La simulación numérica en la ingeniería aeroespacial
La ingeniería aeroespacial ha sido fundamental para el desarrollo tecnológico de la segunda mitad del siglo XX. Al ser propulsada por la Guerra Fría, trajo avances y tecnologías como llevar al hombre a la luna.
Varias de estas tecnologías siguen presentes en la actualidad, como el sistema de georreferenciación, utilizado en dispositivos GPS. Durante este periodo, la dinámica de fluidos computacional fue desarrollada y se volvió una gran herramienta para la ingeniería aeroespacial.
Al pasar el tiempo y con los avances de la computación, la industria aeroespacial empezó a contar con nuevas herramientas de proyecto, las cuales fueron útiles para minimizar o hasta sustituir ensayos experimentales y la construcción de prototipos
En esta senda de desarrollo, las herramientas CFD ganan un lugar destacado al ser útiles para el análisis y diversas fases del proyecto de cohetes, desde la aerodinámica y simulación de trayectoria, hasta las fases de extrema complejidad, como combustión y reentradas en la atmósfera.
La ingeniería aeroespacial en Brasil
En Brasil, la ingeniería aeroespacial se desarrolló a mediados de los años 50 con la fundación del Instituto de Tecnología Aeronáutica en la ciudad de San José de los Campos.
Luego, esa ciudad se convertiría en el polo aeronáutico y aeroespacial brasileño. En este polo contamos con diversas empresas e institutos de investigación reconocidos en el escenario mundial, como Embraer, Avibrás y el INPE.
Actualmente, existen competencias estudiantiles que apuntan a complementar la formación técnica de ingeniería orientada hacia el área aeroespacial. Un caso destacado es el equipo de diseño de cohetes de la USP, el Proyecto Júpiter.
El grupo se esmera en construir cohetes para competencias nacionales e internacionales, principalmente para la Intercollegiate Rocket Engineering Competition, la IREC, como es más conocida, que se lleva a cabo anualmente y es organizada por la Experimental Sounding Rocket Association (ESRA). En el 2015 el Proyecto Júpiter se volvió el segundo equipo brasileño en participar en ella.
El equipo cuenta con aproximadamente 70 miembros divididos en áreas como aerodinámica, propulsión, electrónica y administración. Su formación se compone por alumnos de todas las ingenierías de la USP, además de alumnos de administración, matemáticas, física y astronomía.
Los números del proyecto impresionan. Este prototipo opera con una aceleración máxima de 18,7 G, y alcanza una velocidad máxima de 302,2 m / s. Está diseñado para alcanzar una altura máxima (en su rango) de 5 km.
«Los equipos que participan en este tipo de competencia tienen la motivación de superar desafíos en el área de ingeniería aeroespacial. El participar en competencias internacionales representando a Brasil es el combustible para que estos alumnos superen tales desafíos y dejen por marcada la diferencia en su formación.»
Prof. Dr. Bruno Souza Carmo – Ingeniero Mecatrónico y profesor orientador del proyecto.
ESSS cree y apoya a los alumnos del Proyecto Júpiter. Este tipo de iniciativa le permite a los alumnos usar la simulación computacional y llegar más preparados al mercado de trabajo para resolver desafíos cada vez más complejos de la industria aeroespacial.
Simulación CFD en el proyecto aeroespacial
El lanzamiento de un cohete involucra varios desafíos de mecánica de los fluidos y termodinámica, por lo tanto pueden y deben ser aplicadas las herramientas de CFD.
Al tratarse de velocidades superiores a la velocidad del sonido en el aire, debemos tomar en cuenta los efectos de compresión, y por lo tanto, la variación en la densidad del fluido.
Esto requiere un cálculo matemático más sofisticado, ya que es necesario agregarle a las ecuaciones tradicionales de CFD otras dos ecuaciones: una ecuación para el estado del gas y una ecuación para la energía.
En la mayoría de los casos compresión, la ley de los gases ideales es una aproximación razonable como ecuación de estado.
La complejidad matemática va aumentando a medida que el número de Mach aumenta. A partir de 1 Ma, las ondas de choque empiezan a aparecer y deben ser tomadas en cuenta, pues son de total importancia en el diseño aerodinámico del cohete.
Si quieres saber más sobre flujos compresibles y los sistemas de flujos, tenemos un post sobre buenas prácticas que mejoran la convergencia. Puedes revisarlo abajo:
