AERONÁUTICA

 

El desarrollo de la aviación deportiva, ha tenido un desarrollo considerable desde la década de los 70`S, cuando se introdujeron al mercado los primeros aviones ligeros y ultraligeros. Estos aparatos se caracterizan por su peso reducido, y capacidad de operación desde pistas cortas y sin preparación. En México hay una cantidad significativa de estos aviones en manos de particulares y empleados sobre todo con fines deportivos/recreativos; sin embargo, la dependencia en este campo de los países industrializados, principalmente Estados Unidos, ocasiona que los costos, tanto de adquisición como de mantenimiento sean elevados.

 

El empleo que puede darse a un avión ligero, además de la recreación, pueden ser muy variado, como la vigilancia, entrenamiento, fotografía, publicidad y misiones de búsqueda. En este tipo de misiones una aeronave ligera puede sustituir a aeronaves más grandes, con un ahorro en gastos operativos significativo. Para que un avión de estas características pueda realizar este tipo de misiones con ventaja sobre los actuales equipos, se requiere que sea biplaza, de cabina cerrada, velocidad de crucero del orden de 80-100 kts, de fácil construcción y mantenimiento, y con un bajo consumo de combustible. Para lograr estas especificaciones de diseño, se propone el uso de materiales compuestos, esencialmente una estructura tipo sándwich de fibra de vidrio sobre laminas de espuma de poliuretano.

 

La tecnología necesaria para los procesos de fabricación de una aeronave de este tipo se ha venido desarrollando en nuestra entidad desde hace varios años, mediante la experimentación por parte de personas dedicadas al manejo de fibra de vidrio y otros materiales compuestos. Sin embargo, la mayor parte de su trabajo se ha realizado de forma empírica, por lo que es necesario definir los alcances de la tecnología desarrollada, ya no solo para poder desarrollar una aeronave, sino para poder transferir la tecnología de los materiales compuestos hacia otras aplicaciones, y entrar en este diverso y relativamente nuevo mundo de la ingeniería, que tantas posibilidades abre a quienes estén dispuestos a profundizar en sus características. Para esto es necesaria la investigación y el desarrollo continuo en cooperación con las escuelas de educación superior, el sector productivo y los investigadores, para juntos plantear el rumbo del desarrollo en esta área.

 

 

OBJETIVOS DEL PROGRAMA DE DESARROLLO:

 

• Construir un prototipo a escala 1:4 de un avión con las características mencionadas en la justificación del proyecto.

 

•Caracterizar los materiales compuestos con los que se dispone, haciendo hincapié en el control de los procesos de manufactura.

 

•Desarrollar los métodos de análisis y manufactura necesarios para este tipo de estructuras, así como verificar las capacidades de lo recursos actuales.

 

•Involucrar a jóvenes estudiantes de licenciatura en ingeniería mecánica en el desarrollo de un proyecto de investigación, promoviendo la puesta en practica de sus conocimientos.

 

•Una vez construido, realizar pruebas de vuelo y estructurales que validen los modelos y consideraciones asumidas durante el proceso de diseño, asi como verificar las propiedades de los materiales en un modelo funcional.

 

 

METAS

 

Las metas alcanzadas hasta la presente fecha en el proyecto son las siguientes:

 

•Se realizo la parte del desarrollo conceptual de la aeronave,  lográndose un diseño satisfactorio, capaz de cumplir con las misiones requeridas.

 

•Se completó la construcción de modelos y moldes, que es la ultima etapa de la preparación de la fabricación del prototipo en si.

 

•Se realizaron pruebas de materiales, con lo cual se obtuvieron las propiedades físicas y mecánicas, proceso en el cual se involucraron alumnos de la carrera de ingeniería mecánica del Instituto Tecnológico de Durango.

 

•El método de análisis estructural empleado fue puesto a punto, y el modelo de elemento finito fue completado, lo cual permitirá seleccionar una configuración de materiales y número de capas cercana a la óptima.

 

•Se desarrollo un método para organizar y manejar las grandes cantidades de información requeridas para el modelado del sistema.

 

 

RESUMEN

 

El presente trabajo tiene como finalidad última el adquirir un mayor conocimiento en los diferentes aspectos de los materiales compuestos, como son el diseño (en todas sus etapas), la manufactura, sus propiedades, etc. para su aplicación en diferentes campos de la industria mexicana. Llegar a transferir la tecnología que aquí pueda desarrollarse para reemplazar o innovar en diferentes áreas es uno de los grandes sueños de los autores de este trabajo; sin embargo, para que esto sea posible, es necesaria la completa comprensión de los materiales que nos ocupan.

 

Este proyecto es el medio a través del cual se ponen a prueba los conocimientos hasta ahora adquiridos en el área de los compuestos, en conjunción con otro tema desde hace mucho tiempo olvidado en nuestro país: la construcción aeronáutica. La primera parte de este proyecto (etapa de desarrollo) trata de la construcción de un prototipo a escala de aeronave ligera biplaza, que pueda cumplir una amplia gama de misiones y sea económica de adquirir y operar. Se realizaron modelos computacionales, planos, modelos reales, pruebas de materiales, creación de moldes, y queda aún por terminar el prototipo final, probarlo y validar nuestros cálculos. Se ha aprendido mucho durante el desarrollo del proyecto, y esperamos que esto sea la base para un desarrollo de la industria de materiales compuestos, así como la primera etapa de la construcción de una aeronave de diseño y construcción puramente nacional.

 

ETAPAS DEL PROYECTO

 

Se presenta un diagrama de flujo en la figura 1 con las etapas del desarrollo y construcción del prototipo a escala. Las fases concluidas del proyecto aparecen marcadas con una “palomita” en color verde. Un aspecto importante de el proceso de desarrollo es que, después de terminado el modelado tridimensional, se siguen tres lineas de trabajo paralelas, las correspondientes a manufactura, análisis y prueba de materiales.

Esto representa una gran ventaja del uso de materiales compuestos, ya que una vez definida la geometría se puede empezar a trabajar en los modelos y moldes, aunque aún no se definan las cargas, espesores o número de capas de material requeridas en cada elemento de la aeronave. El análisis estructural definirá estos parámetros, basándose en las pruebas de los materiales, que se realizaron mientras se construía el modelo de elemento finito. Esta metodología de trabajo ahorra tiempo y recursos,  además de que permite el cruce de información entre los diferentes procesos. Una vez terminadas estas etapas se procede al laminado de las partes del avión, mediante el método de moldeo con bolsa de vacío, para finalmente ensamblar todas las piezas. El paso final consiste en la puesta en vuelo del prototipo, para implementar un programa de vuelos de prueba en donde se pongan a prueba las características de vuelo y verificar que se apeguen a las estimadas. También se pondrá a prueba la estructura,  para validar los modelos de elemento finito y tomar una decisión acerca de si las decisiones tomadas durante el proceso de simulación fueron acertadas.

DISEÑO CONCEPTUAL

 

El primer paso de este proyecto consistió es definir el tipo de aeronave que se requería para actividades tanto recreativas, deportivas y comerciales de nuestro país. Los requisitos seleccionados fueron los siguientes:

 

•Aeronave biplaza, esto permite su empleo en instrucción y vuelos de observaciñon, búsqueda y rescate.

Monomotor. Implica una menor inversión inicial y de mantenimiento, si como simplicidad de diseño.

 

•Monoplano ala alta Ideal para actividades de observación, ya que el ala no interfiere en la visibilidad hacia abajo.

 

• Además la configuración de ala alta es mucho mas estable que otras, lo cual es un punto a favor si se considera que una de las misiones es el entrenamiento de nuevos pilotos.

 

•Construcción en materiales compuestos: se propone una estructura principal de sándwich de fibra de vidrio sobre espuma de poliestireno, con fibra de carbón para refuerzo en las zonas de anclaje de los principales componentes estructurales, planta motriz y carga.

 

•Sus planos cuentan flaperones de envergadura completa lo cual permite excelentes características STOL con ángulos de aproximación relativamente bajos, lo cual permite una buena visibilidad, necesaria en aterrizajes en pistas muy cortas.

 

Con estas características en mente se prosiguió con el diseño aerodinámico.

 

 

DISEÑO AERODINÁMICO

 

El presente trabajo tiene como finalidad última el adquirir un mayor conocimiento en los diferentes aspectos de los materiales compuestos, como son el diseño (en todas sus etapas), la manufactura, sus propiedades, etc. para su aplicación en diferentes campos de la industria mexicana. Llegar a transferir la tecnología que aquí pueda desarrollarse para reemplazar o innovar en diferentes áreas es uno de los grandes sueños de los autores de este trabajo; sin embargo, para que esto sea posible, es necesaria la completa comprensión de los materiales que nos ocupan.

 

Este proyecto es el medio a través del cual se ponen a prueba los conocimientos hasta ahora adquiridos en el área de los compuestos, en conjunción con otro tema desde hace mucho tiempo olvidado en nuestro país: la construcción aeronáutica. La primera parte de este proyecto (etapa de desarrollo) trata de la construcción de un prototipo a escala de aeronave ligera biplaza, que pueda cumplir una amplia gama de misiones y sea económica de adquirir y operar. Se realizaron modelos computacionales, planos, modelos reales, pruebas de materiales, creación de moldes, y queda aún por terminar el prototipo final, probarlo y validar nuestros cálculos. Se ha aprendido mucho durante el desarrollo del proyecto, y esperamos que esto sea la base para un desarrollo de la industria de materiales compuestos, así como la primera etapa de la construcción de una aeronave de diseño y construcción puramente nacional.

 

ETAPAS DEL PROYECTO

 

Para cumplir con estos requisitos el perfil aerodinámico seleccionado para los planos de sustentación es el Eppler 420; su principal característica es la gran curvatura que presenta, lo cual le permite alcanzar altos coeficientes de sustentación. En las primeras etapas de diseño de consideró el empleo de un slat de perfil Eppler 421, de características similares al 420 pero con un espesor mayor; sin embargo ya que se desea mantener la simplicidad del diseño se decidió omitirlo, lo cual perjudica la velocidad mínima de aproximación pero facilita la manufactura y reduce el costo final del modelo.

Además, según experiencias, no es necesaria una velocidad de aproximación excesivamente baja, ya que esto implica un ángulo de ataque muy pronunciado, lo cual dificulta la visibilidad al piloto y reduce la precisión del aterrizaje, lo cual anula en cierta medida la ventaja de la baja velocidad. La construcción con materiales compuestos hace posible el uso de este tipo de perfiles, que de otro modo son muy difíciles de construir. Una ventaja adicional de estos perfiles es que tanto el extradós como el intradós con superficies cóncavas, lo cual aumenta la eficiencia estructural. El perfil seleccionado para los flaps es simétrico, en las figuras se presentan las curvas polares (figura 3, corregidas para alargamiento correspondiente a 7.5)con diversos ángulos de deflexión de flaps obtenidas para números de Reynolds correspondientes a las velocidades de operación que se esperan obtener en el prototipo a escala 1:4 radiocontrolado mediante el cual se verificará el desempeño del avión.

 

MODELADO TRIDIMENSIONAL

 

El primer paso de este proyecto consistió es definir el tipo de aeronave que se requería para actividades tanto recreativas, Una disponibles las dimensiones generales del avión se procede al modelado del mismo, lo cual se hizo en tres dimensiones. Esto permite una mejor concepción de las diferentes partes del avión, así como considerar aspectos tales como la ergonomía, configuración y disposición de componentes internos como tanques de combustible, instrumentos, palancas de mando, etc. Además el modelo en tres dimensiones es la fuente para la obtención de los planos y plantillas para la construcción del modelo real, y de proporcionar el modelo geométrico que sirvió de base para generar el elemento de elementos finitos.

 

 

ANÁLISIS ESTRUCTURAL EMPLEANDO EL MÉTODO DE ELEMENTOS

 

La estructura propuesta combina las ventajas de las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, como su alta rigidez y resistencia específicas con la relativa facilidad de adaptarse a curvas caprichosas como las que involucra la geometría propuesta para el avión. Para la construcción de los paneles compuestos se propone emplear sándwich de fibra/epoxi y reforzar las zonas críticas con fibra de carbón. Para las uniones de los mandos con las superficies de control se emplearán varillas con rótulas (push-pull), excepto el timón de dirección, donde el control será ejercido mediante cables. Se empleó un modelo de elementos finitos para analizar las respuesta estructural a las cargas que soportara el modelo en vuelo. (figura 5) El proceso consistió en discretizar el modelo en elementos finitos. Para asignar a cada uno de ellos las propiedades físicas y mecánicas de las partes que representan.

 

 

Uno de los retos en este punto fue la de conseguir la correcta orientación de los ejes de cada elemento, ya que de esto depende la correcta aplicación de las propiedades mecánicas de los materiales, ya que al considerarse ortotrópicos, sus propiedades mecánicas varían en función de la orientación. En la figura 6 se muestran los elementos orientados, acotados con flechas, y se observa la diferencia entre los no orientados. El siguiente paso consiste en restringir y aplicar las cargas al modelo. Los resultados se analizan mediante graficas de contornos, como en la figura 7, la cual muestra la distribución de los esfuerzos de Von-Mises alrededor del avión. Esto permite aplicar un criterio de falla y llegar a la optimización de la estructura.

 

 

PRUEBAS DE LAMINADOS

 

Uno de los aspectos más importantes de este trabajo es el caracterizar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales que se emplean en la construcción del modelo. Los materiales empleados, a pesar de ser comerciales, son muy sensibles al proceso de manufactura al que se sometan cuando se habla de propiedades mecánicas.

Es por eso que se debieron realizar pruebas para los diferentes materiales disponibles. Las probetas para estas pruebas (figura 8) se realizaron empleando el mismo procedimiento que se emplea para los laminados del avión, moldeado con bolsa de vacío. Este proceso consiste en laminar las capas de fibra de vidrio y la resina epóxica sobre los moldes, previa aplicación de una película separadora para evitar la adhesión, para después cubrir el laminado con una bolsa plástica, a la cual se extrae vacío para lograr una impregnación de resina uniforme en la fibra y para lograr que los laminados sigan el patrón geométrico del molde.

 

Una vez terminados los laminados de las probetas, se cortaron al tamaño recomendado, se organizaron y se procedió a la realización de pruebas de tensión (figura 9). Los resultados de dichas pruebas se trataron y agruparon en curvas como la mostrada en la figura 10, con los datos experimentales como puntos y las correlaciones obtenidas mostradas como curvas.

Los datos obtenidos de estas pruebas, como los módulos de elasticidad, de poisson, esfuerzos máximos permisibles en los laminados, puntos de inflexión en la curva esfuerzo deformación son de vital importancia para tener un mayor entendimiento de los materiales y complementan el modelo de elemento finito, pudiendo estimar el comportamiento estructural con mucha mayor precisión que utilizando únicamente datos genéricos publicados para estos materiales.

MANEJO DE LA INFORMACIÓN

 

Durante el desarrollo del proyecto fue necesario crear una base de datos que permitiera manejar la gran cantidad de información requerida. Un ejemplo de ello se da a continuación. El fuselaje consta de varios componentes, y cada componente esta sometido a diferentes esfuerzos, por lo que se le asignan características mecánicas específicas para absorber las cargas a las que se va a someter. Esto se hace variando el tipo, cantidad y orientación de las capas que constituyen los laminados. En la figura 11 se muestra un esquema del fuselaje, donde se muestran los diferentes componentes del fuselajes, agrupados en función de los esfuerzos que soportan. En la tabla b se muestran los datos necesarios para caracterizar las propiedades físicas de cada componente. Además, hace falta otro grupo de propiedades, la mecánicas, que definen al material de cada capa, lo cual implica una gran cantidad de información, que de otro modo sería muy difícil de manejar. Todos estos datos se introducen en el modelo de elemento finito.

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

 

La técnica empleada para la construcción del prototipo demanda el empleo de moldes con la geometría del avión. Para construir estos en necesario construir primero un modelo, de geometría idéntica al prototipo. Debido a las superficies curvas del avión, el modelado es má complicado que para modelos mas tradicionales; al no contar con una máquina de control numérico, se generaron plantillas de cortes transversales del modelo (figura 12) empleando una impresora.

Estas plantillas contenían la información de la forma de las secciones y también guías para la alineación; fueron impresas en papel y se transfirieron a un laminado de madera para darles la rigidez adecuada, tras lo cual sirvieron como guía para cortar secciones transversales de los componentes en espuma de poliestireno de alta densidad. Estas secciones se pegaron una tras otra para formar la geometría de los diferentes componentes del avión (figura 13). Debido a que la espuma de poliestireno es muy suave, se recubrió el modelo con una fina capa de fibra de vidrio para proceder a darle un acabado fino, del cual depende el acabado de los moldes y por ende, de las piezas terminadas. Una vez terminados los componentes se ensamblaron para verificar el reglaje de las superficies, se hicieron los ajustes requeridos y se procedió a dar el acabado definitivo (figura 14).

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CONSTRUCCIÓN DE MOLDES

 

La construcción de los moldes se realizó cubriendo los modelos con una capa de fibra de vidrio no estructural y resina epóxica. La primer capa fue de “tooling”, una resina resistente a la abrasión que además contribuya a un mejor acabado de las piezas terminadas. En las figuras 15, 16 y 17 se presentan los moldes de las principales partes estructurales del prototipo.

CONCLUSIONES

 

•El modelo de elementos finitos permitió cuantificar la magnitud de los esfuerzos en los laminados de los diferentes componentes estructurales considerando las propiedades ortotrópicas de los materiales, lo cual fue la base para definir la combinación de materiales de los laminados.

 

•Las propiedades físicas y mecánicas obtenidas mediante la experimentación demuestran que el proceso de fabricación es consistente, lo cual permite hacer predicciones relativamente precisas del comportamiento estructural del prototipo.

 

•El método de construcción de modelo y molde es adecuado a los recursos disponibles en la entidad, y es posible su ampliación para la aeronave real, así como para otras estructuras de materiales compuestos.

 

•La posibilidad de desarrollar actividades de forma paralela es una clara ventaja del método de manufactura propuesto, y permitió una mayor eficiencia en el manejo de recursos.

 

•La base de datos de los materiales generada servirá como una herramienta para futuros proyectos de diseño en los que se involucren este tipo de materiales.

 

 

 

 

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