Pruebas de aeroelasticidad para UAS HALE y de gran autonomía

Un ala construida para obtener la máxima relación sustentación-resistencia en una aeronave de gran autonomía es, casi por definición, un ala flexible: un gran alargamiento y un peso estructural mínimo son exactamente lo que exige la eficiencia de crucero, y ambos factores actúan directamente en contra de la rigidez. En esta clase de aeronaves, la forma del ala en vuelo no es la forma del plano: se flexiona y se tuerce continuamente, y esa deformación retroalimenta la aerodinámica de formas que un modelo de ala rígida no puede representar.

La aeroelasticidad —el acoplamiento entre las cargas aerodinámicas, la flexibilidad estructural y la dinámica de vuelo— deja de ser una comprobación secundaria en esta clase de aeronaves para convertirse en un factor principal de diseño.

1. Qué le ocurrió realmente al Helios

El caso más claro y documentado es el de la propia NASA. El 26 de junio de 2003, la configuración de gran autonomía del prototipo Helios (HP03) se encontró con turbulencias atmosféricas a los 30 minutos de vuelo. El diedro del ala —la deflexión de sus puntas, una medida directa de cuánto se había flexionado el ala flexible hacia arriba— aumentó hasta alcanzar unos inusualmente persistentes 30 a 40 pies, muy por encima de los 11 a 17 pies típicos en un vuelo normal. La investigación de la NASA descubrió que, superado ese diedro, la oscilación de cabeceo de la aeronave se volvía dinámicamente inestable: las variaciones de la velocidad del aire prácticamente se duplicaban con cada ciclo de la oscilación. En el picado final con el morro hacia abajo, la aeronave superó su velocidad del aire máxima de diseño en más del doble. La presión dinámica resultante provocó el fallo progresivo de la estructura secundaria del borde de ataque del ala, los paneles solares y el revestimiento se desprendieron, y la aeronave perdió la capacidad de generar sustentación, cayendo al océano Pacífico. Desde el primer intento de diagnosticar el problema hasta que la aeronave se desintegró en el aire transcurrieron: 91 segundos .

2. Por qué la flexión alimentó la inestabilidad en lugar de corregirla

El análisis posterior al accidente realizado por la NASA identificó el mecanismo, y se trata de uno genuinamente aeroelástico, no de un simple fallo estructural:

Redistribución de la sustentación a lo largo de la envergadura. A medida que el ala se flexionaba hacia arriba, la sustentación se desplazaba desde el centro de la aeronave hacia los paneles exteriores; se descubrió que esta redistribución era muy sensible a ráfagas de tan solo medio pie por segundo, mucho menores que la turbulencia realmente encontrada.
Un bucle autosostenido, no autocorrectivo. El sistema de control de vuelo respondió al aumento del diedro desviando los timones de profundidad con el borde de salida hacia arriba; dado que los timones exteriores eran fijos, esta respuesta eliminó más sustentación del centro que de las puntas, lo que empujó al ala aún más hacia la forma de alto diedro en lugar de devolverla a su forma nominal.
El aumento de la estabilidad estática alimentó la inestabilidad fugoide. A medida que aumentaba el diedro, el centro de fuerza aerodinámica de la aeronave se desplazaba más por encima de su centro de gravedad, aumentando la estabilidad estática longitudinal, una propiedad que normalmente es tranquilizadora, pero que en este vehículo se descubrió que aumentaba la inestabilidad de la oscilación de cabeceo de largo periodo.
La inercia de cabeceo se multiplicó aproximadamente por cinco en el rango de diedro observado en el accidente, cambiando fundamentalmente la dinámica del modo de vuelo a medida que el ala se flexionaba.

Ninguna de estas son propiedades de un fuselaje rígido. Existen únicamente porque la forma del ala y la aerodinámica de la aeronave estaban acopladas, que es exactamente lo que significa la aeroelasticidad.

3. Lo que la propia investigación de la NASA dice que debería haber detectado esto

Las causas principales del informe del accidente son directamente relevantes para la forma en que debe probarse y diseñarse esta clase de aeronaves: la falta de métodos de análisis adecuados condujo a una evaluación de riesgos inexacta de los efectos de un cambio de configuración (la adición de masas concentradas —un módulo de pila de combustible y tanques de hidrógeno— a un ala diseñada originalmente con carga distribuida o «spanloader»), lo que redujo significativamente los márgenes estructurales y aeroelásticos de la aeronave sin que dicha reducción se predijera adecuadamente de antemano.

Las propias recomendaciones técnicas de la investigación incluyen el desarrollo de procedimientos y técnicas de ensayo en tierra adecuados para esta clase de vehículos con el fin de validar nuevos métodos de análisis y predicciones ; un llamamiento directo a la realización de pruebas físicas, no solo de simulación, siempre que un diseño se desvíe significativamente de configuraciones previas probadas en vuelo.

4. Lo que realmente necesita una campaña de ensayos aeroelásticos para un ala flexible

Un modelo a escala de rigidez, no solo a escala geométrica. Para que el comportamiento aeroelástico se escale correctamente, la distribución de la rigidez estructural del modelo debe coincidir con la de la aeronave a escala real, no solo con su forma exterior; un modelo geométricamente preciso pero excesivamente rígido simplemente ocultará el acoplamiento que la prueba pretende encontrar.
Pruebas de respuesta a ráfagas, no solo polares en estado estacionario. La inestabilidad del Helios fue desencadenada por ráfagas del orden de medio pie por segundo, lo suficientemente pequeñas como para que los datos de un túnel de viento en condiciones estacionarias y sin ráfagas nunca hubieran revelado dicha sensibilidad.
Instrumentación estructural y aerodinámica sincronizada. La deflexión del ala, la torsión y las cargas dinámicas deben medirse junto con las fuerzas y los momentos, en la misma pasada, para que el acoplamiento entre ellos se capture en lugar de inferirse por separado.
Pruebas en todas las configuraciones de masa y distribución de carga con las que la aeronave volará realmente , no solo en el caso base: la masa de carga útil concentrada frente a la distribuida cambia el margen aeroelástico, tal y como demostró directamente el Helios.
Monitorización en tiempo real de la forma del ala durante la prueba , reflejando la propia recomendación de la NASA de medir el diedro en tiempo real con una pantalla visual: la inestabilidad que destruyó el Helios fue invisible para la tripulación de vuelo hasta que ya fue irrecuperable.

5. Cinco errores que observamos

Tratar la rigidez como una aprobación estructural, separada del programa de pruebas aerodinámicas. En una aeronave de ala flexible, las pruebas estructurales y aerodinámicas son el mismo problema, no dos problemas separados que deban comprobarse de forma secuencial.
Probar únicamente condiciones estacionarias y sin ráfagas. Una configuración que parece totalmente estable en un flujo suave puede ser sensible a ráfagas mucho menores de lo que sugiere la intuición.
Asumir que un cambio de configuración es «menor» porque no altera la línea de molde exterior. El cambio fatal del Helios fue añadir masa, no cambiar la forma, y aun así redujo drásticamente los márgenes de la aeronave.
Validar una ley de control de vuelo frente a un modelo de cuerpo rígido. Un sistema de control que responde correctamente a un fuselaje rígido puede empeorar activamente una inestabilidad aeroelástica, exactamente como lo hizo la respuesta del timón de profundidad en el HP03-2.
Omitir la monitorización de la forma en tiempo real porque «el modelo no se mueve tanto». El margen entre el diedro normal y el inestable en el Helios se midió en decenas de pies en un ala de 247 pies; una desviación fácil de subestimar hasta que se instrumenta.

6. Lo que esto significa para su programa

Indíquenos la configuración estructural de su ala y cualquier cambio de masa previsto , y definiremos el alcance de una campaña de ensayos aeroelásticos a escala de rigidez —incluida la respuesta a ráfagas— diseñada para detectar el acoplamiento que una prueba puramente aerodinámica o puramente estructural pasaría por alto. Lecturas relacionadas: nuestro artículo principal sobre

Ensayos aerodinámicos de UAV de largo alcance

, y

Aerodinámica HALE a gran altitud

para la misma aeronave.

Fuentes y notas

Relato completo del accidente del prototipo Helios HP03-2 (26 de junio de 2003): aumento del diedro a 30–40 pies frente a los 11–17 pies normales, oscilación de cabeceo con variaciones de la velocidad del aire que se duplicaban por ciclo, superación de la velocidad del aire de diseño en más del doble, fallo estructural progresivo, 91 segundos desde el primer diagnóstico hasta la desintegración, sensibilidad de la redistribución de la sustentación a lo largo de la envergadura ante ráfagas de tan solo 0,5 pies/s, el bucle de retroalimentación timón de profundidad/diedro, el mecanismo de estabilidad estática frente a inestabilidad fugoide, el aumento de aproximadamente cinco veces en la inercia de cabeceo, las causas principales y la recomendación de procedimientos de ensayo en tierra adecuados para la clase de vehículo: Noll, T.E., Ishmael, S.D., Henwood, B., Perez-Davis, M.E., Tiffany, G.C., Madura, J., Gaier, M., Brown, J.M., Wierzbanowski, T., «Technical Findings, Lessons Learned, and Recommendations Resulting from the Helios Prototype Vehicle Mishap», Centros de Investigación Langley, Dryden, Glenn, Ames y Kennedy de la NASA con AeroVironment Inc. (NASA Technical Reports Server, document 20070022260), citando la investigación completa en Noll et al., «Investigation of the Helios Prototype Aircraft Mishap», Volumen I – Mishap Report, enero de 2004.
Antecedentes de la aeronave (envergadura de 247 pies, alargamiento de 30,9:1, configuración de ala volante): coherente con nuestro artículo publicado sobre la aerodinámica a gran altitud HALE, que cubre en detalle el diseño aerodinámico de la misma aeronave.
Las recomendaciones de metodología de ensayo (modelos a escala de rigidez, pruebas de respuesta a ráfagas, instrumentación estructural/aerodinámica sincronizada, monitorización de la forma en tiempo real) son prácticas de ingeniería de TunnelTech, que responden directamente a las recomendaciones de ensayos en tierra de la investigación citada de la NASA.

Aeroelasticidad y respuesta a ráfagas en alas de gran alargamiento y gran autonomía