El vuelo de las lechuzas inspira a la industria aeronáutica para proyectar aviones más silenciosos
Científicos brasileños estudiaron la morfología de las alas de estas aves para identificar las características que las hacen ejecutar un vuelo sin ruido.
La morfología de las alas de las lechuzas sirve para identificar características para ejecutar un vuelo sin ruido / Unicamp
La industria aeronáutica ha venido siendo presionada por las agencias reguladoras de la aviación a disminuir los niveles sonoros que generan las aeronaves que fabrican, de manera tal que para el año 2030 no sea más posible oír fuera del perímetro aeroportuario el ruido de un avión al despegar o aterrizar. Una de las soluciones para este problema fue la que hallaron científicos de la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil, en las alas de lechuzas y los búhos (Strigiformes).
Al estudiar la aerodinámica del vuelo de estas aves, considerado como el más silencioso, los investigadores del Laboratorio de Ciencias Aeronáuticas de la Facultad de Ingeniería Mecánica (FEM) de la Unicamp, en colaboración con sus pares del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), con sede en la localidad de São José dos Campos, y de la Universidad Lehigh, en Estados Unidos, identificaron características en sus alas que, al mimetizárselas en las alas de los aviones, permiten proyectar aeronaves más silenciosas.
“Desarrollamos un modelo numérico matemático para simular algunas características de las alas de las lechuzas y los búhos en las alas de los aviones y comprobamos mediante experimentos que esto permite proyectar aeronaves más silenciosas”, dice William Wolf, docente de la FEM-Unicamp y uno de los responsables del proyecto en su brazo brasileño.
Wolf es uno de los investigadores principales del Centro de Investigaciones en Ingeniería y Ciencias Computacionales (CCES), con sede en el Instituto de Química de la Unicamp y asociado al Centro de Ciencias Matemáticas Aplicadas a la Industria (CeMEAI).
El CCES y el CeMEAI son Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs), financiados por la FAPESP – Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo.
De acuerdo con el investigador, los aviones tienen diversas fuentes de ruidos aerodinámicos que se generan debido a la turbulencia en el escurrimiento de aire que pasa alrededor de sus alas. Esta turbulencia genera perturbaciones que convierten a la energía de la velocidad del aire en ondas acústicas.
En el despegue, cuando las aeronaves deben desarrollar su potencia máxima para alzar vuelo, la mayor parte del ruido la genera el motor. En tanto durante el aterrizaje, cuando la potencia del motor disminuye, las principales fuentes de ruidos aerodinámicos pasan a ser el tren de aterrizaje y las superficies hipersustentadoras, compuestas por las alas, los flaps y los slats, que son dispositivos móviles situados en las alas cuya función consiste en expandir la superficie y aumentar la sustentación de las aeronaves. “El ruido aerodinámico es provocado por la turbulencia en esos puntos de la aeronave”, explica Wolf.
En los últimos años, los nuevos motores aeronáuticos se han vuelto más eficientes y también mayores, por eso deben estar más cerca de las alas de las aeronaves para apartarse del suelo. Esta aproximación genera una interacción entre el ruido provocado por el motor y los bordes de fuga –la parte posterior de las alas–, que causa una dispersión acústica y aumenta el ruido de las nuevas aeronaves, explica Wolf.
Con el fin de hallarle una solución a este problema, los investigadores estudiaron la morfología de las alas de las lechuzas y los búhos para identificar las características que hacen que el vuelo de estas aves sea silencioso, a los efectos de reducir el ruido.
Los científicos observaron que las alas de las lechuzas y los búhos poseen plumas aterciopeladas, con franjas elásticas y porosas tanto en la zona frontal como en la parte posterior –los bordes de ataque y de fuga–, que rompen las estructuras de turbulencia en partes menores y disminuyen el ruido. Asimismo, los bordes de fuga son ligeramente serrados, lo que también contribuye para reducir el ruido durante el vuelo.
“Todos estos elementos encontrados en las alas de las lechuzas y los búhos actúan de manera tal de reducir el ruido que producen estas aves”, afirma Wolf.
Con base en estas constataciones, los investigadores desarrollaron un sistema de alas con flecha de la zona posterior, cuando la inclinación se orienta hacia la parte frontal de la aeronave. Esta alteración permitió reducir la dispersión del ruido del motor en el borde de fuga, modificando la difracción acústica y disminuyendo la generación de ruido.
Esta investigación, apoyada por la FAPESP, resultó en el depósito de patentes en Europa y en Estados Unidos sobre este nuevo concepto de proyecto de alas silenciosas. Los estudios se concretaron en colaboración con científicos del ITA, de la Universidad de Poitiers, en la Francia, y de Airbus.
El ruido en los trenes de aterrizaje
Los investigadores de la Unicamp también han desarrollado proyectos en esta área de investigación denominada aeroacústica en asociación con Boeing. En colaboración con ingenieros de la empresa aeroespacial estadounidense, evaluaron los efectos de la turbulencia en el tren de aterrizaje de una aeronave modelo 777 de la compañía, mediante simulaciones computacionales y técnicas estadísticas.
Los análisis indicaron que las principales fuentes de ruido en ese componente está constituida por las cavidades existentes en las ruedas y en el fuselaje de las aeronaves, empleadas para replegar el tren de aterrizaje durante el vuelo.
“Descubrimos que, a determinadas frecuencias excitadas por el escurrimiento turbulento, algunas de esas cavidades exhiben efectos de resonancia que generan un ruido muy intenso y que puede ser extremadamente perturbador para los oídos humanos”, dice Wolf.
Para efectuar las simulaciones, que demandaron 7,5 millones de horas de computación procesando los datos durante seis meses seguidos, se empleó una supercomputadora en Estados Unidos con 3.200 mil núcleos de procesamiento en simultaneidad.
“Fue una de las mayores simulaciones computacionales realizadas por Boeing. Una simulación por sí sola generó 50 terabytes de datos”, afirma Wolf.
Las aplicaciones en otras áreas
Los descubrimientos realizados en estudios de aeroacústica se han aplicado en otras áreas, como en la industria automotriz y en la de ventilación industrial, y en proyectos de turbinas eólicas.
A ejemplo de las alas de aviones, los álabes o paletas de las turbinas eólicas y los ventiladores industriales también se ven directamente afectados por la turbulencia, tanto en la parte frontal como en la parte posterior. En este caso, los bordes de ataque y de fuga generan ruido, según las observaciones de los investigadores en proyectos desarrollados en asociación con General Electric (GE), en el caso de los aerogeneradores, y con la empresa FanTR, fabricante de ventiladores industriales.
En tanto, en los automóviles, la turbulencia provoca tanto el aumento del consumo de combustible, en razón del aumento del arrastre, como de la generación de ruido, que les causa molestias al conductor y a quienes van junto con él.
Este último problema tiende a volverse aún más notorio en los próximos años, con el desarrollo de los vehículos eléctricos, autónomos y voladores. Por eso ha empezado a ser objeto de una mayor atención en la industria automotriz y, en el caso de los coches voladores, también de la industria aeronáutica, apunta Wolf.
Con el avance de los vehículos eléctricos, que generan menos ruido, la industria automotora deberá redoblar sus esfuerzos con miras a disminuir el ruido de otras fuentes en los automóviles. En tanto, en el caso de los coches autónomos, con la menor necesidad de prestarle atención a la conducción, los pasajeros podrán interactuar más en el interior del vehículo y dedicarse a otras actividades. “Pasarán estar más sensibles ante los ruidos externos generados por la turbulencia”, estima el investigador.
A su vez, los vehículos voladores, con despegue vertical, exhibirán altos niveles de ruido. “Si los drones pequeños ya muestran un alto nivel de ruido actualmente, cabe imaginar lo que será con diversos coches voladores transportando gente en una ciudad como São Paulo”, ejemplifica Wolf.
