Una empresa de servicios de ingeniería aeroespacial utiliza Simcenter STAR-CCM+ para reducir el coste de certificación de las aeronaves

Certificablemente más barato

«Nuestro objetivo era tener el programa de pruebas de vuelo más aburrido del mundo», afirma Wayne Tygert, ingeniero jefe de Boeing, al describir uno de los programas de vuelo de prueba del 787-10 Dreamliner utilizados para la certificación.

Aburrido no suele ser la primera palabra que viene a la mente al referirse a un proceso que supuso 900 horas con tres aviones de prueba, miles de reglamentos, más de 4000 documentos y millones de dólares. ¿Qué es el 787-10? Una simple ampliación en la sección media del modelo 787-9 ya certificado para dar cabida a 40 pasajeros más. El nuevo diseño del 787 Dreamliner original tardó ocho años desde la solicitud hasta la certificación. Acumuló 645 horas de vuelo en pruebas de vuelo, más de 200 000 horas de los expertos de la Administración Federal de Aviación (FAA) y un coste de certificación mucho mayor.

Aunque ha propiciado el modo de transporte más seguro obtener la certificación de una aeronave, ya sea nueva o modificada, es un proceso largo, costoso y burocrático. Desde los aviones más grandes de la historia hasta los pequeños biplaza de acero y tela, todas las aeronaves necesitan demostrar su aeronavegabilidad y conformidad y obtener la certificación de las autoridades reguladoras antes de poder volar.

El enorme coste de la certificación

Se calcula que la certificación cuesta 1 millón de dólares para una aeronave de categoría básica (tres plazas o menos), 25 millones de dólares para una aeronave de aviación general y más de 100 millones de dólares para una aeronave comercial. Los costes de certificación y los retrasos pueden ascender a millones de dólares y llegar a costar tanto como el desarrollo de la aeronave. A menudo, este proceso es crucial para decidir los beneficios o las pérdidas.

Se suelen producir retrasos en los programas, fechas de entrega incumplidas, sobrecostes y problemas de seguridad debidos a que los diseños no satisfacen los requisitos de certificación y requieren costosos rediseños y pruebas de vuelo. ¿Cómo reducir los costes y el tiempo de certificación? ¿Puedes disminuir las costosas pruebas sin dejar de demostrar la aeronavegabilidad?

Con 45 años de experiencia en diseño, desarrollo y certificación de aeronaves, Robert Lind y Andrew McComas, de TLG Aerospace, no son ajenos a estos retos. Su modesta oficina, situada en la planta de un sencillo edificio de seis pisos en el lago Union de Seattle, oculta la experiencia y los conocimientos técnicos de clientes que se cuentan entre los nombres más destacados de la aviación moderna. TLG Aerospace ha ayudado a numerosos clientes a obtener la certificación de la FAA en EE.UU. a bajo coste y en poco tiempo, algo que han conseguido con sorprendente eficacia.

Certificación por análisis

La certificación de aeronaves de la FAA consta de tres fases: certificación de diseño, certificación de producción y certificación de aeronavegabilidad. La fase de certificación del diseño implica la aprobación de la seguridad, operatividad y durabilidad del diseño, con un certificado de tipo para los diseños nuevos y uno de tipo suplementario para los diseños modificados. La fase de certificación de producción da la aprobación para fabricar piezas, componentes y sistemas; por su parte, la fase de certificación de aeronavegabilidad da la aprobación para utilizar la aeronave.

El proceso es similar para otras agencias reguladoras de todo el mundo. La FAA exige la certificación por prueba o por análisis validado por prueba. La industria denomina este proceso certificación por análisis. Estos análisis se realizan utilizando un modelo de vehículo completo que se valida mediante una prueba de vuelo en un rango específico del envolvente de vuelo, según lo acordado previamente por la autoridad de certificación. El modelo de vehículo completo incluye:

• Aerodinámica: una combinación de dinámica computacional de fluidos (CFD), métodos de orden bajo, túnel del viento y análisis manual validados por mediciones de presión y deformación en pruebas de vuelo
• Estructuras: análisis de elementos finitos (FEA) y cálculos manuales validados mediante pruebas de vibración del suelo (GVT) y prueba de carga estática en el suelo
• Propiedades de masa: diseño asistido por ordenador (CAD) y contabilidad de pesos validada por pesaje
• Controles de vuelo: leyes de controles de vuelo validadas mediante simulación integrada y pruebas de vuelo

El modelo integrado de todo el vehículo se valida en última instancia mediante la prueba de vuelo y debe demostrar que es exacto o conservador. Las autoridades de certificación garantizan que el análisis dará un resultado seguro. El fabricante de equipos originales (OEM) suele preocuparse por limitar el conservadurismo para evitar el exceso de peso y la pérdida de rendimiento.

El enfoque de TLG Aerospace para la certificación con CFD

«Ha cambiado el equilibrio entre la cantidad de análisis que se pueden hacer y la cantidad que se puede utilizar en el proceso de certificación», afirma Robert Lind, director de Ingeniería, representante designado de ingeniería (DER) de analistas de vuelo de la FAA, DER de vibración de la FAA, TLG Aerospace. «Es un avance realmente increíble en los 30 años que llevo en la industria. A medida que los códigos de CFD y los ordenadores han incrementado su capacidad, podemos certificar más deprisa y a un coste menor».

La mayor parte del trabajo de Lind consiste en conseguir que los clientes escriban la certificación con análisis. Como uno de los cuatro DER residentes de TLG Aerospace, puede firmar determinadas funciones de certificación en nombre de la FAA. TLG Aerospace utiliza el software Simcenter STAR-CCM+™ de Siemens Digital Industries Software para el análisis de CFD y el software MSC Nastran® para el análisis de elementos finitos a fin de desarrollar modelos de certificación de vehículos completos para cargas, vibración y cualidades de manejo, modelados adecuadamente de todo el envolvente de vuelo.

Andrew McComas, director de Ingeniería y Aerodinámica de TLG Aerospace, indica: «Utilizamos Simcenter STAR-CCM+ en un entorno de certificación que es diferente del diseño. La CFD es esencial en el proceso de certificación. No utilizamos la CFD para obtener una respuesta validada por la FAA, sino para construir un modelo a escala real de aeronave/estructura/control, de modo que podamos simular la respuesta del vehículo y producir información sobre carga y manejo».

Para certificar una nueva aeronave, se requiere una base de datos aerodinámica. Para construir toda la base de datos de análisis, sería necesario disponer en poco tiempo de los datos de cientos de miles de condiciones. Las propiedades aerodinámicas del vehículo se calculan en el diseño y en los extremos del envolvente de vuelo mediante CFD. Los resultados de la CFD se asignan a un modelo aerodinámico de orden reducido dentro del proceso aeroelástico. TLG Aerospace calibra el modelo aeroelástico para desarrollar soluciones aeroelásticas de todo el vehículo que se apoyan en la CFD rígida. El modelo aeroelástico final reproducirá la aerodinámica integrada y distribuida del vehículo completo en modo rígido y dará una solución aeroelástica convergente en segundos.

Las predicciones se han establecido para demostrar que se cumplen las normas en determinadas condiciones. A continuación, las pruebas de vuelo validan los modelos de análisis. Esta validación puede limitarse a algo menos que todo el envolvente de vuelo para reducir el riesgo de las pruebas en vuelo. Una vez que se ha validado, puede utilizarse para demostrar el cumplimiento en otras condiciones de vuelo. Disponer de un modelo de prueba previo al vuelo de alta fidelidad reduce considerablemente la cantidad de ajustes y calibraciones necesarios del modelo de prueba posteriores al vuelo.

Reducir el coste de la certificación con Simcenter STAR-CCM+

McComas atribuye a Simcenter STAR-CCM+ y a Amazon Web Services (AWS) el gran avance en la reducción de costes de certificación.

«Simcenter STAR-CCM+ funciona de forma robusta, precisa y repetida con procesos sencillos y buenas prácticas», afirma McComas. «Eso ha dado a las empresas confianza en que el código puede utilizarse como fuente para la generación de bases de datos aeronáuticas. La informática flexible de AWS con la licencia Power On Demand de Siemens permite ejecutar varias simulaciones en más de un clúster a la vez de forma segura y en la nube. Si no contáramos con el modelo de licencia POD, no tendríamos la posibilidad de aprovechar al máximo los recursos de la informática flexible y tendríamos más costes derivados de las licencias anuales».

En resumen, toda la base de datos aeronáutica se construye en menos tiempo y con licencias rentables. ¿La ventaja añadida? Reducir las pruebas de túnel de viento.

¿CFD o túnel de viento? La respuesta es ambas. Con experiencia en más de 100 campañas de pruebas en túneles de viento a baja y alta velocidad, TLG Aerospace posee un importante bagaje experimental en pruebas. Así pues, ¿las pruebas de túnel de viento han caído en desgracia? En absoluto.

En lenguaje coloquial, el túnel de viento continúa siendo el rey, pero cada vez delega más funciones en la CFD. Las pruebas se siguen utilizando en el desarrollo de bases de datos aeronáuticas para nuevas configuraciones de aeronaves. Sin embargo, la CFD complementa las pruebas en algunas condiciones y sustituye a las pruebas en otras, lo que supone un enorme ahorro. La Imagen 4 es una comparación teórica de los códigos de CFD heredados y Simcenter CFDSTAR-CCM+ con las pruebas de túnel de viento, según TLG Aerospace. Por una inversión mínima, Simcenter STAR-CCM+ puede reducir y sustituir algunos requisitos de las pruebas. Teniendo en cuenta el índice de uso y el coste de los modelos para las pruebas de túnel de viento, esto puede traducirse en un importante ahorro de tiempo y costes.

Las pruebas de túnel de viento siguen siendo las más adecuadas para los regímenes de separación incipiente, como el análisis de los ángulos de ataque elevados y el manejo del deslizamiento lateral. La CFD funciona mejor en ángulos de ataque moderados e investigaciones detalladas del campo de flujo.

«Hoy en día, se pueden ejecutar grandes bases de datos en Simcenter STAR-CCM+ por una fracción del coste, el programa de métodos heredados y las pruebas de túnel de viento», afirma McComas. «Hace tan solo una década, todo esto era imposible».

Con la informática flexible y las licencias en la nube, no hay limitaciones técnicas para ejecutar simultáneamente un gran número de casos de CFD. TLG Aerospace también puede realizar con regularidad simulaciones de gran tamaño y totalmente detalladas. La mayoría de los modelos se ejecuta en menos de una hora sea cual sea su tamaño, algo que antes era imposible.

Gracias a la informática flexible con AWS, TLG Aerospace ahorra un 75% del coste total por simulación CFD. La tecnología que hay detrás de esto es Amazon EC2 Spot Instances, una oferta de Amazon para emplear la capacidad informática no utilizada en la nube de AWS con grandes descuentos.

La CFD no es un recurso para la certificación que solo es válido una vez

Las modificaciones y ampliaciones de las aeronaves con certificación de tipo afectarán a la normativa. Llevar los fuselajes antiguos a los límites del envolvente de vuelo con nuevas modificaciones es peligroso, caro y lleva mucho tiempo. La FAA permite la CFD como medio para demostrar que la conformidad de la aeronave original no ha cambiado debido a las modificaciones. Empresas como TLG Aerospace han adoptado la CFD sin reservas y la utilizan para generar datos y argumentos de apoyo que demuestren el cumplimiento.

«Antes, los ingenieros tenían que ir a las pruebas sin cuestionar las modificaciones realizadas. Ahora, la CFD proporciona los datos para intentar eliminar algunos requisitos de las pruebas», dice McComas.

Otras aplicaciones de CFD en certificación son la carga de presión en estructuras secundarias, carenados, antenas y radomos, acumulación de hielo, localización de sistemas de datos aéreos, flujos internos, alas y mucho más.

A continuación, se plantea este escenario: Imagina que se fija un nuevo radomo a la aeronave. Para cumplir la normativa, el fabricante tiene que demostrar que, si la estructura se desprende de la aeronave, se separará de forma segura sin sufrir repercusiones negativas. Romper un radomo en una prueba de vuelo de manera que salga bien sumamente difícil. Existen retos similares al demostrar que la formación de hielo en la nueva estructura no afecta al cumplimiento ni a la seguridad operativa.

«La única opción viable en este caso es utilizar un análisis validado para demostrar que la estructura cumple los criterios de separación segura» asegura McComas. «TLG Aerospace considera que Simcenter STAR-CCM+ ofrece todas las herramientas necesarias para hacer estos cálculos sin usar otro software de terceros».

Además, la avalancha de aviones nuevos e innovadores, como los drones y los taxis aéreos, los aviones militares, los supersónicos renacidos y otros, también se beneficiarán de la certificación por análisis.

La «C» de CFD es sinónimo de certificación

«Simcenter STAR-CCM+ ha contribuido a la obtención de numerosos certificados aprobados por la FAA», afirma McComas. «Tiene un rol esencial en todos los programas de certificación de TLG Aerospace».

Es poco probable que la CFD sustituya por completo a las pruebas de túnel de viento porque los ordenadores, los códigos y las licencias evolucionan continuamente. No obstante, el rol de la CFD en la certificación no hará sino aumentar para complementar y suplementar las pruebas de vuelo.

Por ahora, empresas como TLG Aerospace han encontrado en la CFD un medio fiable para la certificación, que puede hacer el trabajo pesado de demostrar la conformidad en los extremos del envolvente de vuelo, reducir el número de condiciones de las pruebas de vuelo, permitir pruebas con cargas más bajas y predecir los peligros potenciales de las pruebas. Las licencias y la informática flexibles consolidan aún más los argumentos a favor de la certificación por análisis.

«Ahora podemos aspirar a proyectos de mayor alcance, ser más competitivos, repercutir el ahorro en nuestros clientes y hacer mucho más con nuestro dinero», dice McComas.