Alternative Specifications and Robustness Checks

Los primeros intentos del hombre por desarrollar maquinas voladoras se vieron frustrados gracias al poco entendimiento que se tenia de las fuerzas que actúan durante el vuelo, lo cual llevo a desarrollar laboratorios en donde las alas, fuselajes y superficies de control fueran probadas y analizadas bajo condiciones controladas. Es allí donde se inicia la evolución de una herramienta fundamental para tales fines, el túnel de viento, la cual ha presentado tan buenos resultados que actualmente gran parte de la industria aeroespacial, gobiernos, y laboratorios de universidades tienen un completo espectro de túneles de viento que comprende desde bajas velocidades subsónicas hasta velocidades hipersónicas.

Por tal motivo es interesante hacer un recuento de la evolución de los túneles de viento. Increíblemente la historia se remonta hasta 400 años antes, porque el principio fundamental de las pruebas en los túneles de viento fue concebido por Leonardo da Vinci empezando el siglo XVI, este concepto se basa en el hecho de que:

“El efecto que genera el medio sobre un cuerpo, es el mismo que si el objeto se mueve en un medio inmóvil, o si las partículas del medio chocan con la misma velocidad sobre el cuerpo inmóvil”.

En el periodo comprendido entre 1707 y 1751 Benjamín Robins, un matemático ingles, fue el primero en emplear un brazo de giro, este giraba gracias a la acción de una polea y lograba velocidades de pocos metros por segundo. En este dispositivo se montaron diferentes formas y se concluyo que las teorías disponibles sobre resistencia al avance contenían defectos, ya que una misma sección no siempre presentaba la misma resistencia.

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Figura 1. Brazo de giro por peso de Robins.

(Fuente: http://www.hq.nasa.gov/office/pao/History/SP-440/ch1-2.htm)

Entre 1773 y 1857 Sir George Cayley desarrollo experimentos con varios perfiles aerodinámicos en un dispositivo parecido al de Robins, lo cual lo condujo a construir el primer planeador en 1804. La mayor contribución de Cayley fue el decir que si se usaba una planta motriz para crear un empuje traducido en movimiento, se puede crear sustentación en las alas.

El primer túnel de viento actual en la historia fue diseñado y construido por Francis Wenham en Greenwich, Inglaterra, en 1871. El túnel de Wenham no tenia más de 10 ft de longitud, estaba hecho de madera con una sección de prueba cuadrada de 18 in de lado. El aire atravesaba el ducto gracias a un ventilador colocado al frente, los objetos aerodinámicos eran colocados al final del ducto y allí Wenham media la fuerza de sustentación y de arrastre, pesando barras unidas al modelo.

Trece años después, Horatio F. Phillips, también un Ingles, construyó el segundo túnel de viento conocido en la historia. De nuevo, el ducto fue una caja, pero Phillips uso eyectores de vapor (boquillas de vapor de alta velocidad) para succionar aire a través del túnel.

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Otros túneles de viento fueron construidos antes de la hazaña de 1903. Por ejemplo, el primer túnel de viento en Rusia se debe a Nikolai Joukowski en la universidad de Moscú en 1891 (tenia 2 in de diámetro). Un túnel de viento de 7 in * 10 in fue construido en Austria en 1893 por Ludwig Mach, hijo del famoso científico Ernest Mach. El primer Túnel en los Estados Unidos fue construido en el Instituto de tecnología de Massachusetts en 1896 por Alfred J. Wells. Otro túnel en los Estados Unidos fue construido por el Dr. A. Heb Zahm en 1901.

Entre Septiembre y Agosto de 1902, los hermanos Wright emprendieron el mayor programa de investigación aeronáutica, con un túnel de viento conducido por un motor a gasolina; en este tiempo ellos probaron más de 200 perfiles hechos en acero. Los resultados de estas pruebas constituyen el primer gran impacto de un túnel de viento en el desarrollo exitoso de una aeronave.

Figura 2. Túnel de viento de los hermanos Wright.

(Fuente: http://www.solarnavigator.net/inventors/wright_brothers_wind_tunnel.htm)

El rápido crecimiento de la aviación después de 1903 fue de la mano del rápido crecimiento de los túneles de viento, en número y tecnología. En 1915, con la creación de la National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), cuyo fundamento fue el diseño de túneles de viento; el primer túnel de viento operacional de NACA fue puesto en funcionamiento en Virginia en 1920, tenía 5 ft de diámetro en la sección de prueba. En 1923 se construyo el primer túnel de

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viento de densidad variable con el fin de simular los altos números de Reynolds presentados en el vuelo; luego en 1931 NACA puso en operación un túnel de viento de sección ovalada de 30 ft*60ft, el cual podía desarrollar una velocidad máxima de 129 mi/h.

Luego en 1944, un túnel de viento de 40*80ft con una velocidad de 265 mi/h fue iniciado en California. Este es todavía uno de los túneles más grandes del mundo, en donde incluso aviones completos pueden ser montados en la sección de pruebas.

Todos los túneles de viento antes mencionados cumplen con los requerimientos de baja velocidad y flujo incompresible, pero a medida de que la velocidad de las aeronaves fue aumentando, se hizo necesario el desarrollar túneles de viento de alta velocidad. Este requerimiento llevo a NACA en 1927 a desarrollar un túnel de viento de 12 in de diámetro, que desarrollaba una velocidad de 765 mi/h en la sección de prueba.

El primer túnel de viento supersónico para pruebas aerodinámicas fue desarrollado por el Dr. A. Busemann en Alemania, a mediados de los años treinta. Tenía un difusor con una segunda garganta corriente abajo para desacelerar el flujo y para obtener a una eficiente operación del túnel. Basados en el trabajo de Busemann, los alemanes construyeron dos túneles supersónicos durante la segunda guerra mundial, los cuales fueron usados para desarrollar el cohete V-2.

El primer túnel supersónico construido en los Estados Unidos fue diseñado por Theodore Von Karman y sus colegas del Instituto de Tecnología de California en el año de 1944; este fue construido y operado en el Laboratorio de Investigación Balística de Ejercito en Aberdeen, Maryland.

Para la época de los años cincuenta el desarrollo de misiles intercontinentales, y el programa espacial en los años sesenta, permitieron el desarrollo de vehículos que

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alcanzaron altas velocidades en la atmósfera, lo cual elevo la demanda de túneles hipersónicos. El primer túnel hipersónico fue operado por NACA en 1947. Estos túneles son diferentes de los supersónicos, dado que para obtener velocidades hipersónicas, el flujo debe ser expandido hasta que la temperatura disminuye al punto de licuefacción del aire.

Actualmente el túnel de viento es indispensable para el desarrollo de aviones modernos, ya que durante la etapa del diseño es necesario desarrollar mediciones sobre modelos bajo condiciones controladas para poder maximizar el rendimiento de estos en vuelo real.

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