Uso de vibraciones para descongelar las alas de los aviones

La formación de hielo en las alas de un avión es peligrosa para toda la aeronave. El hielo reduce la sustentación, aumenta la resistencia y puede afectar a la movilidad de las superficies de control de vuelo, como los elevadores, los alerones y los timones. En el peor de los casos, el avión puede entrar en pérdida en el aire y estrellarse. El problema puede surgir en cualquier época del año, especialmente cuando un avión atraviesa nubes o capas de aire frío y húmedo después del despegue o durante la aproximación. Para solucionar este problema, los aviones están equipados con sistemas térmicos que extraen aire caliente de los motores y lo canalizan a través de la superficie de las alas. Sin embargo, este proceso requiere una gran cantidad de energía y también afecta a la eficiencia del motor.

El Instituto Fraunhofer de Durabilidad Estructural y Fiabilidad de Sistemas LBF se ha asociado con otros socios para desarrollar un método de deshielo que ahorra energía. La idea básica es hacer vibrar la parte helada del ala del avión para que el hielo se rompa y se desprenda.

En primer lugar, unos sensores detectan la formación de hielo en secciones específicas del ala. A continuación, se determina la frecuencia de resonancia natural, es decir, el rango de frecuencias en el que el material comienza a vibrar, y se activan los actuadores piezoeléctricos. Los actuadores provocan vibraciones de baja frecuencia en el material, dirigidas a los puntos donde se ha formado el hielo. «Las vibraciones se encuentran en el rango de unos pocos kilohercios. Son invisibles a simple vista, pero muy eficaces. El hielo adherido al ala se rompe y se desprende», explica Denis Becker, investigador del Fraunhofer LBF.

Para calcular la frecuencia de vibración, los investigadores del Fraunhofer tuvieron que estudiar primero la compleja interacción de una serie de factores diferentes que son responsables de la frecuencia de resonancia natural cuando se forma el hielo. «Los factores determinantes incluyen el material del que están hechas las alas, la velocidad, la altitud de vuelo, la temperatura, la humedad y el grosor de la capa de hielo. Los algoritmos utilizan esa información para calcular la frecuencia de resonancia natural», explica Becker.

Dado que las condiciones exteriores cambian constantemente durante el vuelo, la frecuencia de resonancia también cambia. El hecho de que la capa de hielo se espese o se derrita también es un factor a tener en cuenta. Por este motivo, los sensores suministran continuamente nueva información de medición para que la electrónica pueda activar los actuadores a la frecuencia ajustada en cualquier momento. Para el proyecto de investigación, los expertos de Fraunhofer siguieron varios pasos, entre ellos colocar un ala dentro de un túnel de viento con hielo y optimizar el funcionamiento de los actuadores piezoeléctricos.

La idea de utilizar la vibración para eliminar el hielo se lleva debatiendo desde hace mucho tiempo en los círculos de la aviación. Ahora, por primera vez, los investigadores han logrado crear un sistema altamente dinámico y preciso que pone en práctica esta idea. “Nuestros experimentos en el túnel de viento con hielo demostraron que el deshielo electromecánico funciona. Como siguiente paso, realizaremos más pruebas en el túnel de viento para preparar el sistema para las pruebas en vuelo”, afirma Becker.

Los expertos del Fraunhofer LBF llevaron a cabo este proyecto de investigación como parte del programa de investigación e innovación Clean Aviation de la Unión Europea. Entre los socios se encuentran el fabricante de aviones Airbus y la empresa aeroespacial Parker-Meggitt.

El sector de la aviación se enfrenta actualmente a enormes retos. El consumo de energía y las emisiones de carbono tendrán que reducirse drásticamente en los próximos años. En toda la industria, los fabricantes están trabajando en sistemas de propulsión más ecológicos, como los motores eléctricos e híbridos. “Pero los sistemas de propulsión del futuro ya no producirán gases de escape calientes ni calor residual, que son necesarios para que los sistemas de deshielo termomecánicos puedan funcionar. Nuestro método ofrece la posibilidad de reducir el consumo de energía hasta en un 80%, lo que supone una importante contribución a la aviación sostenible”, explica Becker.

Agradecimiento

El proyecto Ultra Performance Wing (UP Wing, número de proyecto: 101101974) cuenta con el apoyo de la Empresa Común Clean Aviation y sus miembros.