¿Cuán exhaustivamente se comprenden los riesgos de los materiales compuestos utilizados en aviones modernos como el 787 Dreamliner?

Las ciencias de la ingeniería aeronáutica han cambiado drásticamente desde los días de los desastres del cometa. Tales fallas de diseño estructural son ahora muy poco probables si se siguen las buenas prácticas de ingeniería. No es imposible que una falla de diseño pase por la fase de diseño y prueba, pero es muy raro. Los problemas serios que harán que un avión se estrelle debido a una falla de diseño ahora son casi desconocidos. Un avión civil probablemente no se ha estrellado debido a una falla de diseño desde la década de 1970. Las computadoras han jugado un papel importante en esto, pero incluso antes de que las computadoras alcanzaran los niveles de los últimos años, donde se pueden simular estructuras de aeronaves enteras de manera muy realista, también se hicieron otros avances.

Un área importante de progreso que hizo que los aviones modernos fueran mucho más seguros fue en las leyes sobre diseño estructural y pruebas. En la década de 1950 se podía diseñar, probar y volar un nuevo avión en menos de un año. Un avión nuevo ahora tarda varios años en pasar las pruebas legalmente requeridas antes de tener licencia para operar. Las pruebas de fatiga son particularmente rigurosas, ya que las pruebas de flexión en las alas se realizan con factores de carga horribles varias veces mayores que las cargas que una aeronave enfrentará en el uso real. Hay una parte de las pruebas estructurales modernas en las que se utiliza una plataforma para sobrecargar las alas hasta que se rompan, doblándolas hacia arriba y hacia abajo utilizando enormes gatos hidráulicos. Las alas del 787 Dreamliner eran tan fuertes que la plataforma se rompió y tuvieron que diseñar una especialmente para el 787, que nunca fue necesaria para ningún avión anterior. Esto muestra claramente cuánto más resistentes son los materiales compuestos que las estructuras metálicas, siempre que el control de calidad se realice correctamente.

La simulación también juega un papel importante en el diseño de aviones y realmente ha avanzado dramáticamente en las últimas décadas. Los pilotos de prueba normalmente usan un simulador para aprender a volar un nuevo avión antes de que el avión esté listo, y con frecuencia cada vez mayor informan que el avión: “Vuela como lo hizo el simulador”. En algunos casos, una simulación preparada incluso antes de que se construyera el prototipo. resultó estar dentro del 1% del rendimiento del avión real. Con simulaciones predictivas que alcanzan esa calidad, las cosas ahora son ridículamente seguras y ridículas, bueno, predecibles.

Las pruebas realizadas por ingenieros aeroespaciales son muy superiores hoy de lo que se conocía en la década de 1950. Las inspecciones realizadas regularmente en aeronaves también son superiores a las implementadas y utilizadas hace más de 60 años.

Una vez simuladas, las estructuras se someten a pruebas intencionales de estrés físico destructivo. El análisis de las estructuras se compara luego con el modelo teórico.

Todavía hay desafíos de ingeniería cuando se utilizan materiales compuestos. Varios componentes del A380 tuvieron que revisarse en función de las cargas que no se entendieron originalmente y de cómo deben fabricarse los materiales. Todos han sido resueltos.

El ala en sí es uno de los componentes más complejos para fabricar y cumplir con los requisitos conocidos. No se construye como un conjunto único, sino como varios subconjuntos. Se han realizado revisiones de seguridad de ingeniería para cada componente para detectar fallas, como fue el caso de un proveedor japonés de piezas de ala B-787. Los componentes fueron desechados y no reparados o reutilizados. Las aeronaves que ya se encontraban en el ensamblaje final en las plantas de Boeing fueron retenidas de la entrega hasta que se pudieran entregar nuevas piezas.

El problema no era el diseño, sino un cambio en el proceso de fabricación y se determinó analizando los componentes durante la inspección final de los ensamblajes y luego probados para verificar sus conclusiones. Hace 50 años, la capacidad de llevar a cabo estos procedimientos era problemática.

El diseño de la ventana cuadrada de Comet no era realmente un defecto, sino una limitación de los materiales utilizados para una especificación (cuadrado) y parámetros (presión) dados. Se determinó que el uso de esquinas y bordes cuadrados tiene limitaciones que requieren refuerzo (pesado) o una aleación diferente (aún más pesado). También se determinó que el uso de una forma radial más ancha, la resistencia del aluminio de los aviones y la vida útil de la fatiga mejora dramáticamente sin la necesidad de refuerzo o el uso de una aleación más pesada. El uso de esquinas cuadradas no era el problema principal. Los ingenieros aeroespaciales los habían usado durante décadas. Lo que no se entendió bien fue la concentración de estrés.

Los ingenieros de De Havilland estaban probando el fuselaje utilizando tanques de agua para analizar los ciclos de estrés previstos para la vida útil de la célula. Se encontraron grietas en las esquinas utilizando cargas de presión que excedieron los ciclos normales de los que realmente se usarían. Lo que luego se determinó usando nuevos sensores (posteriores al accidente) conectados a las secciones de las esquinas, fue cuánto estrés realmente ocurrió, era inexacto y las cargas de ingeniería requeridas para soportarlo. Fue un momento de aprendizaje que cambió para siempre la educación aeroespacial y el análisis de diseño.

Por supuesto, es imposible estar totalmente seguro. Pero los materiales compuestos no son nuevos: se han utilizado para componentes de aviones durante más de treinta años. Han aumentado gradualmente en importancia, desde los carenados a través de las aletas hasta la sección de cola grande y, ahora, todo el fuselaje. Los fabricantes no se han apresurado en los compuestos: han pasado mucho tiempo preparándose para el uso a gran escala. Y encontrará muchos estudios sobre detección de daños (los compuestos no muestran abolladuras como el metal, por lo que pueden tener daños ocultos), reparación, tolerancia a la iluminación (los compuestos no conducen como el metal), etc. La subida a un avión principalmente compuesto ha sido durante décadas, mientras que el Comet se construyó bajo un modelo anterior en el que se desarrollaron nuevos aviones en una escala de tiempo de meses para aviones de combate y uno o dos años para aviones civiles. El modelo fue construirlo, volarlo, arreglar las cosas que se rompen. El modelo actual es simular y probar para que lo haga bien antes de construir cualquier cosa. Las pruebas de vuelo ya no son para encontrar lo que el avión puede hacer, sino para verificar que las predicciones de lo que podría hacer sean correctas. Nada es seguro, pero todo el campo ha cambiado tan enormemente que el cometa no es un precedente para tomarse en serio.

Agregando a la respuesta de Tim Chavez – “Sorprendentemente completo” ¿Qué tal 160,000 ciclos de despegue / aterrizaje? : http://www.bizjournals.com/seatt …

El Comet era un problema clásico de fatiga y se probó incorrectamente. Se ha aprendido mucho en el último medio siglo de diseño de aviones.

Boeing 787 Dreamliner es el primer avión comercial cuyos componentes estructurales principales están compuestos de compuestos en lugar de aleaciones de aluminio.

Boeing 787 Dreamliner va a utilizar laminados de carbono y compuestos compuestos de carbono.

Saber más sobre

9 datos interesantes que debe saber sobre los materiales compuestos de aeronaves

junto con la gran respuesta de tim, tres comentarios …

1. Ha habido décadas de análisis de la mecánica de fractura (nucleación de grietas y crecimiento) en un amplio conjunto de aplicaciones para productos basados ​​en fibra de carbono. Boeing tenía una gran cantidad de datos a su disposición en función de los esfuerzos de investigación en todo el mundo, además de una gran cantidad de pruebas para asegurar un diseño de ingeniería excesiva.
2. mi papá trabajó para Boeing durante 35 años y construyó la mayoría de los silos de misiles Minuteman. Una gran ingeniería sucedió allí debido a los ingenieros de Boeing, a pesar de que la caricatura de Dilbert fue escrita por un ex ingeniero de Boeing. hecho extra: la ingeniera con el cabello triangular es una ingeniera mecánica de la escuela de minas del sur de dakota … mi alma mater … historia real!
3. la faa no tiene sentido del humor … todo lo que se hace con el avión se evalúa tan de cerca como una droga o dispositivo médico enviado a la FDA. Si los aspectos del diseño, materiales o pruebas utilizados para el control estadístico del proceso no cumplen con las especificaciones, el avión no vuela …

Me atrevería a adivinar que no tienen control teniendo en cuenta los problemas que se han encontrado cuando se producen incendios cuando el avión está en vuelo.

El humo colectivo de los materiales quemados ha superado y / o matado a los pasajeros, algo de esto es causado por elementos traídos a bordo por los propios pasajeros.