespacial en el vuelo. Esta mayor eficiencia ha extendido el comercio global hasta el punto en que ahora es económicamenteviable para enviar todo, desde flores hasta manatíes de Florida en todo el mundo.
A pesar de las continuas mejoras en la eficiencia del consumo de combustible, aún se espera que las emisiones globales aumenten en las próximas dos décadas debido a una duplicación en el tráfico aéreo, por lo que realizar incluso pequeñas mejoras en la eficiencia del combustible de los aviones puede tener un gran efecto en las economías y enel entorno.
Este potencial de impacto motiva a Joaquim Martins, un ingeniero aeroespacial de la Universidad de Michigan UM que dirige el Laboratorio de optimización de diseño multidisciplinario, para desarrollar herramientas que les permitan a los ingenieros diseñar aviones más eficientes.
"El transporte es la columna vertebral de nuestra economía. Cualquier diferencia que pueda hacer en el consumo de combustible, incluso una fracción del por ciento, hace una gran diferencia en el mundo", dice Martins. "Nuestros objetivos son dobles: crear airetransporte más económicamente factible y al mismo tiempo para reducir el impacto en el medio ambiente "
Utilizando la supercomputadora Stampede en el Centro de Computación Avanzada de Texas, así como los sistemas informáticos en la NASA y la UM, Martins ha desarrollado diseños de ala mejorados capaces de quemar menos combustible, así como herramientas que ayudan a la industria aeroespacial a construir aviones más eficientes.
"Estamos cerrando la brecha entre un ejercicio académico y un método práctico para la industria, que presentará diseños futuros", dice.
Nuevos diseños de alas para un vuelo más eficiente
Las mejoras en el diseño del ala tienen el potencial de mejorar la eficiencia hasta en un 10 por ciento, reduciendo los costos y la contaminación. Además, en áreas donde se están aplicando nuevas tecnologías, como alas hechas de materiales compuestos o alas que se transforman durante el vuelo,Las herramientas de diseño mejoradas pueden proporcionar información cuando falta una comprensión intuitiva.
Presentando en el Foro SciTech del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica AIAA en enero de 2017, Martins y sus colaboradores Timothy Brooks UM y Graeme Kennedy Georgia Tech describieron los esfuerzos para optimizar el diseño de alas construidas con nuevos materiales compuestos y emergentesmétodos de construcción.
Los aviones de hoy en día cuentan con 50 por ciento de materiales compuestos, pero los compuestos se colocan de una manera relativamente simple. Sin embargo, las nuevas máquinas automáticas de colocación de fibra pueden colocar compuestos en curvas complejas, creando lo que se conoce como alas compuestas dirigidas por remolque.
"Eso abre el espacio de diseño, pero los diseñadores no están acostumbrados a esto", dice Martins. "Es un desafío porque no hay mucha intuición sobre cómo utilizar todo el potencial de esta tecnología. Desarrollamos los algoritmospara optimizar estos ángulos de remolque "
Descubrieron que los materiales compuestos dirigidos por remolque pueden reducir el peso estructural de un avión en un 10 por ciento en comparación con los diseños compuestos convencionales mientras reducen el consumo de combustible en un 0,4 por ciento. La NASA está en el proceso de construir un prototipo de un ala dirigida por remolquecaja para una prueba de escala en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA.
Otra área de estudio es la transformación de las alas que cambian de forma para mantener el rendimiento máximo independientemente de la velocidad de vuelo, la altitud y el peso de la aeronave.
Martins, David Burdette y Gaetan Kenway todos de UM presentaron resultados para un diseño de transformación que tiene el potencial de quemar un 2 por ciento menos de combustible que los diseños actuales en el Foro de Ciencia y Tecnología AIAA 2016. Martins también publicó un capítulo en la Enciclopedia de AerospaceIngeniería en "Reducción de quema de combustible a través de Wing Morphing" que describe ideas de diseños potenciales y métodos de optimización en esta área.
"La investigación sobre nuevos materiales y mecanismos de transformación hará que los sistemas de transformación sean más ligeros, más eficientes energéticamente y más económicos", escribió. "Es solo cuestión de tiempo antes de que veamos alas de aviones que exhiben capacidades de transformación que parecen imposibles hoy en día."
Una tercera área de investigación involucra nuevas alas de alta relación de aspecto que tienen un alcance mucho mayor que las que se usan actualmente.
Martins presentó diseños para tal ala en la 15ª Conferencia de Análisis y Optimización Multidisciplinaria AIAA / ISSMO en 2014. Boeing ha adaptado ese modelo y construirá un prototipo para probar en el Túnel de Dinámica Transónica del Centro de Investigación Langley de la NASA a finales de este año.
optimización de diseño multidisciplinario
El diseño de aeronaves utilizando modelos de computadora no es nuevo, pero en el pasado, los estudios utilizaron modelos de baja fidelidad o se limitaron a una sola área de investigación: la aerodinámica del ala o su integridad estructural. Estos estudios se aprobaron entregrupos de ingenieros, lo que lleva a diseños que son más eficientes que los que suplantaron, pero no necesariamente óptimos.
Martins utiliza un enfoque diferente, llamado optimización de diseño multidisciplinario, que combina muchos factores y modelos de alta fidelidad en un problema de optimización computacional acoplado. Este enfoque puede conducir a mejoras mayores que el método de estudio único, dice, pero requiere elaplicación de supercomputadoras paralelas masivas, capaces de ejecutar cálculos complejos que representan cientos o incluso miles de variables de diseño, todas consideradas en conjunto.
"Nuestros problemas requieren cientos o miles de procesadores e intentamos que cada simulación sea del orden de unos minutos y que la optimización converja en ocho a 48 horas", dice Martins.
Ejecuta estos cálculos no una vez, sino cientos de veces para llegar a la mejor solución posible y probar la integridad del nuevo diseño en condiciones de vuelo probables.
"La dinámica de fluidos computacional y la mecánica estructural computacional son exigentes", dice. "Para resolver nuestros problemas, necesitamos absolutamente una supercomputadora como Stampede".
Stampede, con el apoyo de la National Science Foundation NSF, es actualmente la 17ª supercomputadora más rápida del mundo, según la lista Top500 más reciente, que clasifica los sistemas informáticos de alto rendimiento. Más adelante en 2017, TACC presentará Stampede 2, queserá aproximadamente el doble de poderoso que su predecesor.
Boeing y la NASA están probando prototipos basados en diseños de alas sugeridos por las optimizaciones de Martins, pero el impacto de su investigación va más allá de cualquier diseño. Los algoritmos de Martins proporcionan un medio para combinar los muchos factores complicados que intervienen en un diseño en unproceso computacional único. Actualmente está trabajando con Embraer para evaluar los algoritmos que ha desarrollado para su uso en la producción. También ha discutido la practicidad de sus algoritmos con Bombardier, Airbus y Boeing.
"El diseño del ala es de importancia crítica para la industria de fabricación de aviones para lograr un rendimiento óptimo y diseños asequibles", dijo Frode Engelsen, miembro técnico de Boeing Research and Technology. "El profesor Joaquim Martins ha avanzado el estado del arte al construir unmarco de optimización de diseño multidisciplinario que utiliza modelos aerodinámicos y estructurales de alta fidelidad simultáneamente en el diseño de alas ".
En última instancia, la aplicación de los algoritmos de Martins a un proceso industrial requeriría elementos adicionales, por ejemplo, el uso de una mayor variedad de condiciones de vuelo para garantizar la seguridad de la aeronave y la integración con los costos de fabricación para confirmar que la aeronave más eficiente puedeser construido económicamente.
Sin embargo, el esfuerzo vale la pena, porque el impacto, en el comercio y en la vida de las personas, es considerable.
"Si lo piensa, es increíble que pueda volar a través de los Estados Unidos por unos cientos de dólares", dice Martins. "Los precios de los boletos han bajado dramáticamente en las últimas décadas y eso permite que las personas visiten a sus familias porAcción de Gracias. Y ha sido habilitado por aviones más eficientes ".
La investigación está respaldada por subvenciones de la NASA. Stampede fue generosamente financiado por la NSF a través del premio ACI-1134872.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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