Regresaremos pronto

Tech Tester

Un Tech Tester, es un metodo demostrativo de la ingenieria, cuando se ha desarrollado una nueva tecnologia, es necesario demostrar su factibilidad, es diferente a la Prueba de Concepto, en el sentido de que esta solo se refiere a un principio teorico, mientras que el Tech Tester se refiere a un desarrollo tecnologico a demostrar.

Por ejemplo, un Tech Tester clasico seria el Me-262, los desarrollos a probar eran el ala en flecha, el motor a reaccion y la aerodinamica de flujo suave, en ese sentido se probo la Tecnologia totalmente revolucionaria, asociada a la idea del avion de caza a reaccion.

Usualmente un Tech Tester puede ser un prototipo sin todas las cualidades operativas de un mecanismo maduro, asi el Hs-132 seria el POC, y el He-162 el Tech Tester, la etapa de construccion de un Tech Tester es quizas la mas satisfactoria para un equipo de diseño, porque despues ya pasa a manos del equipo de pruebas y se convierte en un desarrollo industrial en toda la extension de la palabra, y usualmente es el momento en que pasa al equipo de produccion.

Prueba de Concepto

En la Ingenieria hay ideas que suenan sensatas, que convencen a todos de su aplicabilidad, pero que a la hora de pasarlas al metal, resultan estar equivocadas, y un error puede ser de millones de dolares, es por ello que se desarrolla lo que se llama una Prueba de Concepto.

Una Prueba de Concepto (Proof of Concept POC), es hacer un modelo funcional de la idea a realizar, usando los recursos disponibles, que pruebe si la idea es correcta o no, en principio, es anterior a la construccion de un prototipo y es diferente del Tech Tester, en el sentido de que esta es una prueba y no un demostrador.

Por ejemplo, el Concepto de Caza Ligero sonaba bien, un avion tan pequeño que fuese barato, y tan ligero que aun un motor pequeño le pudiese dar un gran empuje, armado con lo indispensable para el combate, el resultado, fue el diseño del Folland Gnat, pero antes de arriesgarse, la pequeña compañia Folland, creo un mini avion, para probar que tenia razon.

Otro ejemplo, el Avion Atomico, la idea de un avion que tuviese combustible para volar eternamente, sin necesidad de aterrizar, y al que se le pudiese pedir maxima velocidad todo el tiempo, sonaba magnifica, pero el concepto no maduro, cuando se empezo el diseño del POC, se vio que no habria paredes lo suficientemente gruesas y ligeras que permitieran a los tripulantes viajar sin riesgo de contaminacion por los reactores nucleares.

Filosofia del Alcance Maximo, Peso

Una interesante evolucion ha tenido la idea del Peso en la corriente de la Maximizacion del alcance, originalmente los vehiculos se construian con otras filosofias de diseño, por ejemplo los enormes buques veleros, como el Glorie, el Victorious o el Vasa a pesar de ser buques de guerra,m estaban extraordinariamernte decorados, con pesadas estatuasm, bañadas en oro y con enormes overboards llenos de decoraciones, mas parecidas a un castillo que aun buque, eran buques de la realeza y debian de ser ostentosos.

Esta filosofia es muy extraña a nuestro mundo, a donde lo que no es necesario es superfluo, por lo menos desde el punto de vista del alcance, entre menos peso tengamos que desplazar, mejor podemos aprovechar nuestro combustible.

Y esa ha sido la tendencia a lo largo del siglo XX, mas o menos respetada, por lo menos desde que se descubrio, disminuir el peso en un avion, para aumentar el alcance. Para los primeros aviones no fue en lo absoluto pensado, el objetivo de los primeros diseñadores fue hacerlos volar, el peso resultaba una nimiedad, el Flyer de los hermanos Whrigh es todo menos ligero, estructura de madera, unida por cables y cubierta con tela, marco la tendencia por muchos, muchos años, uno se pregunta en que estarian pensando los ingenieros aeronauticos de la Primera Guerra, aviones construidos de madera, que a la primera llovizna aumentaban su peso potencialmente,  cubiertos de tela y con motores apenas mas potentes que el de un Volkswagen.

No se como lo hicieron, pero lo hicieron, pelearon casi toda la guerra en ese tipos de aparatos, casi al final del conflicto, surgio el concepto de carga alar, que se define como:

Y se dieron cuenta de que entre menos peso llevaran, mas les duraria el combustible, fue entonces cuando se decidio reemplazar la resistencia de la madera con el metal corrugado, pero la idea no prendio, la guerra acabo y se siguio con las mismas y probadas tecnicas de construccion, increiblemente hasta los treintas volvio a hablarse del concepto, y no en el terreno de la aviacion, sino en el del automovilismo, los diseños de Auburn apelaban a la disminucion de la carga inutil y solo llevar lo mas indispensable, que junto a un diseño aerodinamico verdaeramente inspirado convirtieron sus autos en verdaderas esculturas sobre ruedas.

Junkers rescato la idea de reemplazar la madera y la tela en los treintas y sus aviones fueron hechos con la idea de la resistencia mecanica en mente, no tanto del alcance, pero pronto fue evidente que un avion de metal seria mucho mejor que uno de madera, ademas de la resitencia, se puede trabajar mejor el metal, en particular las nuevas aleaciones de metales ligeros, como el aluminio, que ademas son muy ligeras, la adopcion de estas ideas fue lenta, tuvo que venir la Segunda Guerra Mundial y la necesidad de alcanzar blancos lejanos como Berlin o Japon.

La solucion fue desde el punto de vista del peso, un avion tan ligero como fuera posible, para aprovechar al maximo el combustible, la Carga Alar se hizo un concepto inevitable y los nuevos aviones fueron diseñados para los nuevos materiales, en sus especificaciones tecnicas el peso vacio se volvio una obsesion, porque entre ams grande fuese la diferencia entre este y la maxima carga al despegar, mas grande se haria su autonomia y su eficiencia belica.

Al terminar la guerra se habian lograado verdaderas obras maestras de la ingenieria, el B-29, el P-51 o el Ju-352, aviones mas ligeros que algunos de sus predecesores, pero con mas del doble del alcance. Un B-29 podia alcanzar Japon desde las bases en el Oeste de China, y un P-51 escoltarlo.

Los materiales ligeros siguiendo siendo la norma por las decadas siguientes, no hubo un cambio sustancial hasta la llegada de los cazas supersonicos, a esa velocidad, el aluminio se derretia, haia falta algo diferente, y se probaron nuevas aleaciones, con metales especialmente diseñados, y que todavia hoy son secretos, seguidos por plasticos y ceramicas tan ligeras que un solo hombre puede cargar una placa completa.

Casi al final del siglo, se hicieron algunos diseños de compromiso, sacrificando el alcance (herejia pura), y la velocidad, se desarrollaron materiales que podian absorver el radar y hacer a un avion invisible ante el, pero que eran tan pesados que impedian alcanzar grandes velocidades o alcances y esa es la tendencia actual, aviones invisibles al radar, a los infrarrojos y si se pudiese a la vista, aunque solo lleguen a la esquina y tengan que volver o reabastecerse de combustible.

Filosofia del Alcance Maximo, El Tanque Auxiliar

NECESIDAD TECNICA

En los treintas se enfrento seriamente,  por primera vez un problema peliagudo, ¿como hacer que un avion tenga mas alcance?.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La primera respuesta provino de Charles Lindberg, que lleno su "Espiritu de San Luis" de tanques de combustible, convirtiendolo practicamente en un tanque de combustible con alas, su objetivo  cruzar el Atlantico, pero su solucion no servia en otros campos de la aviacion, porque su carga util era de cero. Una solucion mas practica desarrollada independientemente por Boeing, Junkers y Savoia Marchetti, fue hacer aviones mas grandes, mas resistentes, y con tanques de combustible en cada espacio disponible del ala, dejando el fuselaje para sus otras funciones, transportar pasajeros, carga o bombas.

El inicio de la Segunda Guerra Mundial llevo a replantearse las necesidades, si, seguimos queriendo mas alcance, pero los tanques deben de resistir los rigores del combate, ademas, los aviones deben de mejorar sus prestaciones militares, velocidad, manibrabilidad, techo, autonomia, carga util, avionica, y todo lo que se les pueda ocurrir, (aunque claro, no todo funciona).

En particular, los tanques tenian un par de problemas, si aumentaban de tamaño, se hacia a cambio de quitarle espacio al armamento y al blindaje, y el otro era que eran muy delicados antes las municiones enemigas, bastaba una rafaga bien colocada como para volver un flamante avion en una bonita antorcha.

Lo primero se soluciono desarrollando el tanque autoobturable, una idea genial como casi todas las que definen la historia de la Ingenieria, que por definicion significa crear ideas, exactamente igual que la Filosofia, pero con matematicas y maquinas, en vez de con sueños. En cambio la segunda fue simplemente genial y se sigue desarrollando en la actualidad, el tanque auxiliar de combustible.

Esta ultima idea tardo mas en gestarse, la primera solucion fue hacer mas grandes los aviones, pero enmedio de la guerra y con lineas de produccion saturadas y unidades de combate devorando la produccion, de tal forma que apenas y alcanza esta a cubrir las bajas, la idea de eliminar la produccion para crear una nueva generacion de aviones que aun ni siquiera se han desarrollado, era absurda, hacia falta algo urgente y facil de fabricar, que no requiriera de hacer modificaciones drasticas a los aviones ya en servicio.

Y el primer tanque de combustible surgio, los Spitfire Mk V trop que serian enviados a Malta recibieron un nuevo tanque en medio del tren de aterrizaje, atornillado al  fuselaje y conectado directamente al motor, hecho de tal forma que se ajustara tanto como fuese posible a la forma aerodinamica del Spitfire, de esta forma se aumentaba su alcance, aunque se reducian sus otras prestaciones, una vez en Malta, los mecanicos retirarian los voluminosos tanques y los cazas recuperarian sus magnificas prestaciones, la teoria era robusta, la consecucion fue peligrosa, pero la realidad siempre depara un destino incierto, los aviones, menos uno, llegaron perfectamente a la isla, pero los alemanes, pendientes del radar, organizaron un ataque aereo a las pistas de Malta, para que coinicidiera con la llegada de los nuevos aviones, destruyendolos practicamente todos en tierra.

Uno de los mas grandes atributos britanicos es la tenacidad, (mas conocida en Mexico como terquedad), y lo volvieron a intentar, pero en esta ocasion hicieron despegar a los cazas de la defensa de la isla para proteger a los aviones recien llegados en el momento mas delicado.

Pero la terquedad va mas alla, la idea de que un tanque no obstaculizara el rendimiento de un caza, seguia atormentando a los diseñadores, apareciendo la idea del tanque externo desechable, una tanque externo era magnifico desde donde se le viese, el avion casi no resultaba afectado en sus prestaciones de vuelo normales, camino al combate, y en cuanto se encontraba con el enemigo, soltaba sus tanques y se volvia tan eficiente como lo soño su diseñador. (de esa era proviene la frase que todo piloto de caza conoce tan bien y que se ha vuelto casi la orden de combate: ¡largar tanques!).

Tanque Auxiliar externo

El diseño del tanque de combustible lanzable se vuelve ese momento, parte de la Historia de la Ingenieria, que se platicara en otro lugar, y de la que solo mencionare que tenia que respetar las maximas caracteristicas tecnicas del aparato y seguir las leyes de la aerodinamica,

CONTINUARA...

Autor: Sergio Tellez

Filosofia del Alcance Maximo 2

Esta primera solucion, el Tanque de Combustible Auxiliar desechable, era ideal, para los aviones de caza, pero los bombarderos, no van a luchar contra otros aviones, van a bombardear blancos y en ese trabajo no parecia muy util lanzar tanques auxiliares, en el caso de los bombarderos se siguio el camino de disminuir su carga para hacerlos llegar mas lejos (los Swordfish de Taranto, para dar un ejemplo) y recurrir a los bombarderos de defensa hemisferica norteamericana como el B-17 y el B-24, adaptados al bombardeo estrategico, en lo que se conseguian, primero mas bombarderos, y despues mas grandes, como el Lancaster o el Halifax y finalmente el gigantesco B-29, con mucho mas alcance (aqui hay que hacer notar, que ni los alemanes, los italianos o los japoneses pudieron resolver ese problema tecnologico).

Pero hay veces que mucho no es suficiente, en 1944 solo habia un territorio los suficientemente cerca de Japon: China, pero aun desde los aerodromos mas avanzados, solo se alcanzaba una parte de la isla y el tiempo sobre el blanco era irrisorio, Los bombarderos pesados consumen combustible a un ritmo prodigioso, el tamaño de tanques auxiliares que les permitieran tener el alcance indicado, reduciria su capacidad ofensiva en una proporcion del tipo:

R = kC / G

R es el alcance, C es el Combustible y G la Carga Util, con k la constante de proporcionalidad, que despues de los calculos iniciales y las primeras pruebas en Wright Field (el centro de desarrollo tecnologico de la entonces USAAF), resulto de tal tamaño, que lo unico que prodrian tirar sobre los japoneses serian escupitajos, era obvio que por ahi no iba el camino, asi que se desarrollaron mas ideas, una de ellas fue el Cornellius XFG-1, un planeador complatamente cargado de combustible, que seria arrastrado por cada B-29, y del que se abasteceria de combustible por medio de una manguera, el otro fue la idea de crear una estacion de combustible con alas, que pudisese abastecer a la flota a medio vuelo, y si bien se pensaron algunas cosas mas (dirigibles de helio con depositos de combustible, globos con conexion a depositos terrestres, portaaviones aereos y quien sabe cuantos conceptos mas), la verdad es que no se encontro una solucion tecnica al problema, y fue por ello que los Marines tuvieron que pelear las sangrientas batallas de Okinawa e Iwo Jima, si a alguien se le hubiese ocurrido la idea del reabastecimiento aereo desde un avion cisterna por una sonda, esas batallas no hubiesen sido tan necesaria y menos sangre se hubiese derramado.

El tanque auxiliar remolcable, se abandono su desarrollo

Pero la idea del avion tanque no aparecio sino hasta despues de la guerra, y el KB-29 dio origen a la tecnologia del Abastecimiento Aereo Estrategico de Combustible, que sigue siendo la solucion para los grandes bombarderos de hasta nuestros dias.

La Ingenieria no se detiene, si bien la idea del tanque auxiliar duro mucho tiempo, nunca fue totalmente satisfactoria, afecta el poder de carga de los aviones pequeños, aun el mejor fabricado y mas aerodinamico tanque, crea un feo fenomeno de resistencia al aire y evita que se pueda usar al maximo la capacidad ofensiva de un aparato, cada litro de combustible extra sigue siendo menos kilos de bombas transportadas. Los norteamericanos en Vietnam decidieron usar los aviones de abastecimiento aereo para los pequeños cazabombarderos tambien, y asi vemos F-100 o A-4 con sondas especiales de combustible, esta tecnologia es una buena solucion si se domina el cielo, pero en uno que no esta en nuestras manos como lo era el cielo europeo de los 50s al final de la Guerra Fria, un KC-135 no hubiese durado ni una hora ante la masa de cazas rusos.

Habia que encontrar otra solucion, y esta vino con la introduccion del tanque conformal, ya no es un tanque aerodinamico colgado de las alas, sino un engrosamiento del fuselaje del aparato, el fuselaje que antes solo habia sido carga inutil en los cazas, se volvio parte de la sustentacion en los cazas de la generacion Teens (adolescentes en ingles, y se refiere al F-15, F-16 y F-18), con sus anchos fuselajes se podia aumentar la superficie de sustentacion, y ya que hablamos de aumentar areas, porque no aumentar unos 20 centimetros con un tanque de combustible diseñado para que se una perfectamente a las lineas del fuselaje, no aumente mucha resistencia al aire y que en cambio aumente la L (S en otras ecuaciones) del avion. 

El ultimo grito de la moda

el tanque conformal

Y aqui acaba la primera historia de la Filosofia de Diseño del Alcance de un avion militar, pronto agregare la de los aviones comerciales, que siguieron otro camino, y la de el desarrollo de tecnologia de materiales, que basicamente es otra forma de pelar al mismo gato de AUMENTAR EL ALCANCE.

Filosofia del Alcance Maximo, Materiales

La Tecnologia trabaja con los materiales disponibles, los primeros aviones estaban fabricados de Tela y Madera, con metal solo en los motores, durante muchos años ese fue el Paradigma (la forma en que todos hacian las cosas), los aviones de los Hermanos Wright y los triplanos basicamente tenian el mismo principio basico de construccion, solo que mas de una decada paso entre ellos, se pudo lograr aumentar la distancia recorrida por los aviones por medio de diseños de alas mas eficientes, motores mas potentes y tanques de combustible mas grandes en los aviones, incluso se introdujo el concepto de Carga Alar, para dar una relacion entre el peso de una aeronave y su area de sustentacion, algo era tan evidente, que nadie puso mucha atencion en el asunto, la madera es pesada y fragil, lo mismo con la tela, una lluvia fuerte podia convertir un gracil avion en un ladrillo con alas, un viento fuerte podia rasgar un ala o dejar encuerado el fuselaje, hacian falta materiales mas resistentes.

Casi al final de la Primera Guerra Mundial, a Junkers se le ocurrio una gran idea, usar metal corrugado, si bien era tan pesado como la madera, podia ofrecer mayor resistencia mecanica y repeler el agua, ademas si se maquinaba con mucha eficiencia, podian hacerse placas de metal tan delgadas, que pudiesen ahorrar peso, la idea era el camino correcto, pero tardo en prender, increiblemente, hasta 1940 seguian construyendose aviones de madera y tela.

Buena parte del mundo se dio cuenta de las ventajas, pero la costumbre es algo dificil de vencer, despues de todo, la madera era bien conocida, facil de manejar y muy barata, en cambio el metal requeria de grandes fundiciones y en su forma de los veintes, muy pesado.

Pero llego la guerra, la escasez y el Aluminio, un metal muy ligero, muy resistente y magnificamente ductil, que pesaba solo una fraccion del peso de la madera y del metal, con un avion del ligerisimo material, podian hacerse proezas en el alcance, con el mismo combustible y motor, un Hurricane de aluminio podia tener casi el doble de alcance que uno de madera, y pronto hubo una fiebre de aluminio, todos los paises lo adoptaron en la medida de sus capacidades, y para 1945, solo la URSS seguia haciendo aviones de madera (aunque tan bien que mereceria un estudio especial de ellos).

Parecia el sueño dorado de todo Ingeniero, pero el sueño duro poco, no mas de una siesta, para los cincuentas, la velocidad era lo que contaba, y el debil aluminio no era util para resistir las enormes temperaturas y esfuerzos a los que se sometia al fuselaje con los nuevos motores a reaccion, demasiado pronto se descubrio que los aviones de aluminio podian hacerse pedazos ante las violentas fuerzas de cizallamiento de una maniobra con Gs elevadas.

La respuesta, vino del lado de la Metalurgia, nuevos tipos de metales fueron producidos, mezclas aun secretas, de Acero y Aluminio, ductiles, resistentes y practicamente adiabaticas, la nueva generacion de Jets Century aparecio en sus resplandecientes acabados metalicos, pero el precio que se pago fue elevadisimo en cuestiones de alcance, el nuevo F-104 fue descrito como un avion en el que das un par de pasos gigantescos y despues tienes que aterrizar porque ya no tienes combustible, el radio efectivo de los aviones se redujo casi a la mitad, un Skyraider podia permanecer en vuelo mucho mas tiempo que cualquiera de los modernos jets.

Se hizo una solucion pragmatica, enormes tanques de combustible auxiliares, aviones cisterna volando permanentemente, eliminar la pintura y cualquier otro peso innecesario, para ir de Estados Unidos a Inglaterra, un F-100 tenia que hacer cinco reabastecimientos aereos, y literalmente, no se podia volar fuera de casa sin un un buen KC-135, como que el camino no iba por ahi.

El Phantom vino a revolucionar todo, repentinamente, los metales se volvieron mixtos, no menos de 10 tipos diferentes de metal se usan en un Phantom, casi todos secretos, pero todos ellos le dan una resistencia mecanica y una ligereza increibles, en particular el Titanio demostro ser el metal ideal, ligero y resistente, se recuperaron los viejos alcances de la guerra, y con toda la parafernalia inventada para la serie Century, se logro finalmente tener un avion de alcance mundial, si un F-4 hacia cinco reabastecimientos aereos, podia llegar de Estados Unidos a Iran.

La tecnologia siguio adelante, por primera vez, hubo conocimientos nuevos antes de las necesidades tecnicas, la generacion de los Teens, (F-14, f-15, etcetera), fue diseñada con nuevos materiales revolucionarios, en particular plasticos, y metales diseñados en laboratorio, tan ligeros, que un avion vacio de la nueva generacion pesa menos que uno de la anterior, con mejores motores y mas combustible, ahora simplemente un F-15 puede dar la vuelta al mundo con cinco reabastecimientos aereos.

Y la nueva generacion, ha hechado mano de tecnologia mas novedosa, materiales mas resistentes e increiblemente, mas ligeros, las ceramicas no solo dan resistencia mecanica, sino tambien aislamiento termico y electronico, hay aviones actuales que pueden transmitir una onda de radar integra, sin reflejar nada, y la ceramica pesa menos que su contraparte de plastico.

Filosofia del Diseño

He de reconocer que hay areas en la Ingenieria que tienden a confundirse y a yuxtaponerse, pero que todo Ingeniero o Cientifico debe de tener muy en claro, un caso muy claro es el de la Filosofia del Diseño en la Ingenieria, que aunque aparenta ser muy parecida a la Filosofia de la Ingenieria, no son en lo mas aboluto semejantes.incluso terminos como Filosofia del Diseño y Diseño Industrial parecen cercanos, pero en realidad son totalmente diferentes.

Como casi todo en Ingenieria, la difernecia de conceptos puede verse solo en un ejemplo, tomare el del Transporte Publico de particular a general.

Diseño Industrial

Alguna vez Lee Iacocca dijo que si por el fuera, contrataria mas diseñadores y menos ingenieros, la razon, muy simple, los automoviles son un producto de consumo y como tales, deben de ser muy agradables a la vista, hermosos, casi artisticos, aunque claro, arte funcional, y quien puede negarlo, un moderno Ferrari LaFerrari 2013 ofrece muy pocos cambios tecnologicos nuevos, pero es toda una obra de arte tecnologico, practicamente una escultura con motor, ese es el trabajo del Diseñador Industrial.

Ferrari Laferrari, muy poca nueva tecnologia, pero una
gran obra de Diseño Automotriz, una escultura con motor.

Filosofia del Diseño

La Filosofia del Diseño tiene que ver mas en como hacemos las cosas, mas que en las cosas mismas, asi por ejemplo, la Filosofia en voga en la actualidad es la del maximo rendimiento de combustible con el motor mas potente, claro viendo de nuevo al Ferrari, porque en el area del auto GT es mas bien economia de combustible combinada con materiales ligeros y motores medianos, unido todo en el concepto de Maximo Alcance.

El Batimovil, la Idea de lo mas deseado en los
sesentas, buen diseño, tecnologia de metal, sistemas
analogicos y nada de seguridad interior

Pero si vemos los sesentas, los autos se diseñaban con un concepto diferente, materiales resistentes, diseños espectaculares y el uso de la bien probada tecnologia del metal, el auto mas fantastico de los sesentas era el Batimovil, digno representante de la apariencia sobre la utilidad.

Filosofia de la Ingenieria

Esta es mas bien el porque hacemos las cosas, en esta sociedad industrial, se considera mejor el transporte privado sobre el publico, las ciudades se han diseñado tomando en cuenta al auto como medio principal de transporte, la industria esta optimizada para la produccion de autos, los restaurantes tienen secciones destinadas a este mercado. Por ejemplo, si se decidiera que los autobuses y no los autos fueran el transporte  principal de la ciudad, se tendria que rediseñar todo, mas radical aun, si volviesemos a pasar una crisis de combustibles como la de los setentas, tendriamos que pensar en una solucion tecnologica que no tuviese motor, como los Romanos, los Hunos o los Aztecas, tendriamos que optar por otras soluciones de transporte publico, lo que se definiria como un Paradigma, (aunque no me gusta mucho la palabra, demasiado manoseada por los ignorantes)..

Si el concepto de transporte publico fuese la transportacion
masiva, las ciudades se diseñarian alrededor de los autobuses
y el enfasis se pondria en la seguridad y comodidad interior

Este Blog sera integramente dedicado al Diseño de la Ingenieria, colocare en el los articulos relacionados a ella que estaban en el Blog de Filosofia de la Ingenieria, dedicando el anterior a ese tema en particular. su amigo Sergio Tellez les da la Bienvenida.