El proyecto de avión de "ala diferente" de la USP podría reducir el consumo de combustible hasta en un 30%
1 de septiembre de 2023
Imagen: USP
Para garantizar una mejor calidad de vida a la población mundial en los próximos años, es imperativo que se emprenda un cambio de rumbo significativo en la lucha contra el calentamiento global. En este contexto, investigadores de la reconocida Escuela de Ingeniería de São Carlos (EESC) de la Universidad de São Paulo (USP) lideran esfuerzos para trazar nuevos horizontes en la reducción de las emisiones de carbono en la aviación.
Pedro David Bravo-Mosquera es uno de los investigadores que lidera un innovador concepto de avión comercial, que apunta a nuevos horizontes en el diseño de grandes aviones para el transporte de pasajeros.
El estudio titulado
Beneficios potenciales de propulsión y aerodinámica de un nuevo concepto de aeronave: un estudio experimental de baja velocidad se publicó recientemente en la revista Aerospace. Esta investigación es un componente esencial de su tesis doctoral, a la que se puede acceder aquí.
El diseño del avión se desarrolló a una escala 28 veces más pequeña, lo que permitió realizar pruebas en túneles de viento. En comparación con los grandes aviones convencionales, el concepto de avión propuesto demostró una reducción significativa de aproximadamente el 12% en el consumo de combustible. Sin embargo, se espera lograr ahorros de hasta el 30% mediante el uso de combustibles alternativos y materiales más ligeros durante los próximos 20 años.
El proyecto combina dos características innovadoras. Una de ellas es el ala de caja, como si fueran dos alas a diferentes alturas que se unen por los extremos, mejorando la eficiencia y la estabilidad del vuelo.
Pedro Mosquera comenta que este formato aumenta el rendimiento del desplazamiento en vuelo. “
La principal ventaja de esta configuración es una mayor eficiencia aerodinámica en crucero y una mejor distribución de los esfuerzos aerodinámicos entre las alas, lo que puede reducir el peso de la estructura”.
La otra tecnología implementada es la de motores junto a la carrocería del avión. En este sistema de propulsión llamado “
admisión de capa límite ” , los motores aspiran el flujo de aire alrededor del avión. Esto permite que la aeronave se mueva con menos potencia, reduciendo así el uso de combustible.
Reducir el consumo de combustible es uno de los principales objetivos del proyecto. El ala cuadrada, por sí sola, aumentó la eficiencia aerodinámica en aproximadamente un 8,2% en condiciones de crucero, es decir, después del ascenso y antes del descenso. El sistema de propulsión por ingestión de capa límite mejoró la propulsión en un 6,5%, reduciendo el desperdicio de energía.
Al centrarse en la eficiencia, los aviones alcanzarían un rendimiento similar a la velocidad que alcanzan hoy, pero con un mayor ahorro energético. Esto también significa que las rutas podrían ser más largas que las de aviones del mismo tamaño, con 180 pasajeros, ya que habría menos necesidad de repostar con la misma capacidad de combustible en el tanque.
Alas en caja
El modelo 14-bis, de Alberto Santos Dumont, utilizaba alas en forma de caja, que no eran precisamente nuevas. Fueron probados en 1893 por el ingeniero inglés Lawrence Hargrave en la fabricación de cometas. El concepto aerodinámico de alas de caja, sin embargo, no fue presentado hasta 1924 por el físico alemán Ludwig Prandtl.
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Tiene la ventaja de disminuir la resistencia inducida cuando hay dos alas conectadas a las puntas. Hay un fenómeno de vórtice en la punta en un ala normal que se puede reducir si conseguimos hacer alas más largas, o con una superficie vertical en la punta de las mismas ”, explica Pedro Mosquera. Estos vórtices son generados por la propia sustentación del ala, pero ejercen una fuerza contraria al movimiento del objeto que está volando.
Las alas de cualquier avión están ligeramente levantadas y crean una diferencia de presión entre la parte superior e inferior. Como la presión en la parte superior del ala es mucho menor que en la parte inferior, la fuerza resultante empuja el avión hacia arriba.
Cuando este aire comprimido debajo de las alas fluye a lo largo de los lados hacia arriba, se forman grandes remolinos en las puntas. Esto introduce una fuerza contraria al movimiento del avión, inducida por la sustentación del ala: cuanto mayor es la sustentación, mayor es la resistencia inducida. Este efecto se evita cuando hay un pliegue hacia arriba en los extremos.
El concepto de ala en caja también permite la construcción de aviones más ligeros.
“El 14-bis sólo volaba gracias a la unión de las dos alas realizada con una superficie que estaba detrás del centro de gravedad. No teníamos idea de esto, pero estas alas juntas, con esta superficie que tiene algún tipo de efecto aerodinámico, dan una rigidez muy alta. Dos alas por sí solas serían demasiado flexibles, a menos que hubiera una estructura muy grande en cada una. Unir los extremos o hacer una caja lo hace mucho más resistente”, afirma Catalano.
Ingesta de capa límite
El concepto de admisión de capa límite para aviones de pasajeros, por su parte, fue presentado
en 2017 por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT ) . Desde entonces, ha sido probado en diseños conceptuales por la NASA, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de Estados Unidos.
Cuando un avión vuela, actúan sobre él cuatro fuerzas: el empuje hace que la nave avance, la resistencia la frena, el peso empuja hacia abajo y la elevación de las alas compensa el peso.
Fuerzas que actúan sobre el avión – Imagen: Wikimedia Commons/Dominio público
Pedro Mosquera afirma que, con las técnicas utilizadas actualmente, sólo motores muy grandes podrían reducir el consumo de combustible. Este aumento de tamaño, sin embargo, trae consigo otros problemas. “
El motor más grande ocupará un área mayor, lo que producirá más resistencia en vuelo. También será más pesado, y levantar ese peso requiere más elevación. La resistencia inducida es la elevación al cuadrado. Es un efecto bola de nieve. Es importante saber detenerse a pensar en una configuración al nivel de tecnología que tenemos actualmente".
La propuesta funciona con otra idea. Con el avión en movimiento, las moléculas de aire circundantes se agrupan debido a la fricción con la superficie. Esto forma una capa de aire de velocidad reducida cerca del avión, lo que aumenta el espesor total del desplazamiento del objeto a través del aire. En la parte delantera del avión, esta capa de aire es cero, pero se vuelve más espesa a medida que más moléculas de aire golpean el fuselaje.
En los aviones de pasajeros convencionales, los motores están situados lejos de la carrocería para evitar que este flujo caótico de aire a lo largo de la estructura sea aspirado y dañe la hélice.
Sin embargo, la tecnología explora la posibilidad de incorporar motores en la parte trasera del avión, aspirando el flujo de aire de la superficie. Esta configuración requiere un ventilador más robusto capaz de corregir los remolinos antes de que lleguen a la hélice, según explica el investigador. “
Los vectores de velocidad que entran en el motor están completamente alterados. Uno de los próximos pasos de la investigación es precisamente investigar compresores que ayuden a que estos vectores de velocidad sean los adecuados para el correcto funcionamiento del motor".
Imagen: Reproducción de la encuesta de la USP
Las dificultades, según el profesor Catalano, son las que más motivan la creación de proyectos innovadores.
“
No podemos hacer nada de forma aislada. Una cosa se mejora y la otra se empeora. Es ese tirar de allí, tirar de aquí. Por tanto, trabajar en el área de la optimización multidisciplinar es apasionante".
Pruebas de túnel
Antes de fabricar un avión, parte de las pruebas se realizan en ordenadores. Luego es necesario probar la miniatura en un túnel de viento. En el entorno controlado del túnel, el viento pasa como si el modelo, que está parado, estuviera volando. En esta etapa, una escala mide la resistencia, la sustentación y otras fuerzas que actúan sobre el prototipo en una escala más pequeña.
De esta manera, es posible simular el ascenso, descenso, giro, balanceo y otras condiciones de la aeronave. Los investigadores también miden la presión ejercida sobre el ala y visualizan el flujo de aire, lo que permite corregir efectos no previstos en las simulaciones por ordenador.
El proyecto alcanzó el nivel tres del
Technology Readiness Level (
TRL), una escala desarrollada por la NASA para evaluar la madurez de una determinada tecnología. Cuando alcance el nivel cuatro, el más alto alcanzado exclusivamente por las universidades, la tecnología deberá ser probada por la industria.
El CESE está desarrollando actualmente cuatro proyectos con Embraer. El éxito total se logra en el nivel nueve de TRL cuando la tecnología se implementa y demuestra su eficacia, un proceso que normalmente lleva entre 10 y 15 años.
Brasil es uno de los pocos países que concibe, diseña, construye, certifica y vende aviones comerciales. Según la plataforma alemana
Statista,
la industria aeronáutica brasileña fue el undécimo mayor exportador del mundo en 2021, por delante de Israel, Países Bajos, Suiza y Japón.
Objetivos ambientales
En 2022, incluso con una menor demanda debido a las políticas de covid-zero en países como China,
la aviación fue responsable del 2% de todas las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la producción de energía en el mundo, según la Agencia Internacional de Energía (AIE).
Si bien es un pequeño porcentaje del total, el impacto es mayor porque los aviones liberan vapor y gases de efecto invernadero cerca de la capa de ozono. En las estaciones húmedas, los aviones dejan un rastro de humo compuesto principalmente de vapor de agua. Las nubes así formadas, llenas de hollín de queroseno, tienen un efecto invernadero cuatro veces mayor que la capa de CO₂. Esto podría evitarse con biocombustibles que produzcan distintos hollines, capaces de enfriar el planeta.
De 1990 a 2019, la liberación de estos gases por las aeronaves creció un 2,3% anual, superando el aumento del transporte ferroviario, por carretera y marítimo. En valores absolutos, los gases emitidos por los aviones en 2022 corresponden al 80% del nivel prepandemia, que deberá superarse de aquí a 2025 con el regreso gradual de los vuelos internacionales.
La eficiencia del combustible de la aviación mejoró un 1,8 % anual gracias a la introducción de aviones y motores más eficientes entre 2010 y 2019. Para alcanzar el objetivo de neutralidad de carbono de la AIE para 2050, la eficiencia debe crecer una media del 2 % anual, según la Comisión Internacional Organización de Aviación Civil (OACI), entidad de las Naciones Unidas (ONU) responsable de las actividades de transporte de pasajeros en la aviación mundial desde 1947.
El profesor Catalano explica que, aunque no es posible dejar de emitir contaminantes, las plantaciones utilizadas en la producción de combustibles, combinadas con una mayor eficiencia de los aviones, pueden compensar el desequilibrio de los gases de efecto invernadero presentes en la atmósfera. “
El objetivo de cero emisiones de la aviación para 2050 significa que será sostenible, con tecnologías distintivas bajas en carbono como los biocombustibles, el hidrógeno verde y la propulsión eléctrica, por ejemplo".
Agrega que, a través de innovaciones tecnológicas, es posible aumentar el tráfico aéreo, reduciendo la contaminación“.
Si realmente actuamos, esta caída ocurrirá. Si no actuamos, las emisiones siempre aumentarán exponencialmente".
Información de la PVU
Junção inédita de duas tecnologias inovadoras nas asas e nas turbinas conseguiria economizar 12% do combustível queimado.
aeroin.net
