miniatura|vertical=1,35|Modelo de transporte supersónico avanzado (AST) en túnel de viento El proceso de diseño de aeronaves es un método vagamente definido que se utiliza para equilibrar muchos requisitos competitivos y exigentes con el fin de producir una aeronave que sea resistente, ligera, económica y capaz de transportar una carga útil adecuada, al tiempo que sea lo suficientemente fiable como para volar con seguridad durante la vida útil prevista de la aeronave. Similar al habitual proceso de diseño en ingeniería, pero más exigente, la técnica es muy iterativa e implica compensaciones de configuración de alto nivel, una combinación de análisis y pruebas y el examen detallado de la idoneidad de cada parte de la estructura. Para algunos tipos de aeronaves, el proceso de diseño está regulado por las autoridades de aeronavegabilidad civil.
Este artículo trata sobre aeronaves propulsadas, como los diseños de aviones y helicópteros.
Restricciones de diseño Finalidad El proceso de diseño comienza con la finalidad prevista de la aeronave. Los aviones comerciales están diseñados para transportar pasajeros o carga, con un largo alcance y una mayor eficiencia de combustible, mientras que los aviones de combate están diseñados para realizar maniobras a alta velocidad y proporcionar apoyo cercano a las tropas terrestres. Algunas aeronaves tienen misiones específicas, por ejemplo, los aviones anfibios tienen un diseño único que les permite operar tanto en tierra como en agua, algunos cazas, como el Harrier jump jet, tienen capacidad VTOL (despegue y aterrizaje vertical), los helicópteros tienen la capacidad de flotar sobre un área durante un período de tiempo.
El objetivo puede ser cumplir un requisito específico, como en el caso histórico de las especificaciones del Ministerio del Aire británico, o cubrir una «brecha en el mercado» percibida, es decir, una clase o diseño de aeronave que aún no existe, pero para la que habría una demanda significativa.
Normativa aeronáutica Otro factor importante que influye en el diseño son los requisitos para obtener un certificado de tipo para un nuevo diseño de aeronave. Estos requisitos son publicados por las principales autoridades nacionales de aeronavegabilidad, incluyendo la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos y la Agencia Europea de Seguridad Aérea.
Los aeropuertos también pueden imponer límites a las aeronaves, por ejemplo, la envergadura máxima permitida para una aeronave convencional es de para evitar colisiones entre aeronaves durante el rodaje.
Factores financieros y mercado Las limitaciones presupuestarias, los requisitos del mercado y la competencia imponen restricciones al proceso de diseño y constituyen las influencias no técnicas en el diseño de aeronaves, junto con los factores medioambientales. La competencia lleva a las empresas a esforzarse por lograr una mayor eficiencia en el diseño sin comprometer el rendimiento e incorporando nuevas técnicas y tecnologías.
En los años 50 y 60, se fijaban regularmente objetivos de proyecto inalcanzables, que luego se abandonaban, mientras que hoy en día programas problemáticos como el Boeing 787 y el Lockheed Martin F-35 Lightning II han resultado mucho más costosos y complejos de desarrollar de lo previsto. Se han desarrollado herramientas de diseño más avanzadas e integradas. La ingeniería de sistemas basada en modelos predice interacciones potencialmente problemáticas, mientras que el análisis computacional y la optimización permiten a los diseñadores explorar más opciones en las primeras fases del proceso. El aumento de la automatización en la ingeniería y la fabricación permite un desarrollo más rápido y económico. Los avances tecnológicos, desde los materiales hasta la fabricación, permiten variaciones de diseño más complejas, como las piezas multifuncionales. Antes imposibles de diseñar o construir, ahora pueden imprimirse en 3D, pero aún deben demostrar su utilidad en aplicaciones como el Northrop Grumman B-21 Raider o los A320neo y Northrop Grumman B-21 Raider con motores renovados. Airbus y Boeing también reconocen las limitaciones económicas, ya que la próxima generación de aviones comerciales no puede costar más que las anteriores. Factores medioambientales El aumento del número de aviones también supone un incremento de las emisiones de carbono. Los científicos medioambientales han expresado su preocupación por los principales tipos de contaminación asociados a los aviones, principalmente el ruido y las emisiones. Los motores de los aviones han sido históricamente conocidos por generar contaminación acústica, y la expansión de las vías aéreas sobre ciudades ya congestionadas y contaminadas ha suscitado fuertes críticas, lo que ha hecho necesario adoptar políticas medioambientales para el ruido de los aviones. El ruido también proviene del fuselaje, donde se modifican las direcciones del flujo de aire. La mejora de la normativa sobre ruido ha obligado a los diseñadores a crear motores y fuselajes más silenciosos. Las emisiones de los aviones incluyen partículas, dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2), monóxido de carbono (CO), diversos óxidos de nitratos e hidrocarburos sin quemar. Para combatir la contaminación, la OACI estableció en 1981 una serie de recomendaciones para controlar las emisiones de los aviones.(véase http://www.icao.int/environmental-protection/Documents/Publications/FINAL. Doc%209889.1st%20Edition.alltext.en.pdf para consultar el manual actualizado. Se han desarrollado nuevos combustibles respetuosos con el medio ambiente y el uso de materiales reciclables en la fabricación han contribuido a reducir el impacto ecológico de los aviones. Las limitaciones medioambientales también afectan a la compatibilidad de los aeródromos. Los aeropuertos de todo el mundo se han construido para adaptarse a la topografía de cada región. Las limitaciones de espacio, el diseño del pavimento, las zonas de seguridad al final de las pistas y la ubicación única del aeropuerto son algunos de los factores aeroportuarios que influyen en el diseño de las aeronaves. Sin embargo, los cambios en el diseño de las aeronaves también influyen en el diseño de los aeródromos. Por ejemplo, la reciente introducción de nuevas aeronaves de gran tamaño (NLA), como el superjumbo Airbus A380, ha llevado a los aeropuertos de todo el mundo a rediseñar sus instalaciones para adaptarse a su gran tamaño y a sus requisitos de servicio. Seguridad Las altas velocidades, los depósitos de combustible, las condiciones atmosféricas a altitudes de crucero, los peligros naturales (tormentas eléctricas, granizo y colisiones con aves) y los errores humanos son algunos de los muchos peligros que suponen una amenaza para el transporte aéreo.
La aeronavegabilidad es la norma por la que se determina que una aeronave es apta para volar. La responsabilidad de la aeronavegabilidad recae en los organismos reguladores de la aviación civil nacionales, los fabricantes, así como en los propietarios y operadores.
La Organización de Aviación Civil Internacional establece normas internacionales y prácticas recomendadas en las que las autoridades nacionales deben basar sus reglamentos. Las autoridades reguladoras nacionales establecen las normas de aeronavegabilidad, expiden certificados a los fabricantes y operadores y fijan las normas de formación del personal. Cada país tiene su propio organismo regulador, como la Administración Federal de Aviación en Estados Unidos, la DGCA (Dirección General de Aviación Civil) en India, etc.
El fabricante de la aeronave se asegura de que esta cumpla con las normas de diseño existentes, define las limitaciones operativas y los programas de mantenimiento, y proporciona asistencia y mantenimiento durante toda la vida útil de la aeronave. Los operadores de aviación incluyen las líneas aéreas de pasajeros y carga, las fuerzas aéreas y los propietarios de aeronaves privadas. Estos se comprometen a cumplir las normas establecidas por los organismos reguladores, comprender las limitaciones de la aeronave especificadas por el fabricante, informar de los defectos y ayudar a los fabricantes a mantener las normas de aeronavegabilidad.
La mayoría de las críticas al diseño en la actualidad se basan en la resistencia a los choques. Incluso prestando la máxima atención a la aeronavegabilidad, siguen produciéndose accidentes. La resistencia a los choques es la evaluación cualitativa de cómo sobreviven las aeronaves a un accidente. El objetivo principal es proteger a los pasajeros o la valiosa carga de los daños causados por un accidente. En el caso de los aviones comerciales, el revestimiento sometido a tensión del fuselaje presurizado proporciona esta característica, pero en caso de impacto en el morro o la cola, se producen grandes momentos flectores en todo el fuselaje, lo que provoca fracturas en el casco y hace que el fuselaje se rompa en secciones más pequeñas. Por lo tanto, los aviones de pasajeros están diseñados de tal manera que los asientos están alejados de las zonas que pueden verse afectadas en caso de accidente, como las proximidades de la hélice, la góndola del motor, el tren de aterrizaje, etc. El interior de la cabina también está equipado con dispositivos de seguridad, como máscaras de oxígeno que se activan en caso de pérdida de presión en la cabina, compartimentos para equipaje con cerradura, cinturones de seguridad, chalecos salvavidas, puertas de emergencia y tiras luminosas en el suelo. A veces, los aviones se diseñan teniendo en cuenta la posibilidad de un aterrizaje en el agua de emergencia. Por ejemplo, el Airbus A330 cuenta con un interruptor de «amerizaje» que cierra las válvulas y aberturas situadas debajo del avión para ralentizar la entrada de agua. Optimización del diseño Los diseñadores de aeronaves suelen esbozar el diseño inicial teniendo en cuenta todas las limitaciones del mismo. Históricamente, los equipos de diseño solían ser pequeños, normalmente dirigidos por un diseñador jefe que conocía todos los requisitos y objetivos del diseño y coordinaba al equipo en consecuencia. Con el paso del tiempo, la complejidad de los aviones militares y comerciales también aumentó. Los proyectos de diseño militar y aéreo modernos son de tal envergadura que cada aspecto del diseño es abordado por diferentes equipos y luego se unen. En la aviación general, un gran número de aviones ligeros son diseñados y construidos por aficionados y entusiastas.
Diseño de aeronaves asistido por ordenador
En los primeros años del diseño de aeronaves, los diseñadores solían utilizar la teoría analítica para realizar los diversos cálculos de ingeniería que forman parte del proceso de diseño, junto con muchos experimentos. Estos cálculos requerían mucho trabajo y tiempo. En la década de 1940, varios ingenieros comenzaron a buscar formas de automatizar y simplificar el proceso de cálculo y se desarrollaron muchas relaciones y fórmulas semiempíricas. Incluso después de la simplificación, los cálculos seguían siendo extensos. Con la invención del ordenador, los ingenieros se dieron cuenta de que la mayoría de los cálculos podían automatizarse, pero la falta de visualización del diseño y la enorme cantidad de experimentación que requería mantuvieron estancado el campo del diseño de aeronaves. Con el auge de los lenguajes de programación, los ingenieros pudieron escribir programas adaptados al diseño de aeronaves. Originalmente, esto se hacía con ordenadores centrales y se utilizaban lenguajes de programación de bajo nivel que requerían que el usuario dominara el lenguaje y conociera la arquitectura del ordenador. Con la introducción de los ordenadores personales, los programas de diseño comenzaron a emplear un enfoque más fácil de usar. Aspectos del diseño Los aspectos principales del diseño de aeronaves son: Aerodinámica Propulsión Controles Masa Estructura