El X-57 Maxwell de la NASA

Los automóviles no son el único medio de transporte que se está electrificando: los aviones también. Y, para demostrar la viabilidad de los aviones eléctricos, la NASA ha desarrollado el X-57 Maxwell, su primer avión totalmente eléctrico con la designación "X" que se emplea en Estados Unidos para las aeronaves experimentales. El X-57, actualmente en configuración Mod II, es en realidad una versión modificada de un avión italiano, el Tecnam P2006T. Pero en lugar de los motores de gasolina del avión transalpino, el X-57 tiene dos motores eléctricos alimentados por baterías de tracción. El proyecto del X-57 Maxwell se ha marcado objetivos ambiciosos: un menor consumo de energía (una quinta parte que un avión de gasolina), menores emisiones y menores niveles de ruido durante el vuelo.

OBJETIVO: HACERLO REALIDAD

Cuando los ingenieros de la NASA diseñan una aeronave de propulsión eléctrica, no pueden limitarse a desarrollar un diseño de alta eficiencia energética. También es esencial que la aeronave sea segura. Una forma de estudiar la seguridad es construir un modelo analítico (FEM) de la estructura del avión y simular las tensiones a las que se someterá durante el vuelo. De este modo, se pueden detectar puntos débiles en el diseño y solucionarlos antes de fabricar costosos prototipos.

Con todo, las simulaciones no pueden sustituir a los ensayos de vibraciones en tierra. En algún momento, los ingenieros no tienen más remedio que conectar un vibrador al fuselaje y ponerse a medir. Estos ensayos físicos son esenciales para validar los modelos de simulación y para entender las características estructurales de cualquier avión de nuevo diseño.

Los ensayos de vibraciones en tierra (o GVT) se llevan a cabo antes de la primera prueba de vuelo. Durante un ensayo de este tipo, los ingenieros de pruebas aplican una serie de perfiles de vibración al avión y miden la respuesta en cientos de puntos repartidos por todo el fuselaje. El análisis de estas medidas ayuda a los ingenieros a identificar las frecuencias modales y las formas modales del avión, en una configuración apta para volar. Con esta información, validan y corrigen su modelo de elementos finitos (FEM) del avión, que posteriormente utilizan para calcular las condiciones de flutter. En último término, el análisis del flutter indica si una estructura tiene o no la aeroelasticidad y los márgenes necesarios para volar en buenas condiciones.

NATALIE SPIVEY:

LA “TOP GUN” DE LA NASA PARA ENSAYOS MODALES Y AERONAVEGABILIDAD

El equipo de pruebas estuvo liderado por Natalie Spivey, todo un "as" de la NASA en ensayos de dinámica estructural de aeronaves, aeronavegabilidad, ensayos modales y pruebas de flutter en vuelo. Actualmente, Spivey trabaja en el Armstrong Flight Research Center de la NASA (NASA Armstrong, para abreviar) en el sur de California. Es licenciada en ingeniería aeroespacial por la Universidad Estatal de Iowa (2000) y tiene un máster en ingeniería mecánica por la Universidad de California en Los Ángeles (2006).

Spivey es todo un referente para sus compañeros, por su amplia experiencia práctica en ensayos modales, pruebas de aeronavegabilidad y salas de control de pruebas de vuelo. Además del X-57 Maxwell, ha participado en numerosos programas de investigación de vuelo como ingeniera de dinámica estructural o como jefa de programa; por ejemplo, el programa de Ala Aeroelástica Activa del Boeing X-53, varios experimentos de vuelo del F-15 y del G-III, el programa de Ala Aeroelástica Pasiva Adaptada de la NASA y otros.

Se interesó por los ensayos de forma muy temprana. Entre su tercer y cuarto año de universidad, pasó un semestre en un proyecto de colaboración en NASA Dryden (ahora NASA Armstrong) y, entre otras cosas, participó en un par de ensayos de vibraciones en tierra. Lo que más le gusta de los ensayos es que es un tipo de trabajo que abarca tanto tareas prácticas como analíticas, que son dos cosas que se le dan muy bien.

Ilustración gráfica del X-57 Maxwell de la NASA en configuración Mod 4 (12 motores hipersustentadores y 2 motores de crucero en las puntas del ala)

SEGURIDAD ANTE TODO

En un ensayo de vibraciones en tierra es importante que el dispositivo objeto de la prueba se parezca lo más posible al diseño final. Eso supuso algunos retos interesantes para el equipo de pruebas.

Por ejemplo, durante el ensayo no se utilizaron las baterías reales de alta tensión de los motores eléctricos, que son equipos pesados. En condiciones normales, los dos motores eléctricos se alimentan con 16 módulos de baterías de tracción, que suponen casi un tercio del peso total del avión. Pero, por razones de seguridad, se emplearon masas que simulaban las baterías, en lugar de baterías funcionales. Por tanto, uno de los retos del equipo de pruebas consistió en diseñar y construir simuladores que tuvieran el mismo tamaño, masa y centro de gravedad que las baterías reales. Igualmente, las montaron en el fuselaje de la misma manera que las baterías de verdad.

Otro problema fueron los módulos de control de las baterías: dos de ellos no estuvieron listos a tiempo para los ensayos. Para solucionarlo, los ingenieros de la NASA diseñaron y construyeron dos maquetas a tamaño real de los módulos. Las maquetas pesaban menos que los módulos reales, así que los ingenieros les añadieron bolsas de perdigones para aumentar el peso hasta el valor correcto. El peso tiene una importancia crucial a la hora de determinar las características modales, motivo por el cual el equipo de pruebas tuvo que estudiar minuciosamente dónde faltaba peso y colocar lastre en los puntos necesarios.

Por otro lado, la configuración del avión para el ensayo de vibraciones en tierra requería cables de alimentación en el ala, aparte de otros cables para la instrumentación de vuelo y sensores (acelerómetros de vuelo y galgas extensométricas); todos los componentes se instalaron antes de que el avión llegara a las instalaciones de NASA Armstrong. El peso del avión (incluidos todos los dispositivos de sujeción para el ensayo, los equipos y el lastre) era de 2782 libras (1261 kg) antes de instalar los acelerómetros externos del ensayo.

DOS CONFIGURACIONES DE ENSAYO

El ensayo de vibraciones en tierra tenía el objetivo de probar dos condiciones de contorno principales; por ello, se emplearon dos configuraciones de ensayo distintas. La primera configuración, que se denominó "sistema de soporte blando", se diseñó para simular un entorno de vuelo libre. Se emplearon cuerdas elásticas para suspender el avión de puntos rígidos de su parte inferior. Fue todo un reto, porque los fabricantes de cuerdas elásticas no miden las características de sus productos para este tipo de uso.

De modo que, antes del ensayo, la NASA tuvo que hacer un montón de pruebas de caracterización de cuerdas elásticas, para garantizar que pudieran soportar la carga y que su respuesta de frecuencia es lo suficientemente baja como para como para no solapar con la primera frecuencia modal del avión.

La segunda configuración del ensayo se denominó "configuración sobre neumáticos". En este ciclo de pruebas, el avión tenía el tren de aterrizaje instalado y descansaba en el suelo durante el ensayo. Las ruedas se inflaron a la presión normal de servicio y la tripulación del avión llevó a cabo un shakedown del morro, la cola y las puntas de las alas del avión, para que se asentarán los montantes en su posición de equilibrio antes del ensayo.

Montaje del ensayo de vibraciones en tierra del X-57 Maxwell con configuración Mod II

CALENTANDO MOTORES...

Para la primera configuración de ensayo, con el sistema de soporte blando (o configuración “libre”), se instalaron acelerómetros en 127 puntos, que permitieron medir 318 grados de libertad (GDL). Los acelerómetros se distribuyeron en ambos lados del fuselaje, los largueros de las alas, las superficies de control, los motores y los bastidores del soporte blando (situados en el tren de aterrizaje principal y en el morro del fuselaje), utilizando el sistema de coordenadas global del avión. Para la configuración sobre neumáticos, se eliminaron los acelerómetros situados en los 14 puntos del sistema de soporte blando, lo que dejó un total de 113 puntos que medían 276 grados de libertad.

Se emplearon acelerómetros uniaxiales y triaxiales en ambas configuraciones, si bien en la mayoría de los puntos el objetivo era medir dos grados de libertad. En cada uno de esos puntos se instalaron o bien dos acelerómetros uniaxiales o un acelerómetro triaxial. Resultó especialmente difícil instalar acelerómetros alrededor de los motores eléctricos, porque el acceso era complicado y el espacio, muy limitado. Aparte de todos estos acelerómetros externos que se instalaron específicamente para el ensayo de vibraciones, también se adquirieron datos procedentes de los acelerómetros de vuelo, utilizando el sistema de instrumentación del avión. Esos datos se compararon con los de los acelerómetros externos más próximos.

El equipo de la NASA utilizó un sistema de adquisición LAN-XI, de HBK, con más de 300 canales. LAN-XI es un sistema modular de adquisición y una plataforma de análisis capaz de adquirir datos de ruido y vibraciones de más de 1000 canales. Tiene un rango dinámico de entrada muy amplio y se emplea en aplicaciones de medida muy variadas y exigentes. El sistema LAN-XI del Centro Armstrong de la NASA estaba formado por cuatro dispositivos básicos: dos LAN-XI de 11 ranuras situados en las proximidades del morro del avión, donde también se encontraba la estación de control principal del ensayo GVT, y otros dos LAN-XI de 5 ranuras en la parte trasera del avión. Se utilizó una conexión de cadena de margarita entre los dispositivos básicos, a través de un switch de red.

A continuación se enumeran los componentes principales del sistema de adquisición del ensayo de vibraciones en tierra:

• Bastidores Modelo 3660. Se emplearon bastidores de 5 y de 11 ranuras que proporcionan alimentación eléctrica, conectividad y protección a los módulos LAN-XI.
• Modelo 3053: Módulo de entrada de 12 canales. Se seleccionó porque ofrecía una solución compacta y con buena relación coste-prestaciones para esta aplicación.
• Modelo 3160: Módulo generador. Se utilizó porque esta aplicación requería excitación del sistema. Se encuentra disponible en versiones con dos entradas y dos salidas o con cuatro entradas y dos salidas. Todos los canales de entrada y de salida tienen un rango de frecuencia comprendido entre CC y 51,2 kHz.

Dispositivos básicos LAN-XI n.º 1 y n.º 2 (modelos de 11 ranuras)

Dispositivos básicos LAN-XI n.º 3 y n.º 4 (modelos de 5 ranuras)

14 CONFIGURACIONES DE ENSAYO, 191 CICLOS DE ENSAYO

La NASA llevó a cabo 191 ciclos de ensayo con 14 configuraciones distintas. Once de ellas emplearon el sistema de soporte blando y dos el montaje sobre neumáticos. En una configuración adicional se aplicó excitación directa al bastidor en forma de “A” que formaba parte del sistema de soporte blando del morro del avión. Esta última configuración tenía la finalidad de caracterizar el bastidor en A, para garantizar que no se acoplaba con los modos de vibración de interés del avión. Durante este ensayo del bastidor en forma de A, el avión se mantuvo suspendido sobre sus soportes blandos.

La Tabla 1 de más abajo resume las configuraciones de los ensayos y menciona los modos objetivo, los puntos de aplicación y las direcciones de excitación, el número de vibradores utilizados y los elementos de bloqueo que se utilizaron como restricciones en la cabina o en las superficies de control. A lo largo de los ensayos, esta matriz de configuraciones resultó muy útil a los ingenieros para garantizar el cumplimiento de los objetivos primarios y secundarios de los ensayos. Dependiendo del ensayo, se utilizaron uno o dos vibradores, adecuadamente posicionados. Las ubicaciones de los vibradores se determinaron a partir del modelo de elementos finitos.

Ubicación de la excitación lateral del estabilizador vertical

Ubicación de la excitación del borde de salida del ala

Matriz de configuración de los ensayos

ADQUISICIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS CON BK CONNECT

La NASA utilizó el software BK Connect de HBK para llevar a cabo los ensayos y para analizar los datos. BK Connect es una plataforma de software integrada que permite a los usuarios adquirir datos, monitorizar un ensayo o una estructura en tiempo real, posprocesar los datos adquiridos, visualizarlos, analizarlos y elaborar informes, todo ello con un único paquete de software. Con la ayuda de BK Connect, el equipo de la NASA pudo analizar los datos sin necesidad de exportarlos a otras herramientas de software.

Los resultados del ensayo de vibraciones en tierra revelaron un gran número de modos de vibración que no estaban recogidos en el modelo de elementos finitos previo al ensayo. Esos modos “adicionales” suponen una gran ayuda durante la actualización del modelo FEM posterior al ensayo y durante el proceso de correlación. Por ejemplo, el ensayo permitió detectar modos de vibración asociados a movimientos acoplados del avión, a la torsión del ala y a las superficies de control. Además, el modelo FEM previo al ensayo no tenía en cuenta algunos componentes, como el brazo situado en el morro del avión. Gracias a los datos obtenidos, el equipo de proyecto del X-57 podrá añadir esos elementos con la precisión necesaria al modelo FEM posterior al ensayo.

Software BK Connect Modal Analysis

TECNOLOGÍA DE HBK PARA EL ÉXITO DE LA NASA

Los resultados de estos ensayos de vibraciones en tierra han ayudado a la NASA a entender mucho más a fondo las características modales del X-57 Maxwell Mod II. Los resultados revelaron que el modelo analítico del avión previamente existente no captaba todos los modos de vibración que se observaron durante los ensayos. Para el equipo de proyecto del X-57, actualizar el modelo FEM de manera que refleje esos modos será todo un reto, pero ahora disponen de todos los resultados modales necesarios para ello.

Un aspecto clave para el éxito de este proyecto ha sido el apoyo prestado por HBK antes y durante su desarrollo. Los ingenieros de la NASA han tenido acceso a HBK antes de los ensayos. Y, durante la campaña de ensayos, siempre ha habido un ingeniero de aplicaciones de HBK sobre el terreno para prestar apoyo.

La colaboración de HBK con la NASA va más allá del proyecto del X-57 Maxwell. Una vez al mes, se celebra una videoconferencia entre ingenieros de HBK y de la NASA para discutir la problemática asociada a distintos ensayos. En estas reuniones mensuales participan ingenieros de distintos centros de la NASA: por supuesto, del Armstrong Flight Research Center, pero también del Centro Espacial Johnson, el Centro Espacial Kennedy, el Centro de Investigación Glenn, el Centro de Vuelo Espacial Marshall, el Centro de Investigación Langley y otros.