Empleo de aviones instrumentados como herramienta para la docencia en la ingeniería aeroespacial

Transcripción

1 Empleo de aviones instrumentados como herramienta para la docencia en la ingeniería aeroespacial Félix Arévalo 1, Victoria Lapuerta 1 y Miguel A. González 2 1 Departamento de Fundamentos Matemáticos DE la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos. Universidad Politécnica de Madrid 2 Departamento de de Vehículos Aeroespaciales de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos. Universidad Politécnica de Madrid RESUMEN En este trabajo se presentan un proyecto de empleo de aviones instrumentados para su empleo en la docencia de ingeniería aeroespacial, que ha arrancado a lo largo del curso 2008/09, dentro del proyecto de innovación educativa Mejora del proceso educativo en el área de de la Ingeniería Aeroespacial financiado por la Universidad Politécnica de Madrid y en colaboración con la empresa Airbus Military AM. Desde el inicio del curso 2008/09 se han llevado a cabo distintas acciones en paralelo dirigidas a un colectivo de alumnos de segundo ciclo y a alumnos de nuevo ingreso de la carrera de Ingeniero Aeronáutico en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Palabras clave: Aeromodelo, innovación educativa, motivación del alumnado. 1. INTRODUCCIÓN La formación de Ingeniero Aeronáutico requiere de una base teórica importante. La mayoría de las Universidades europeas, incluyendo la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), mantienen un nivel alto de exigencia en este sentido. Sin embargo, es necesario completar la enseñanza con aplicaciones prácticas que permitan al alumno aplicar los conocimientos y adquirir una visión realista y global de un proyecto de ingeniería. La Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos (ETSIA) ha hecho un esfuerzo importante en este sentido y la mayor parte de las asignaturas troncales se completan con prácticas que completan lo enseñado en clases teóricas. El proyecto de aviones instrumentados que se presenta en este artículo da un paso más y pretende integrar los conocimientos del alumno en el desarrollo y puesta a punto del producto final, es decir, el avión. El avión es un producto multidisciplinar que debe por tanto aunar todas las disciplinas que se imparten durante la carrera. Los aeromodelos son asequibles para las Universidades y pueden utilizarse como demostradores a escala similares a los prototipos en la Industria Aeronáutica. Este proyecto pretende utilizar aeromodelos como plataformas para realizar ensayos en tierra y vuelo. Los ensayos en tierra incluirán la caracterización aerodinámica y estructural (ensayos estáticos y dinámicos). Por otro lado, los ensayos en vuelo se realizarán con la instrumentación adecuada y las medidas serán registradas en tiempo real mediante telemetría. En una primera fase, los aeromodelos utilizados serán adquiridos entre la oferta actual del mercado, aunque en fases posteriores se pretende abordar el diseño y fabricación de aviones instrumentados que cumplan unos requisitos determinados (carga de pago, autonomía, etc.) que los aeromodelos actuales no cumplen debido a que no los tienen como objetivo. Otra característica esencial del proyecto es la colaboración con la industria a través de la empresa Airbus Military AM. Airbus AM tiene su sede en Getafe (Madrid), y es responsable del diseño, fabricación y certificación de aviones como el A400M (futuro avión de transporte militar), aviones de transporte ligero como el C-212, CN-235, o C- 295, o aviones de reabastecimiento en vuelo como el A330-MRTT que incluye el sistema de reabastecimiento con pértiga o boom. Airbus AM colaborará con su amplia experiencia en la definición de los ensayos a realizar en el aeromodelo, dando soporte en la definición de la instrumentación y proponiendo metodologías y herramientas que se utilizan en la actualidad en el diseño de las aeronaves. La colaboración se materializará en distintas conferencias que realizarán los especialistas de Airbus AM durante las distintas fases del Proyectos anteriores ([1] y [2]) ya han contado con la colaboración de

2 estos especialistas y la valoración de los alumnos ha sido muy positiva. En este caso, las conferencias serán similares pero orientadas al caso práctico del aeromodelo. Esta colaboración con la empresa permitirá añadir un carácter eminentemente práctico al aeromodelo, podrá orientar a los alumnos en su vocación y será foro de colaboración Universidad- Empresa del que podrán emerger futuros proyectos de investigación aplicada. 2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El proyecto consiste en el desarrollo de aviones instrumentados para su uso como demostradores. En una primera fase, se desarrollará un avión instrumentado basado en la plataforma de un aeromodelo ya existente. Para ello, se ha realizado un proceso de selección de aeromodelos en el que han participado alumnos de la ETSIA. Resultado de estos trabajos y con el criterio de los profesores que tutelan el proyecto, se ha seleccionado el aeromodelo 421 Twin-Engine (Figura 1) basado en la aeronave Cessna 421 (Figura 2) diseñada y fabricada por la compañía Cessna Aircraft Company (Wichita, Kansas, USA). Figura 1. Aeromodelo 421 Twin-Engine. Una vez elegida la plataforma (421 Twin-Engine), los alumnos también han seleccionado los principales componentes que equiparán el aeromodelo: Motores y hélices. Controlador de velocidad. Servos/Actuadores. Baterías. Emisora. Figura 2. Avión Cessna 421 Golden Eagle. Este primer avión instrumentado será ensamblado por alumnos de la ETSIA y, una vez construido, se le realizarán una serie de ensayos (tierra y vuelo) similares a los que la Industria Aeronáutica realiza en los primeros prototipos. La definición de los ensayos a realizar contará con el apoyo de especialistas de la División de Proyectos de Airbus Military AM, quienes darán soporte a la ETSIA en los siguientes puntos: Ensayos en tierra y vuelo realizados en prototipos de aviones en desarrollo como A330- MRTT, C-295, A400M, Definición de los puntos a cubrir en cada uno de los ensayos. Instrumentación requerida. Herramientas de análisis y post-proceso. Validación de modelos teóricos con ensayos. El último punto es de vital importancia, ya que representa la conexión entre la enseñanza clásica teórica (modelos teóricos) con la enseñanza más práctica (ensayos). El desarrollo de modelos teóricos que expliquen los ensayos en tierra/vuelo (la realidad) ayudará al alumno a entender los conceptos y posibilitará el trasvase de información (Estado del Arte) de la Industria a la Universidad y viceversa. La experiencia demuestra que, en determinadas condiciones, los ensayos proporcionan resultados alejados de los modelos lineales clásicos. El intercambio de información entre Universidad/Empresa en este punto posibilitará el desarrollo de Proyectos de Investigación de interés común. Al mismo tiempo que se adquiere experiencia con el primer avión instrumentado (421 Twin-Engine), un equipo de alumnos trabajará en:

3 Desarrollo de modificaciones en el 421 Twin- Engine que permita mejorar sus características (autonomía, carga de pago, ). Diseño 3. ACCIONES DE INNOVACIÓN EDUCATIVA A continuación se detallan las principales acciones con carácter de innovación educativa: Creación de grupos de trabajo: se crean grupos de trabajo con colaboración de alumnos desde primer curso hasta los últimos años de carrera, facilitando la integración de los alumnos de primer curso y fomentando el trabajo en equipo, fundamental en su futura experiencia profesional. Conferencias de especialistas de la Industria (Airbus AM): las presentaciones de los especialistas de la Industria introducen a los alumnos en los procedimientos y métodos de trabajo propios de la Industria. Al mismo tiempo, se les proporciona información de distintos departamentos que puede ayudarles a la hora de encontrar su vocación. Validación de modelos teóricos con ensayos en tierra/vuelo: las tareas relacionadas con la determinación analítica y experimental de las diversas características de los aviones instrumentados pueden servir de base para la realización de diferentes trabajos y/o prácticas en múltiples asignaturas de los distintos años de carrera. Avión instrumentado como herramienta permanente de uso: los aviones podrán ser utilizados para validación con ensayos en tierra/vuelo de diversas teorías, lo que puede ser un germen de futuros Proyectos de Fin de Carrera y/o Tesis Doctorales. Multidisciplinar: el desarrollo de aviones instrumentados requiere diseño multidisciplinar con colaboración entre los distintos departamentos de la ETSIA y colaboración con otras universidades. Reuniones de trabajo: los alumnos tendrán reuniones periódicas de trabajo en la que aprenderán a defender sus propuestas y tener espíritu crítico para con el resto. Documentación y presentaciones: los alumnos escribirán documentación técnica del mismo tipo a la que se edita en la Industria para diseño y certificación de aeronaves. Toda la documentación y presentaciones se realizarán en el idioma inglés, que es el estándar en la Industria Aeronáutica. 4. S Y OBJETIVOS DEL PROYECTO En la Tabla 1 se presentan las distintas fases en las que se pretende desarrollar el Hasta ahora se han cubierto las fases 1.1. y CONCLUSIONES Aún es pronto para extraer conclusiones pues el proyecto se encuentra en su fase inicial, pero aún así de la fase inicial se puede concluir que Los alumnos reciben con gran interés todo tipo de acciones encaminadas a su participación activa en proyectos relacionados con su formación como ingenieros y valoran muy positivamente el tener una relación más cercana con el mundo real y el poder hacer prácticas con una clara orientación hacia su futuro profesional Se les acostumbra desde cursos bajos a trabajar en equipo y a tomar decisiones que luego tienen que saber defender. Tener que escribir documentación en inglés les hace ver la importancia del idioma en su futuro profesional y se acostumbran a la nomenclatura aeronáutica en inglés mucho antes. 6. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido subvencionado por la Universidad Politécnica de Madrid UPM (Proyecto nº IE ). 7. REFERENCIAS [1] M. A. González, V. Lapuerta, A. Laverón, J. M. Perales y F. Arévalo. Mejora de la enseñanza en el campo de la Aerodinámica experimental. Jornadas de intercambio de experiencias en Innovación Educativa en la U.P.M. (2007). os/intercambio_experiencias_innovacion.html [2] A. Laverón, V. Lapuerta, M.A. González, F. Arévalo y J.M. Perales. Experiencias de innovación educativa en el área de la aerodinámica numérica y experimental. Memorias de la Séptima Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática: CISCI Vol. II. ISBN-10: X, ISBN-13:

4 TAREA Búsqueda de información relativa a la construcción, manejo e instrumentación de aeromodelos: Internet, revistas especializadas, tiendas especializadas. Selección del aeromodelo que se desea adquirir en función de las siguientes consideraciones: Elección de motor eléctrico o de gasolina. Capacidad (volumen y peso) para carga de pago Dimensiones compatibles con un túnel de viento (ETSIA, Tenerife, ). Dimensiones compatibles con la instalación de tomas de presión para ensayos en túnel de viento. Para esta selección se realizará una tabla comparativa con la oferta del mercado, realizando la búsqueda mediante Internet (foros especializados) y/o tiendas especializadas. Personal Colaborador ETSIA: Becas de excelencia 1er curso. ETSIA ETSIA: Becas de excelencia 1er curso. ETSIA. NOTA: Las fases 1.1 y 1.2 han sido cubiertas. El aeromodelo 421 TWIN-ENGINE ha sido seleccionado como plataforma para el resto de la fase 1. Caracterización másica del aeromodelo 421 TWIN-ENGINE: Medición de peso y centro de gravedad de los componentes: ala, fuselaje, hélice, estabilizadores, motor, etc AM: Dpto. Dinámica Estructural y 1.3 Medición de peso y centro de gravedad del aeromodelo completo. Aeroelasticidad. (*) Presentación: presentación del Dpto. de Masas y Centrado de AM sobre AM: Dpto. de Masas y Centrado. la determinación de las propiedades másicas en estructuras aeronáuticas Caracterización de la rigidez del modelo, especialmente alas y fuselaje. Determinación de parámetros necesarios para una simulación aeroelástica. Aeroelasticidad sobre la caracterización/certificación aeroelástica de aeronaves. Validación / ajuste del modelo dinámico mediante un ensayo de vibración en tierra para la identificación modal del aeromodelo: obtención experimental de modos estructurales (GVT) y ajuste del modelo estructural a resultados experimentales. (*) Presentación: presentación del Dpto. de Ensayos Estructurales sobre la realización de ensayos de vibración en tierra. Aeroelasticidad sobre la identificación modal a partir de resultados experimentales y técnicas de ajuste de modelos teóricos a resultados experimentales. Caracterización aerodinámica del aeromodelo 421 TWIN-ENGINE: Estimación preliminar de cargas aerodinámicas con métodos numéricos: coeficientes de estabilidad y distribución de presiones. Ensayos en túnel aerodinámico de la ETSIA: medición con balanza de coeficientes de estabilidad y medida de distribución de presiones con tomas de presión. Visualización del flujo alrededor del aeromodelo. Entrada en pérdida. Visualización de efectos de punta de ala, visualización de estela, plano de Treft. Medición del efecto del soplo de la hélice. (*) Presentación: presentación del Dpto. de Aerodinámica Experimental sobre los ensayos en túnel en aeronaves. (*) Presentación: presentación del Dpto. de Aerodinámica Computacional sobre los códigos utilizados en la actualidad en la etapa de diseño de una aeronave. Pruebas de vuelo del 421 TWIN-ENGINE con piloto especialista: (*) Presentación: presentación del Dpto. de Ensayos en Vuelo de AM sobre ensayos de Certificación de una Aeronave. ETSIA: Dpto. de Aeroelasticidad. AM: Dpto. de Ensayos Estructurales. ETSIA: Dpto. de Aeroelasticidad. ETSIA: Cátedra de Aerodinámica. AM: Dpto. de Aerodinámica. ETSIA.

5 Instalación de instrumentos de medida: cámara, determinación de posición (GPS), medición de altura de vuelo, medición de velocidad/aceleración, medición de cabeceo, balance y guiñada y grabación de parámetros en disco duro (telemetría). (*) Presentación: presentación del Dpto. de Sistemas de AM sobre la instrumentación necesaria en aeronaves. Ensayos en vuelo. Medición del modo fugoide, corto periodo, etc... Comparación con valores teóricos basados en los resultados de túnel. Medición de parámetros necesarios para programar un simulador de vuelo (*) Presentación: presentación del Dpto. de Mecánica del Vuelo/Cargas sobre los parámetros/ensayos necesarios para programas un simulador de vuelo (5DOF, 6DOF, ). Programación de rotaciones predefinidas de las superficies de control: movimiento senoidal, rampa, Aeroelasticidad sobre Ensayos en Vuelo. Ensayo de Flutter: estos aeromodelos suelen ser muy rígidos por lo que no suelen presentar problemas de flutter. Sin embargo, es posible adherir al aeromodelo una estructura tipo ala o pilón flexible con velocidad de flutter baja. Diseño de leyes de control: (*) Presentación: presentación del Dpto. de Mecánica del Vuelo sobre proceso de diseño de leyes de control. Diseño de leyes de control para el cumplimiento de objetivos: Objetivo #1: sobrevolar una zona acotada (vigilancia). Objetivo #2: realizar una tarea predefinida (ir a un punto, realizar una acción, y volver). Diseño de UAVs: Concepto. Aplicación al avión instrumentado 421 TWIN-ENGINE Extensión del proyecto a un rediseño del avión 421 TWIN-ENGINE: Rediseño de componentes estructurales para optimizar peso: los aeromodelos actuales suelen ser excesivamente rígidos. Rediseño de componentes aerodinámicos para optimizar el rendimiento aerodinámico. Rediseño del ala para incluir efectos aeroelásticos en las condiciones de vuelo del aeromodelo. Uso de materiales compuestos para producir deformadas preestablecidas. Cálculo numérico de características aeroelásticas. Optimización del consumo. Aumento de potencia en motor que, junto con una reducción de peso, podrá aumentar la carga de pago y/o la autonomía. Tabla 1 AM: Dpto. de Ensayos en Vuelo. AM: Dpto. de Sistemas. ETSIA: Cátedra Mecánica del Vuelo AM: Dpto. Mecánica del Vuelo. AM: Dpto. de Mecánica del Vuelo. Posible colaboración con otras universidades. ETSIA: Cátedra de Estructuras y Fabricación.