Embraer utiliza la simulación para lanzar sus aviones más rápido
“Vamos a lanzar un rayo artificial a un avión a ver qué pasa”
Aunque parezca una de esas afirmaciones que nadie ha dicho nunca, lo cierto es lo contrario. Los fabricantes de aviones llevan años sometiendo prototipos de sus aviones a las transitorias eléctricas equivalentes a un rayo para ver qué les pasa a los equipos eléctricos.
En el mejor de los casos, no pasa nada. Y eso es bueno, porque los aviones son alcanzados por rayos reales con más frecuencia de lo que se piensa. Según una estimación, todos los aviones de la flota comercial estadounidense son alcanzados por un rayo más de una vez al año. Como el avión está bien diseñado, ninguno de sus componentes electrónicos se verá afectado por un impulso de alta energía que recorra los kilómetros de cables del avión. No se producirá ningún incendio debido a la formación de arcos voltaicos en los puntos de conexión de los cables. Nadie en el avión resultará herido, muerto o incluso conmocionado por este suceso.
Sin embargo, utilizar un prototipo de avión para validar su capacidad de sobrevivir a un rayo es costoso, y las pruebas pueden tardar semanas en completarse, incluso cuando todas las pruebas se desarrollan sin contratiempos. El prototipo, estacionado en un hangar y repleto de sensores electromagnéticos desde el morro hasta la cola, permanece inmovilizado durante el tiempo necesario para completar las pruebas. Las demás pruebas programadas simplemente tienen que esperar hasta que finalicen las pruebas de certificación de los rayos. Si las pruebas de certificación revelan problemas -que los sistemas electrónicos críticos podrían resultar dañados o que la caída de un rayo en el ala podría provocar la explosión del depósito de combustible-, la empresa podría verse obligada a realizar correcciones y rediseños del producto que podrían resultar muy costosos, y perder semanas o meses de tiempo de desarrollo.
Por todas estas razones, el fabricante brasileño de aviones Embraer se esfuerza por realizar la mayor parte posible de sus pruebas de certificación de efectos indirectos de los rayos mediante simulación. Utilizando Ansys EMC Plus (antes Ansys EMA3D Cable), los ingenieros de desarrollo de productos de Embraer pueden realizar todas las pruebas críticas in silico – junto con pruebas adicionales «what-if» – que serían necesarias para verificar un avión para la certificación de rayos. De este modo, la empresa puede lanzar un avión al mercado más rápidamente y a un coste notablemente inferior.
Probar el avión antes de que exista
Embraer es el tercer mayor fabricante de aviones comerciales del mundo y ha producido más de 8.000 aviones en los últimos 50 años. Conocida por su innovación y su sólida ingeniería, no es de extrañar que Embraer haya adoptado la simulación. EMC Plus proporciona a los ingenieros de Embraer una herramienta de simulación de modelado electromagnético de cables a nivel de plataforma especializada en el análisis de efectos electromagnéticos (EM) inducidos por rayos, así como problemas de EMI/EMC de cables para respaldar la certificación EMC.
«Utilizamos Ansys EMC Plus para calcular los niveles de inducción en los cables durante un rayo», explica Rodrigo Freire, ingeniero de desarrollo de productos de Embraer. «Para obtener la certificación para entregar un nuevo avión, tenemos que demostrar que los niveles de inducción que aparecen en la interfaz de cada dispositivo están dentro de los límites aceptables durante un acoplamiento de rayo».
Si el objetivo final de la simulación suena como el objetivo final de las pruebas físicas, está en lo cierto. Ambos enfoques deben demostrar que un rayo no provocará fallos en la electrónica ni en la estructura del avión. La diferencia es que el equipo de Embraer ni siquiera necesita el avión físico para empezar a analizar si esos niveles de inducción estarán dentro de los límites aceptables.
De hecho, Embraer ha descubierto que es mejor para todo el proceso de desarrollo que la simulación tenga lugar antes de construir un prototipo. De ese modo, si la simulación descubre problemas, los diseñadores del avión pueden resolverlos antes de que se construya el avión y esas modificaciones se vuelvan mucho más complicadas.
«En las últimas fases del diseño, sería muy difícil mover un mazo de cables o utilizar un componente diferente», añade José Mariano, otro ingeniero de diseño de productos de Embraer. «No son situaciones a las que nos gustaría enfrentarnos en ese momento».
El reto de probar grandes modelos
El reto de simular el impacto de un rayo y sus efectos es que, en última instancia, hay que examinar toda la estructura del avión, y eso no es algo que todas las herramientas de simulación puedan hacer con facilidad o fiabilidad. Un rayo puede clavarse en las extremidades de un avión y atravesar todo el cableado y el material conductor entre los dos puntos de clavado en fracciones de segundo. EMC Plus ofrece a Embraer la posibilidad de trabajar tanto con los modelos más pequeños como con los más grandes que se necesiten. Permite a los ingenieros importar información sobre cables y arneses de herramientas como Zuken y Capital Harness; integra esos datos con dibujos CAD de fuselajes y placas de circuitos impresos (PCB) de Ansys Mechanical. A continuación, los ingenieros pueden realizar simulaciones de todo tipo, desde el efecto de un accesorio de iluminación en interfaces específicas o materiales concretos hasta el efecto de ese accesorio en todo el avión.
Algunas simulaciones se realizan en unas pocas horas, mientras que otras se completan en varios días. De hecho, al poder realizar muchas más pruebas en un periodo de tiempo relativamente corto, Embraer obtiene información más rápidamente de lo que normalmente ocurriría si la única opción fueran las pruebas físicas.
«Es posible que hagamos varias simulaciones con uno o dos diseños para ver cómo afectan los ajustes al rendimiento», señala Mariano.
Si Embraer se basara exclusivamente en pruebas físicas de la respuesta de un componente a los rayos, resultaría difícil explorar de la misma manera tales optimizaciones de diseño, ya que lleva más tiempo y dinero construir, probar, reconstruir y volver a probar un modelo físico. La simulación permite a Embraer realizar estas pruebas comparativas en una fase temprana del ciclo de diseño, lo que permite a los ingenieros trabajar de forma más eficiente de lo que podrían hacerlo de otro modo.
Algunas estimaciones atribuyen el uso de la simulación para apoyar la certificación completa de EMC y EMI a un ahorro de costes de millones de dólares.
La física valida la simulación
En Embraer, las pruebas físicas siguen desempeñando un papel en la certificación de los rayos, pero no el mismo que antes. Hoy en día, se pueden realizar pruebas físicas a menor escala como punto de referencia con el que comparar los resultados de la simulación. Embraer ha sido capaz de mostrar una alta correlación entre sus resultados simulados y los capturados en las pruebas físicas de referencia, lo que inspira un alto nivel de confianza en que otros resultados de simulación coincidirían con los resultados de las pruebas físicas que se ejecutaron.
«Tenemos que hacer un cierto número de suposiciones cuando realizamos simulaciones», dice Freire, «pero también tenemos que hacer muchas suposiciones cuando realizamos pruebas físicas. Los resultados de las pruebas no siempre coinciden con las condiciones exactas que se preveían para un avión que sufriera un determinado impacto de rayo, pero con el tiempo hemos desarrollado una idea bastante aproximada de lo que cabe esperar. Nuestras simulaciones utilizan las mismas características normalizadas de los rayos -por ejemplo, amplitud y tiempo de subida- que son importantes a la hora de analizar y prever con precisión los efectos en los equipos electrónicos.
«Tenemos que demostrar que el avión seguirá funcionando en las condiciones electromagnéticas extremas a las que la naturaleza puede someter a un avión», prosigue Freire. «Mientras las simulaciones puedan captar los transitorios de los rayos tan bien como lo harían las pruebas físicas, y mientras los equipos demuestren que pueden soportar esos niveles, entonces cumpliremos las normas que se exigen para la certificación.»
Al final, el uso de la simulación por parte de Embraer para conseguir la certificación EMI y EMC puede estar demostrando lo mismo que siempre han demostrado las pruebas físicas: que sus aviones son seguros y están bien diseñados, que la carga y los pasajeros estarán seguros y que los rayos no causarán problemas cuando se produzcan, no si se producen. Pero el uso de EMC Plus por parte de Embraer también está demostrando algo más: que la simulación puede reducir drásticamente el tiempo y el coste de sacar al mercado un avión nuevo de alta calidad, y esa es una ventaja que ha hecho que los fabricantes de aviones de todo el mundo se pongan manos a la obra.
