Exactitud de medida, estabilidad y confianza: RUAG confía en las soluciones de HBM para sus túneles de viento

Las pruebas experimentales en un túnel de viento proporcionan a los ingenieros de aerodinámica los datos necesarios para diseñar y evaluar las propiedades aerodinámicas de un objeto de ensayo. Las pruebas se realizan empleando un modelo a escala —aunque extremadamente realista— de un avión, edificio o vehículo o bien, en algunos casos, un objeto de tamaño real (atletas, coches y otros vehículos).

La empresa suiza RUAG Schweiz, con sede en Emmen, explota varios túneles de viento en los que se obtienen datos de medida con la máxima precisión para después procesarlos y evaluarlos.

Desafío

A pesar de la elevada inversión que suponen y de sus costes de explotación, los fabricantes de aviones y de vehículos continúan recurriendo masivamente a las pruebas en túneles de viento. Pero la complejidad y los requisitos de estos ensayos son cada vez mayores. Las pruebas deben suministrar datos de medida de alta calidad, tanto estáticos como —cada vez con más frecuencia— dinámicos, con absoluta fiabilidad y eficiencia. Además, la productividad desde el momento de la instalación hasta la entrega de los resultados es esencial.

Solución

Se seleccionaron amplificadores MGCplus para integrarlos en un sistema compacto y móvil, que permite conectar de manera rápida y flexible cadenas de medida con cables de conexión estandarizados, distintos sensores, conforme a los requisitos de los ensayos aerodinámicos. La configuración se lleva a cabo desde el software del túnel de viento, a través de una interfaz abierta. Otros argumentos de esta solución son su eficiente calibración con trazabilidad hasta patrones nacionales y la fiabilidad a largo plazo que aporta el fabricante.

Resultado

La modularidad, flexibilidad, alta precisión y excelente estabilidad a largo plazo de los sistemas de adquisición de datos MGCplus/DMP permite realizar una amplia variedad de ensayos. En combinación con los equipos multicomponentes de RUAG, se ha creado una cadena de medida capaz de determinar cargas tales como las fuerzas de sustentación y de arrastre. La cadena puede configurarse de forma óptima, para proporcionar a los ingenieros de aerodinámica los datos que necesitan para mejorar y validar los productos.

Pruebas en túnel de viento con resultados realistas

En RUAG se llevan a cabo pruebas muy amplias en túneles de viento. Lógicamente, los requisitos de medida y de adquisición de datos son muy diversos. En los casos más sencillos, el cliente solo está interesado en observar el objeto de ensayo cuando se expone al viento. Es el caso, por ejemplo, de un paraguas. En este tipo de experimentos, solo es necesario conocer la velocidad del viento.

Pero, en general, los ensayos son más complejos y los modelos que se introducen en el túnel se equipan con distintos sensores que se emplean para obtener datos cuantitativos sobre las cargas y presiones que actúan sobre el objeto. El modelo para túneles de viento LOSITA, que se ha construido y probado en el contexto de la iniciativa común europea Clean Sky 2, es un buen ejemplo de un ensayo completo en túnel de viento con requisitos exigentes de adquisición de datos. LOSITA ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, dentro del convenio de ayuda CS-GA-2013-01-LOSITA-620108.

El modelo está equipado con una báscula de seis componentes de RUAG, que permite obtener las fuerzas y los momentos totales que actúan sobre el avión. El avión utiliza dos potentes hélices montadas en las alas. Las hélices producen un efecto significativo en la circulación del aire alrededor de las alas y, por tanto, debían incorporarse al modelo para el túnel de viento. Las fuerzas que actúan sobre las hélices se miden con la ayuda de balanzas de 6 componentes adicionales que van instaladas en el cubo de cada una de las hélices (balanzas de eje rotativo). A partir de estos valores globales de fuerza, los analistas de aerodinámica extraen información sobre el rendimiento del avión, su estabilidad y su controlabilidad. 

Los ingenieros a cargo de la estructura tienen más interés en obtener las cargas aerodinámicas de determinados componentes del avión. Estos datos se derivan de las medidas de presión en distintos puntos del modelo. Para ello, el modelo LOSITA se equipó con más de 700 puntos de toma de presión. Un planteamiento alternativo o complementario consiste en utilizar balanzas con tecnología de galgas extensométricas, diseñadas específicamente para medir, por ejemplo, las fuerzas en una superficie de control individual.

Aparte de esos componentes “del cliente”, se utilizan varios sensores para controlar y monitorizar el ensayo y el conjunto del modelo; por ejemplo, acelerómetros, sensores de rpm y de posición, o sensores de temperatura. Cada proyecto de pruebas en túnel de viento tiene un objetivo distinto y requiere sensores específicos, lo cual impone una alta exigencia de flexibilidad al sistema de adquisición de datos. La instrumentación y, más específicamente, las básculas multicomponentes, tienen que cumplir requisitos muy concretos de los clientes en términos de exactitud de medida y reproducibilidad.

Desde hace más de 10 años, RUAG utiliza los sistemas DMP y MGCplus en sus túneles de viento y en la calibración de sus balanzas para túneles de viento. Estas soluciones cumplen o exceden los requisitos sobre exactitud de medida, resolución, reproducibilidad y disponibilidad. Las calibraciones periódicas también presentan una excelente estabilidad a largo plazo. Los resultados de medida obtenidos han servido y continúan siendo de utilidad a los clientes con fines de confirmación o como información para la mejora continua de sus productos.

Balanza para túneles de viento

Una balanza de seis componentes tiene la misión de medir simultáneamente tres fuerzas y tres momentos ortogonales entre sí, con el menor grado posible de interferencia mutua. En aviación, estas fuerzas son la fuerza normal o de sustentación (Z), la fuerza axial o de arrastre (X) y la fuerza lateral (Y), junto con los momentos alrededor de los ejes de alabeo (roll, L), cabeceo (pitch, M) y guiñada (yaw, N).

La balanza de RUAG tiene dos mitades: una fijada a tierra (o no métrica) y otra métrica.

  • Mitad no métrica: Está unida a una estructura sólida, como el suelo o un soporte, y determina la posición del modelo dentro del túnel de viento.
  • Mitad métrica: Está fijada al objeto que se desea medir, es decir, el modelo de un avión o de un coche.

La balanza emplea varillas de conexión y elementos de medida con galgas extensométricas de alta precisión. Registra las deformaciones mecánicas en forma de señales eléctricas y las convierte en unidades físicas con la ayuda de una calibración previa.

La serie de balanzas 7xx de RUAG

Puesto que los requisitos del cliente para el objeto de ensayo y las fuerzas que se desean medir dependen directamente del tamaño del modelo que se introduce en el túnel de viento, la familia de balanzas de RUAG ofrece la posibilidad de seleccionar la unidad óptima para el ensayo, en lo que respecta al volumen y al intervalo de carga.

Precisión y certificación de calidad: medidas y calibración

La certificación de calidad ISO 9001 exige realizar calibraciones anuales trazables hasta un patrón nacional. Este requisito es aplicable tanto a los Msistemas MGCplus utilizados como a las balanzas multicomponentes de RUAG.

Con esta finalidad se ha desarrollado un sistema de calibración que permite verificar y calibrar todos los canales del sistema MGCplus. Se utiliza un DMP40 de HBM para calibrar las balanzas de conformidad con los requisitos más exigentes.

Acerca de RUAG AG

RUAG AG es un proveedor líder de productos y servicios, y un integrador de sistemas y componentes para la aviación civil y militar. Entre sus competencias más destacadas, la empresa realidad trabajos de reparación y mantenimiento, mejoras, desarrollo, fabricación e integración de subsistemas para aviones y helicópteros, a lo largo de toda la vida de servicio de una aeronave. 

Hace ahora setenta años, el departamento e investigación en aerodinámica de la empresa predecesora de RUAG, Eidgenössisches Flugzeugwerk F+W, empezó a medir fuerzas y momentos en aviones. Y, aunque desde entonces se han producido avances técnicos considerables, las preguntas fundamentales que se hacen los ingenieros para entender los procesos físicos continúan teniendo la misma vigencia.

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