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Problema compuesto de Boeing
Boeing dice que es 787 Dreamliner –Un avión de pasajeros de tamaño mediano y bajo consumo de combustible que se encuentra actualmente en desarrollo– será el primer avión comercial en el que los principales elementos estructurales están hechos de materiales compuestos en lugar de aleaciones de aluminio. Se espera que los cambios reduzcan el peso de los componentes en un 20 por ciento, aumentando significativamente la eficiencia del combustible.
Oración y un ala: El año pasado se presentó un Boeing 787 en preproducción, pero partes de su caja de ala (arriba), la estructura principal de cada ala, se pandearon en las pruebas de esfuerzo. La estructura, hecha de materiales compuestos, mide más de 15 metros por 5 metros y pesa 55.000 libras, incluidos los equipos e instrumentos de prueba. La compañía está endureciendo esta versión a medida que modifica el diseño de las futuras cajas de alas.
Estos materiales compuestos, capas de fibras de carbono superresistentes y epoxi, se han utilizado durante mucho tiempo en aviones militares, donde el dinero rara vez es un objeto, y en aviones comerciales para piezas como bastidores de portaequipajes. Pero Boeing está aprendiendo lo difíciles que pueden ser los compuestos para analizar de manera efectiva y construir de manera económica para las estructuras de aviones comerciales. La compañía ha tenido que retrasar la introducción del 787 porque los elementos de la caja del ala hecha de material compuesto, la estructura principal dentro de cada ala, se pandearon en las pruebas de esfuerzo.
La caja del ala comienza aproximadamente en la mitad del avión y se extiende alrededor de dos tercios de la envergadura. Este componente clave, más de 15 metros de largo y 5 metros de ancho, fue diseñado y construido por Boeing junto con Mitsubishi Heavy Industries y Industrias Pesadas Fuji , en Japón. Pat Shanahan , vicepresidente del programa 787, dijo en una conferencia telefónica la semana pasada que las pruebas estructurales habían identificado la necesidad de endurecer los elementos dentro de la caja del ala central.
La solución requiere agregar nuevos soportes y otras partes a las cajas de alas ya construidas, así como modificar el diseño de las cajas que aún no se han construido. Las modificaciones de las cajas existentes se entrometerán en las rutas de cableado, agravando los problemas. Por tanto, Boeing está retrasando la fecha de entrega del 787 unos seis meses, desde el primer trimestre hasta el tercer trimestre de 2009.
El problema con los compuestos no es que no sean fuertes; es que son tan complejos internamente. Consisten en capas orientadas en diferentes direcciones; esas capas, a su vez, están hechas de fibras individuales que pueden variar algo en composición. Esto hace que sea difícil para los ingenieros imitar con precisión su desempeño en modelos de computadora para pruebas de prefabricación.
Los materiales compuestos son más difíciles de analizar que los simples metales homogéneos, dice John Hansman , director de la Centro internacional de transporte aéreo , en el MIT. Por lo general, no modela todas las fibras de la estructura, por lo que crea modelos que tienen simplificaciones.
Además, dice, los compuestos permiten a los ingenieros crear formas personalizadas, pero estas formas personalizadas agravan el ya difícil problema de modelado. Tiene muchas más opciones de diseño, que pueden ser tanto una fortaleza como una debilidad. Hay muchas más cosas que puedo hacer con los materiales compuestos (agregar resistencia en lugares específicos, quitarla), pero luego tiene combinaciones tanto de la geometría como de la disposición particular de los materiales compuestos que son únicas.
Las pruebas de esfuerzo mecánico de Boeing comienzan con piezas representativas (conocidas como cupones), luego pasan a partes progresivamente más grandes de la estructura y finalmente a la estructura completa. Boeing coloca las piezas estructurales en enormes máquinas hidráulicas que las doblan y tuercen para imitar tensiones que van mucho más allá de las peores condiciones esperadas en vuelos reales. Fue durante estas pruebas cuando surgieron problemas con los largueros estructurales en la caja del ala.
Shanahan dijo en la conferencia telefónica de la semana pasada que Boeing rastreó el problema hasta un error en el análisis de modelos anterior, pero no explicó los detalles. Lo descubrimos. Regresaremos y lo corregiremos, dijo. Shanahan agregó que Boeing no ha perdido la fe en sus decisiones de utilizar compuestos compuestos de manera más generalizada; El 95 por ciento de miles de pruebas han arrojado resultados tan buenos o mejores de lo esperado. En una de esas pruebas, del cañón del fuselaje de material compuesto, los ingenieros tuvieron que detener la prueba por temor a romper el equipo de prueba, se jactó.
David Roylance , un experto en materiales compuestos y profesor asociado en ingeniería de materiales en el MIT, dice que la experiencia de Boeing con el 787 muestra que la industria todavía está en una curva de aprendizaje en el uso de materiales compuestos más ampliamente en aviones comerciales. Hay una gran variedad de cosas con compuestos que se pueden diseñar, pero son diferentes a los metales, dice. Por eso, las personas necesitan tiempo para sentirse cómodas con él.