La aviación se eleva hacia un futuro más sostenible propulsada por la simulación

A medida que la temperatura media de la superficie de la Tierra sigue aumentando, en gran parte debido al incremento de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) liberadas a la atmósfera, la sostenibilidad sigue siendo una prioridad absoluta para la industria de la aviación actual.

Con los líderes de la aviación prometiendo alcanzar los objetivos de emisiones netas de carbono cero para 2050, los proveedores y los fabricantes de equipos originales (OEM) de la industria aeroespacial y de defensa (A&D) se esfuerzan por adoptar nuevas iniciativas y tecnologías para alcanzar estos objetivos con seguridad.

Una de las iniciativas fomenta la transformación digital para desarrollar sistemas de propulsión más eficientes y avanzados. Al adoptar la transformación digital e integrar la simulación en los flujos de trabajo, los ingenieros pueden diseñar sistemas de propulsión más limpios, rápidos e inteligentes que reduzcan las emisiones de carbono, el uso de materiales y la contaminación acústica.

Desde la propulsión híbrida y eléctrica hasta las tecnologías emergentes impulsadas por hidrógeno o los sistemas tradicionales, la simulación está mejorando el diseño y el desarrollo con confianza, velocidad y precisión predictiva.

Para demostrar cómo la simulación apoya los esfuerzos de sostenibilidad en toda la industria de A&D, Ansys se unirá a los principales líderes de la aviación y a casi 1.500 expositores en el Salón Aeronáutico Internacional de Farnborough, que se celebrará del 18 al 22 de julio en el aeropuerto de Farnborough, en Hampshire, Inglaterra.

Eficacia en la ingeniería gracias a la simulación

La optimización de los sistemas de propulsión requiere un análisis exhaustivo de toda la arquitectura de la aeronave, incluidos los sistemas de baterías, las turbinas de gas, los sistemas de control y las máquinas eléctricas, como los motores o los generadores.

La optimización de cada tipo de sistema de propulsión tiene su propio conjunto de retos.

Propulsión Híbrida y Eléctrica

En los sistemas de propulsión híbridos y eléctricos, algunos de los obstáculos más difíciles son el desarrollo de baterías y pilas de combustible seguras y duraderas, la gestión de la relación peso-potencia y el rediseño del fuselaje para permitir el almacenamiento de energía alternativa.

La simulación multifísica de Ansys puede ayudar en cada una de estas áreas proporcionando información crítica en las primeras fases del proceso de diseño. Por ejemplo, el análisis de elementos finitos (FEA) con software de simulación como Ansys Mechanical puede utilizarse para realizar análisis armónicos para la vibración y análisis térmicos para el control de la temperatura. Del mismo modo, la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede aprovecharse con software como Ansys CFX para mejorar la aerodinámica de los módulos del motor y el fuselaje.

Propulsión por Hidrógeno

Algunos fabricantes de equipos originales están explorando combustibles alternativos, como el hidrógeno, para alcanzar el nivel cero con mayor rapidez. Aunque el hidrógeno es muy prometedor para la aviación, también presenta un conjunto único de desafíos.

Para actualizar los sistemas de propulsión para que funcionen con hidrógeno, es necesario rediseñar la cámara de combustión y el inyector del motor para quemar el hidrógeno de forma segura y eficaz, los tanques de almacenamiento de material compuesto deben ser más ligeros y fiables para almacenar el hidrógeno criogénico a bordo, y los sistemas de refrigeración deben estar instalados y funcionar correctamente para controlar las temperaturas del hidrógeno a alta presión. Y éstas son sólo algunas de las modificaciones que hay que tener en cuenta.

La simulación de Ansys ayuda en cada una de estas áreas ofreciendo:

• + La capacidad de predecir el rendimiento del motor, la temperatura de autoignición, los efectos termoacústicos, el riesgo de retroceso de llama y el reventón de la mezcla.
• + Herramientas de selección de materiales y optimización automatizada del diseño
• + Herramientas de simulación de curado de materiales compuestos de Ansys (ACCS), que permiten a los equipos simular las reacciones termoquímicas y optimizar el proceso de enfriamiento mediante la predicción de las tensiones residuales y las distorsiones inducidas por el proceso durante el curado de las piezas de materiales compuestos

Por ejemplo, el modelado de turbulencia y combustión de alta fidelidad en Ansys Fluent puede utilizarse para rediseñar el sistema de inyección y la cámara de combustión para quemar hidrógeno.

Propulsión Tradicional

Los objetivos principales de los sistemas de propulsión tradicionales -que siguen impulsando casi toda la aviación mundial- son mejorar la eficiencia y el rendimiento, reducir las emisiones y aumentar la fiabilidad y la seguridad.

Estos sistemas de propulsión tradicionales que utilizan turbinas de gas también se benefician de la simulación para seguir el ritmo de las crecientes demandas de cumplimiento de la sostenibilidad y el panorama cambiante de la aviación.

Al incorporar la simulación multifísica de Ansys a los flujos de trabajo, los ingenieros pueden hacer frente a estos retos utilizando el mismo enfoque multidisciplinar para evaluar los componentes térmicos, estructurales, vibratorios y aerodinámicos en toda la aeronave.

Además, como se ha mencionado con otros sistemas, la selección de materiales no sólo influye en la vida útil de un producto, sino también en su reciclabilidad. El software de selección de materiales Ansys Granta Selector permite a los ingenieros y diseñadores elegir los mejores materiales para el éxito del producto y la reducción de riesgos, a la vez que valida los materiales en cuanto a rendimiento y requisitos normativos.

«Para tener éxito en el futuro, la ingeniería debe tener en cuenta la viabilidad y el impacto medioambiental del diseño, la fabricación y el funcionamiento de los productos, así como las nuevas leyes y normativas», afirma Mike Slack, director de cuentas técnicas de Ansys. «Todo esto se reduce a tomar decisiones de ingeniería más inteligentes para cumplir con los nuevos requisitos de diseño, y donde la simulación y la amplia cartera de Ansys pueden prestar una abundante ayuda. Desde la elección de materiales reutilizables sostenibles y el diseño de activos retroadaptables de larga duración hasta el desarrollo de nuevos combustibles y las fuentes de energía que los crean, la simulación proporciona las herramientas para remodelar un futuro más limpio en la aviación.»

Ganando Altitud

La industria de A&D ya se ha disparado a mayores alturas con la ayuda de la simulación. Los líderes de la industria han informado de los importantes impactos de la simulación en el movimiento hacia las emisiones netas cero, incluyendo la reducción del consumo de combustible y la mejora de la densidad de potencia, la eficiencia energética y el tiempo del ciclo de mantenimiento. Además, con la capacidad de la simulación para acelerar la producción y consolidar las tareas, actúa como una herramienta de colaboración, ayudando a los equipos a conectar los diseños, los resultados y entre sí a lo largo del desarrollo.

«La simulación contribuye a crear sistemas de propulsión eficientes y avanzados, ya que permite explorar diseños multidisciplinares y rentables, y conectar las herramientas de modelado de sistemas con los modelos basados en la física, al tiempo que proporciona modelos de análisis de alta fidelidad para juzgar el rendimiento y la seguridad de dichos diseños», afirma Mariano Morales, director técnico de cuentas de Ansys. «De este modo, la simulación ayuda a acortar el proceso de certificación y a conectar los ecosistemas para mejorar radicalmente la colaboración entre los OEM y los proveedores.»