Aviones con motores integrados en el fuselaje, el rompedor diseño que va a cambiar la aeronáutica

El estruendoso rugir de los motores de los aviones en la maniobra de despegue provoca una contaminación acústica muy importante en las localidades cercanas a las cabeceras de las pistas. Esto se traduce en estrés que puede llegar a provocar cuadros de ansiedad importantes donde la falta de concentración o el descanso reparador son casi inevitables.

La situación es de sobra conocida tanto por los fabricantes de las aeronaves como por las autoridades aéreas, que trabajan mano a mano para intentar reducir al máximo el ruido. Y, de vez en cuando, algunos equipos de científicos consiguen concluir un nuevo análisis tecnológico que acerca un poco más los vuelos silenciosos.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Bristol ha estudiado cómo se genera y propaga el ruido en los motores conocidos como de propulsión de ingestión de capa límite (boundary layer ingestion, en inglés, o BLI por sus iniciales) que son los que emplean algunos de los futuros aviones más eficientes. Este tipo de motores son similares a los que se encuentran en los aviones modernos, pero están parcialmente integrados en la parte trasera del fuselaje en lugar de debajo de las alas.

Motor BLI con el que han ensayado los científicos Universidad de Bristol

Este nuevo diseño de propulsor ingiere el flujo de aire de la capa límite más lenta —la que recorre el fuselaje de la aeronave— y la utiliza para generar el empuje necesario para mover el avión. "El uso de la capa límite de aire más lenta significa que los motores no tienen que trabajar tan duro, por lo que el consumo de combustible disminuye", señalan desde la NASA, una de las instituciones que más está investigando este tipo de motores.

"Al mismo tiempo, la resistencia del avión en sí se reduce, ya que los motores 'ingieren' parte de esa resistencia", apuntan. Por lo que el rendimiento aerodinámico de la aeronave es mejor y, al mismo tiempo, se necesita generar menos empuje por parte de los motores.

Motor más eficiente

Si bien existen muchas compañías inmersas en el desarrollo de esta tecnología, hasta ahora no se había evaluado cómo es su impacto acústico. El estudio publicado en la Journal of Fluid Mechanics profundiza en el ruido producido por los motores BLI con conducto, aquellos que no están totalmente integrados en el fuselaje sino que se encuentran a medio camino con los esquemas tradicionales.

El equipo de investigadores, liderado por el profesor Feroz Ahmed de la Escuela de Ingeniería Civil, Aeroespacial y de Diseño de Bristol, descubrió que el patrón de ruido cambia según la cantidad de empuje que produce el ventilador —fan, en inglés y en jerga aeronáutica internacional—. Cuando el fan produce un gran empuje, observaron un patrón de ruido similar al que se ve en los ventiladores sin conductos, los que van totalmente integrados dentro de la nave.

Motor BLI integrado en el fuselaje del avión Nova Onera

Sin embargo, cuando el ventilador produce menos empuje, el patrón de ruido varia porque el propio conducto comienza a ser más ruidoso. "Nuestro estudio aborda esta urgente cuestión del ruido, que supone un obstáculo importante para la obtención de certificaciones, al descubrir la física detrás del que producen estas configuraciones", explica Ahmed.

"Las investigaciones anteriores sobre configuraciones BLI se centraron principalmente en motores sin conducto, donde la capa límite se forma sobre las superficies planas del fuselaje", afirma. "Sin embargo, existe una laguna de conocimiento cuando se trata de motores con conducto que ingieren el aire alrededor de las superficies curvas del fuselaje". Tal y como se ve en algunos desarrollos como el Onea Nova, el Aurora D8 de la NASA y el MIT o el Airbus Nautilus.

Tal y como explica en una nota publicada por la Universidad de Bristol, "en este estudio hemos examinado de cerca los diversos factores que contribuyen al ruido producido por los ventiladores con conductos integrados e instalados en superficies curvas de la estructura del avión".

"Al comprender los mecanismos de ruido en los ventiladores con conductos BLI, se espera que se puedan desarrollar pautas industriales para sistemas de propulsión integrados en el fuselaje más silenciosos en futuros conceptos de aeronaves", indica. "Desde aviones convencionales a gran escala hasta despegues y aterrizajes verticales eléctricos a pequeña escala, como los VTOL".

Los investigadores diseñaron un banco de pruebas BLI con conducto y eléctrico montado junto a una pared curva, replicando la configuración de motores integrados que se ven en diseño como el concepto de avión Onera Nova. Recolectaron entonces diferentes tipos de datos de la plataforma, incluidas mediciones de la potencia de empuje del ventilador y la cantidad de ruido generador. Analizaron entonces todos los parámetros y variables participantes y consiguieron descubrir dónde se origina el ruido y cómo varía con la velocidad del fan.

"Con la creciente demanda de una experiencia de vuelo placentera con el mínimo impacto ambiental, existe la necesidad de aviones más silenciosos", plantea Ahmed. "Esta investigación tiene aplicaciones potencias en el desarrollo de estrategias para reducir las emisiones de ruido en el sector de la aviación".

Onera Nova

Onera es una compañía francesa que, en 2015, presentó su concepto de avión Nova. Se trata de una plataforma con un concepto muy similar al que han evaluado los científicos de la Universidad de Bristol y que promete protagonizar algunos de los aviones de pasajeros de un futuro no muy lejano.

Los aviones comerciales actuales son herederos prácticamente directas de las fórmulas aerodinámicas y de propulsión de los años 50 y 60, donde la industria aeronáutica tuvo una de sus épocas doradas. "Debemos considerar configuraciones de aeronaves innovadoras para enfrentar muchos desafíos", señalan desde Onera. Entre ellos está los objetivos ambientales ambiciosos que pasan tanto por la reducción en el consumo de combustible como de la contaminación acústica.

El propósito de Nova es emplear un nuevo tipo de motor más eficiente y silencioso, pero también más grande y pesado que sus homólogos. El equipo de ingenieros tomó la decisión de colocarlos en la parte trasera de la aeronave, "semienterrados en el fuselaje", según indican. Que se alimentan por la misma capa límite de aire que han estado investigando los científicos con su motor BLI.

Se trata de un concepto de avión de transporte de media distancia que aprovecha todas esas tecnologías disruptivas, tal y como explican. "Onera ha desarrollado cuatro configuraciones para explorar diferentes posibilidades de integración del motor". Tiene capacidad para transportar hasta 180 pasajeros a 5.500 km y alcanzando unos 900 km/h. Se desconoce cuándo podría entrar en servicio.