La futura carretera aeroespacial colombiana: contribuciones desde la mecánica de fluidos al desarrollo aeronáutico del país

Brayan Manuel Guerrero Martínez, estudiante de Maestría en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Aeroespacial. Crédito: cortesía investigador.

La ubicación geográfica de Colombia la sitúa en medio de un escenario complejo en materia aeronáutica, pues las altas cadenas montañosas ponen en peligro las operaciones de aviones y limitan la conexión con zonas distantes del país. Sin embargo, esta característica ofrece y exige, a su vez, el desarrollo de nuevos dispositivos adaptados a la complejidad geográfica en el territorio, en materia de potencial aeroespacial. Una investigación evalúa el comportamiento de un prototipo en estos escenarios y busca poner a prueba un diseño novedoso que contribuya al desarrollo de los aviones en un futuro.

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Una apuesta por contribuir a la aviación del mañana

Regiones como el Pacífico, los Llanos Orientales y la Costa Atlántica, debido a sus características topográficas, convierten a Colombia en un país con un vasto potencial en materia aeroespacial. Dichas regiones, donde predominan amplias extensiones llanas y formaciones montañosas, son un escenario ideal para fortalecer y aumentar el transporte aéreo para regiones de difícil acceso, de manera tal que pueda ser posible el uso de helicópteros, aviones, drones y dirigibles destinados para fines comerciales y tareas de investigación académica y tecnológica. El desarrollo y posterior puesta en marcha de este sector requiere de una infraestructura adaptada a las características de estos territorios, lo que supone un desafío de cara al diseño de elementos que ayuden a sortear estas circunstancias sin que ello implique un retroceso. 

Ante este escenario, el Ingeniero Mecánico Brayan Manuel Guerrero Martínez decidió realizar un proyecto de investigación enmarcado en la Maestría en Ingeniería con Énfasis en Ingeniería Aeroespacial de la Universidad del Valle. Este proyecto, dirigido por el profesor e investigador Guillermo Andrés Jaramillo Pizarro PhD, Director del Equipo de Investigación Impetus Indomitus de la Escuela de Ingeniería Mecánica, busca contribuir a la interconexión aérea del país con sus regiones más agrestes y apartadas. La idea de este proyecto es contribuir a lo que se espera que sea, según el profesor Jaramillo, la futura carretera aeroespacial colombiana que una al país.

“Desde mi área de conocimiento me he enfocado en la mecánica de fluidos, principalmente en la aerodinámica, que es la que estudia la interacción de flujos de aire u otros gases con cuerpos solidos”, señala el investigador Guerrero Martínez. Su investigación busca contribuir al desarrollo de dispositivos que cubran las necesidades y se adapten a la realidad geográfica colombiana, a través de la creación de un perfil aerodinámico experimental (que puede ser escalado hasta convertirse en el ala de un avión) cuyas características les permitan a aeronaves un mayor margen de maniobra en zonas de alta accidentalidad y aporten a la conexión de zonas de difícil acceso. 

La investigación: túnel de viento y banco de pruebas

Estructura del perfil alar utilizado en la investigación, NACA 0018. Las figuras en la parte inferior dan cuenta de los cuerpos romos que se pusieron a prueba. Crédito: cortesía investigador.

Tras la correspondiente revisión bibliográfica, que dio cuenta de estudios relacionados con la evaluación de dispositivos aeronáuticos similares cuyos resultados se publican desde los años 70, el investigador Brayan Manuel Guerrero Martínez realizó la experimentación de su prototipo en dos áreas, propias de la praxis dentro de la mecánica de fluidos: una experimental, que da cuenta de los resultados frente a condiciones y pruebas reales, y otra mediante simulación computacional de fluidos (CFD, por sus siglas en inglés), que le permitió visualizar más escenarios y obtener una información más robusta acerca del fenómeno evaluado.  La investigación utilizó una sección de un ala de aeronave, conocido como perfil alar (la forma), característica que se encuentra estandarizada para diferentes formas y tipos de aeronaves. En este caso se utilizó un perfil NACA 0018. 

En el proyecto se añadieron cuerpos romos (uno circular y otro triangular) en los puntos de borde de ataque del perfil, o sea, en el inicio o nariz del ala, que rotaban para acelerar el aire que pasaba alrededor del perfil. Esta adición tenía el propósito de aumentar la fuerza de sustentación y ayudar en el rendimiento aerodinámico del perfil como tal. 

Para la continuación del proceso, fue necesario construir dos instrumentos de evaluación experimental. Por un lado, un túnel de viento, construcción posible gracias al trabajo mancomunado del profesor Jaramillo Pizarro y los integrantes del Equipo de Investigación Impetus Indomitus, que permite tener flujos de aire controlados para realizar experimentos aerodinámicos. Y por el otro, un banco de pruebas, instrumento similar a una balanza que contenía celdas de carga para registrar fuerzas. Dicho banco fue diseñado para medir fuerzas, en dos ejes diferentes: aquella que eleva y permite volar a los cuerpos, conocida como fuerza de sustentación, y aquella que se opone al movimiento de los objetos, conocida como fuerza de arrastre. 

Este banco lo construyó el investigador Guerrero Martínez, según avanzaba en su investigación. 

 El proceso de montaje de los instrumentos fue el siguiente: el perfil alar junto con los cuerpos romos añadidos se dispuso debajo del banco, que estaba a su vez acoplado al túnel de viento, de manera tal que las fuerzas experimentales pudieran ser medidas mediante las celdas de carga (Strain gauge) y recopiladas a través del banco de pruebas para un posterior análisis. Para el registro de dicha información el investigador construyó un sistema electrónico de adquisición de datos basado en Arduino, aprovechando su accesibilidad en el ámbito académico.  La evaluación se realizó a diferentes velocidades de rotación en los cuerpos romos y distintos ángulos de ataque (la posición en que está el ala con respecto al flujo del aire), por su relevancia al investigar perfiles aeronáuticos. 

Balanza aerodinámica (banco de pruebas) que sirvió para modelar la información, según los distintos escenarios a los que sometió el prototipo alar. Crédito: cortesía investigador. 

Las variables que se buscaron evaluar a través de este proceso tuvieron que ver con el aumento en porcentaje de sustentación y de arrastre que podía tener el ala, la fuerza que registraba el dispositivo y las velocidades de rotación de los cuerpos romos añadidos. 

Para la simulación se utilizaron dos softwares: Ansys, de uso comercial, y Openfoam, de uso libre. A través de ellos se pretendía evidenciar el comportamiento de las líneas de corriente de aire una vez se encontraban con el dispositivo, cómo atravesaban el perfil alar y cómo los cuerpos añadidos modificaban el flujo del aire. En las simulaciones CFD se resolvieron las ecuaciones de Navier-Stokes, conocidas por modelar el flujo aerodinámico de cuerpos, mediante el método RANS (Reynolds Average Navier-Stokes) y el modelo de turbulencia K-ω SST. 

Los resultados numéricos se comparaban con los obtenidos a través del proceso de experimentación realizado con el túnel de viento y el banco de pruebas.

Comportamiento del prototipo y líneas de corrientes de aire, analizados a través de simulación computacional de fluidos. Crédito: cortesía investigador.

 Conclusiones de la investigación

“Dentro del trabajo se logró demostrar lo que de alguna manera se menciona en la literatura, y es que la adición de esos cuerpos romos ayuda a mejorar la sustentación y, por tanto, el rendimiento de un perfil y posteriormente de un ala”, dice el investigador Brayan Manuel Guerrero Martínez. Según él, pese a que la mejora para el cuerpo romo triangular fue solo de un 4% en cuanto a la fuerza de sustentación, para el cuerpo romo circular se obtuvo una mejora superior, con alrededor de un 20% más en la fuerza de sustentación. 

De otro lado, la investigación evidenció una mejora en la operabilidad del perfil a ángulos de ataque elevados, lo que contribuye a que en un futuro sea posible un mejor funcionamiento de aeronaves en zonas de altos niveles de accidentalidad debido a sus características montañosas.

“Estos resultados siguen demostrando los beneficios que, en un futuro, pueden tener estas tecnologías. Esto sigue siendo prometedor para el desarrollo de perfiles aeronáuticos en Colombia”, opina el investigador Guerrero Martínez.

Con respecto a la contribución de estos trabajos de investigación para el futuro de esa futura carretera aeroespacial colombiana, el investigador cree que habrá cada vez mayor espacio para este tipo de desarrollo, teniendo en cuenta el auge de dispositivos aeronáuticos, como los drones, de manera que estos dispositivos se puedan nutrir de los adelantos realizados en esta y futuras investigaciones. 

En tal sentido la Universidad del Valle está a la cabeza de apuestas innovadoras en este campo. “La Universidad ya está desarrollando las herramientas para crear dispositivos aeronáuticos. A nivel regional, estas tecnologías se pueden aplicar a dispositivos diseñados para Colombia”, son sus palabras.

Si le interesa contactar al estudiante de maestría o conocer más sobre la investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co.