Mejora y ampliación del modelado, recreación y diseño, mediante software CATIA V5, de la aeronave de alas giratorias modelo V-22 Osprey

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Aeronáutica Mejora y ampliación del modelado, recreación y diseño, mediante software CATIA V5, de la aeronave de alas giratorias modelo V-22 Osprey. Autor: Jorge Llácer Sancho Tutor: Francisco Lucas García Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Aeronáutica Mejora y ampliación del modelado, recreación y diseño, mediante software CATIA V5, de la aeronave de alas giratorias modelo V-22 Osprey. Autor: Jorge Llácer Sancho Tutor: Francisco Lucas García Profesor Titular Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Máster: Mejora y ampliación del modelado, recreación y diseño, mediante software CATIA V5, de la aeronave de alas giratorias modelo V-22 Osprey. Autor: Jorge Llácer Sancho Tutor: Francisco Lucas García El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Es difícil expresar más agradecimiento del que realicé en su día en el Trabajo de Fin de Grado, pero estos dos últimos años han sido de una gran ayuda para aprender más de mí y de lo que depara mi futuro. Puedo decir con seguridad que sin mi familia: mi padre, mi madre y mi hermana; no estaría aquí. Fueron, son y serán siempre mi mayor apoyo, las personas que cuando yo dejo de creer en mí, están para recordarme quién soy, de dónde vengo y qué he hecho para estar aquí. Las personas que más feliz me hacen y que se merecen estar aquí, porque fueron ellos los primeros en creer en mí, incluso antes que un servidor. Por otro lado, todos mis amigos de Sevilla han sido un apoyo fundamental ya que prácticamente no he estado más de 2 meses en Alcoy en estos dos últimos años. Y aunque no hemos ido dividiendo por los estudios/trabajo, se quedan amigos para siempre. Al igual que siempre cuento y contaré con mi familia (primos, tíos, la abuela y los nuevos peques de la familia). Qué ganas de volver a verlos. Y también a mis amigos alcoyanos, ya que el ir tan poco allí, y cuando voy, tener poco tiempo para ellos, y aun así, nunca me han dejado de lado Tampoco quiero olvidarme de una persona muy importante durante estos años de estudio: mi primo Antonio, que aun estando tan lejos eres todo un referente para mí. Gracias por todo el apoyo, conocimiento y experiencia que me has brindado. Ojalá algún día nuestros caminos se crucen y pueda aprender en persona de ti. Y por último, darles las gracias a las personas que ya no están y que sé que me miran desde lo más alto del cielo, porque de vosotros he aprendido a ser la persona que soy hoy. Jorge Llácer Sancho Sevilla, 2022 I Resumen Es te trabajo tiene como fin la ampliación y mejora del modelado de la aeronave Boeing V22- Osprey realizado mediante el software CATIA hace 2 años como Trabajo Fin de Grado. Este proyecto de continuación abarca tanto las mejoras y nuevos diseños como la interacción de estas nuevas partes en la aeronave. Véase más adelante el diseño de las superficies aerodinámicas y la consecuencia de la actuación de cada una en la aeronave. Por otro lado, el diseño del interior del fuselaje, no contemplado en el trabajo de fin de grado, es otro punto clave en el que se ha incidido en este proyecto. Además de pequeños cambios en elementos como el tren de aterrizaje o las palas de los rotores son otras modificaciones realizadas. En última instancia, se realiza la simulación de los distintos movimientos que pueden realizar las distintas partes del V22 (tanto las diseñadas en el previo trabajo como en este, ya que están relacionadas y se pueden integrar). III XÍndice 6 Simulaciones 53 6.1 Simulación principal de compacidad del v22 53 6.2 Simulación recogida de tren de aterrizaje 56 6.3 Simulación de movimientos del V22 en vuelos por superficies aerodinámicas 61 6.3.1 Superficies aerodinámicas 61 6.3.2 Movimientos del V22 tras actuación de superficies aerodinámicas 64 7 Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras 67 8 Conclusiones 89 Índice de Figuras 91 Índice de Tablas 95 1 Introducción y objetivos Tras cursar estos 2 años de Máster, uno no puede ignorar y echar una mirada hacia el pasado. Justo en ese recuerdo de todo lo realizado, hubo una sensación de dejar inacabado el Trabajo de Fin de Grado. A pesar de alcanzar el objetivo propuesto, ciertamente el autor tras su diseño pudo notar que era mejorable tal y como concluyó en él, y que con los conocimientos alcanzados al final era posible realizar un proyecto mejor. Por ello, se ha optado por realizar como Trabajo de Fin de Máster una ampliación y mejora del realizado hace 2 años, con el mismo tutor, Don Francisco Lucas García, y el mismo software: CATIA V5R19. Previamente a explicar el por qué de retomar este proyecto es importante recordar de dónde procede el motivo del diseño del V22 Osprey. Hace 2 años se propusieron varias aeronaves a diseñar: Eurocopter EC665 Tigre, Boeing B-1B Lancer y Boeing V22- Osprey. Figura 1.1 Boeing V22- Osprey. De las diversas opciones, se escogió realizar el modelado del Boeing V22- Osprey por los siguientes motivos: 1. Se rechazó la propuesta del Boeing B-1B Lancer debido a que podía resultar más sencilla que las otras. 2. La posibilidad de que el Osprey abarcara los otros diseños propuestos, tanto avión como helicóptero, de este modo ampliar conocimiento de ambos. 3. Y el último motivo, fue ver la desinformación de la gente sobre este tipo de aeronaves. Del último motivo nombrado, tras una búsqueda de información que pudiera afectar a la comparativa de los convertiplanos con cualquier otra aeronave, se obtuvieron para este proyecto las siguientes comparativas: 1 2Capítulo 1. Introducción y objetivos •La carga de pago de un V22 es 3 veces mayor que la de un helicóptero Boeing CH-46. • La máxima velocidad que puede alcanzar un V22 es de 225Kts mientras que el CH-46 presenta un máximo de 100Kts. • El proceso de conversión de modo helicóptero a avión es simple y directo tardando un mínimo de 12 segundos, donde normalmente la conversión se realiza cuando alcanza la aeronave una velocidad de 100 Kts. • El aterrizaje y despegue del V22 es dos veces más rápido que el de un helicóptero convencional. • La capacidad de realizar una misión de transporte de 24 tropas con alcance de 251 millas náuticas (465 km), imposible para el Boeing CH-46. • La posibilidad de cargar una carga externa de 4500kg una distancia de 66 millas náuticas (122 km), no posible con un CH-46. Dar visibilidad a estas aeronaves junto a la idea de haber podido realizar un diseño más extenso en el anterior proyecto incitó a plantearse una mejora de este centrándose en los siguientes objetivos: •Principalmente, se va a buscar realizar el interior de la aeronave. • Realizar un diseño de todas las superficies aerodinámicas y sus movimientos e influencia en la aeronave. •Realizar un diseño para el movimiento de los flaps. •Realizar una mejora del sistema de repliegue de las palas de los rotores. •Realizar una mejora en el sistema de extracción/retracción del tren de aterrizaje. •Simulación de todas estas mejoras y novedades. Destacar, que en el anterior proyecto se dio a conocer la historia de los helicópteros debido a la increíble funcionalidad del V22 para superar a este tipo de aeronaves. Es por ello, que se desea presentar ahora la historia de los convertiplanos, que a pesar de ser corta, el conocimiento de las aeronaves estilo avión y helicóptero permitió un desarrollo rápido. 1.1 Historia de los convertiplanos Alrededor del año 1902 se realizaron los primeros trabajos acerca de un rotor basculante ("conertible") por los hermanos franco-suizos Henri y Armand Dufaux. Durante la década de 1930 se impulsó esta idea de construir aviones capaces de despegar y aterrizar de forma vertical, siendo el primer diseño parecido a los modernos tiltrotores patentado por George Lehberger en mayo de 1930. Durante la Segunda Guerra Mundial, varios diseños fueron realizados sin alcanzar el modelo que se observa en la actualidad: algunos entre rotores y aviones basculantes; otros sin llegar a volar; y otros cerraron por falta de capital. Los dos prototipos que llegaron a volar fueron el Transcendental Modelo 1-G, de un solo asiento, y el Transcendental Modelo 2, de dos asientos, cada uno de ellos propulsado por un solo motor alternativo. El desarrollo del Modelo 1-G comenzó en 1947, aunque no voló hasta 1954. El Modelo 1-G voló durante aproximadamente un año hasta que se estrelló en la Bahía de Chesapeake el 20 de julio de 1955, destruyendo el prototipo de avión pero sin herir gravemente al piloto. 1.1 Historia de los convertiplanos 3 Figura 1.2 Modelo 1-G. El Modelo 2 se desarrolló y voló poco después, pero las Fuerzas Aéreas estadounidenses retiraron la financiación en favor del Bell XV-3 y no voló mucho más allá de las pruebas de vuelo estacionario. El Transcendental 1-G es la primera aeronave tiltrotor que ha volado y ha realizado la mayor parte de la transición de helicóptero a aeronave en vuelo (a menos de 10 grados del verdadero vuelo horizontal de la aeronave). El Bell XV-3 experimental voló desde 1953 hasta 1966, permitiendo una recopilación de datos para futuros diseños a partir de una actuación eficiente del rotor basculante. En 1972, con la financiación de la NASA y el Ejército de Estados Unidos, Bell Helicopter Textron comenzó a desarrollar el XV-15. Construyéndose dos aeronaves con el fin de probar el diseño del rotor basculante para casos tanto civiles como militares. En 1981, Bell y Boeing Helicopters iniciaron el desarrollo del V-22 Osprey con los datos y experiencia recopilados del XV-3 y XV-15, una aeronave militar tiltrotor de doble turboeje para la Fuerza Aérea y el Cuerpo de Marines de Estados Unidos. Por otro lado, no todos los modelos tiltrotor se han concentrado en EE.UU., Rusia ha tenido algunos proyectos de tiltrotor, en su mayoría no tripulados, como el Mil Mi-30, y ha iniciado otro en 2015. Diversos proyectos fueron puestos en marcha durante la década de 2010, donde además la FAA definió las normas de ruido de los tiltrotores estadounidenses para cumplir con OACI. Uno de los proyectos más atractivos lo realizar AgustaWestland, que tras asegurar que ha volado en libertad un tiltrotor eléctrico tripulado en 2013 llamado Project Zero, con sus rotores dentro de la envergadura; en 2014 fue adjudicado el programa Clean Sky 2 para desarrollar un diseño de "tiltrotor civil de nueva generación" para el mercado de alta mar. Mientras tanto, en 2013 Bell Helicopter inició el desarrollo del Bell V-280 Valor, con Lockheed Martin. Figura 1.3 Bell V-280 Valor. 2 Historia del Boeing V22-Osprey De igual modo que se realizó en el Trabajo de Fin de Grado, se presenta un breve resumen de la historia de esta aeronave y en qué marco histórico se encuentra para poder desarrollar las nuevas mejoras que se comentarán posteriormente: operaciones de rescate, de carga y de larga distancia, entre otras. 2.1 Marco histórico Durante la etapa de los años 80, etapa final de la Guerra Fría (1947-1991), protagonizada por Estados Unidos y Rusia, surgió en Oriente Medio un conflicto bélico entre Irán e Irak conocida como la Guerra Impuesta, a partir del cual surgió la idea del desarrollo del Boeing V22 Osprey debido a una misión estaodunidense fallida, conocida como operación Eagle-Claw. Esta operación consistía en el rescate de 52 funcionarios retenidos en la Embajada de Estados Unidos en Teherán. Para ello, se necesitaba una aeronave capaz de volar grandes distancias, además de poder despegar y aterrizar verticalmente, y poder soportar las duras condiciones del viaje por el desierto. El transporte que realizaría esta misión serían 8 helicópteros, de los cuales 5 llegaron al lugar del rescate. Tras ello, se suspendió la misión, y además, durante la retirada, uno de los helicópteros falló colisionando con otro, el cual transportaba pasaje y combustible. Figura 2.1 Operación Eagle-Claw. El ejército estadounidense trató de corregir los errores cometidos y decidió iniciar una operación de desarrollo de aviones multifacéticos capaces de operaciones de corto campo (como un helicóptero) y también capaces de transporte a larga distancia. De este modo, nace la idea de los convertiplanos. 5 6Capítulo 2. Historia del Boeing V22-Osprey 2.2 Boeing V22- Osprey 2.2.1 Inicios De forma conjunta las empresas Bell Helicopter yBoeing Vertol son las que haría fructificar el proyecto V22 Osprey. El primer desarrollo de tecnología de rotores basculantes lo realizó Bell Helicopter Textron con el XV-15 (vuelo el 3 de mayo de 1977). El 15 de enero de 1985, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos asignó formalmente el designador de "V22" y el apodo de "Osprey" al producto del programa JVX. El primer prototipo V22 fue presentado en mayo de 1988. De forma interna, ya que los costos eran dificultosos para sacar el proyecto adelante, se fueron haciendo pruebas que mostraron la viabilidad del proyecto. Aunque diversos accidentes con los prototipos retrasaron el lanzamiento del modelo. En el momento de su creación, el V22 se convirtió en el primer rotor basculante operacional del mundo. 2.2.2 Estado actual Boeing define el V22 Osprey (también conocido como águila pescadora) como un avión de combate multirol de servicio conjunto que utiliza la tecnología de rotores basculantes para combinar el rendimiento vertical de un helicóptero con la velocidad y el alcance de un avión de ala fija. Con sus rotores en posición vertical, puede despegar, aterrizar y flotar como un helicóptero. Una vez en el aire, puede convertirse en un avión turbohélice capaz de vuelo de alta velocidad y altitud. De este modo, puede realizar misiones tales como transporte de tropas y carga, asalto anfibio, operaciones especiales y operaciones de búsqueda y rescate. (a) V22 con rotores en posición vertical . (b) V22 con rotores en posición horizontal . Figura 2.2 Configuraciones del V22-Osprey. A pesar de ser una aeronave exclusiva, ya existe un candidato como su sucesor. Se trata el V280 Valor, de la marca Bell, una aeronave tipo convertiplano, muy semejante al Osprey. Este supera al águila pescadora en: velocidad, rango de combate, maniobrabilidad y capacidad de carga. Además, presenta un precio más asequible, además de mejoras en el aspecto de armamento y navegación. Puede que sea el final del V22. 3 Herramienta de diseño:CATIA V5 R19 La herramienta de diseño utilizada para la realización del modelo V22 es la misma que la utilizada durante el trabajo de fin de grado: CATIA V5 R19. CT 3.1 Módulos principales A continuación,se muestran los módulos y las herramientas con las que se ha trabajado para realizar el modelo de la aeronave en el trabajo de fin de máster, nombrando las que no han sido utilizadas en este proyecto y sí lo fueron en el trabajo de fin de grado. 3.1.1 Mechanical design Se trata de un módulo donde se atañe el diseño de la pieza en cuestión, de su estructura, y de la unión de las distintas partes. Dentro de este, se ha apoyado en las siguientes herramientas para el diseño: • Part design: principalmente se han usado superficies a la hora de realizar el diseño, no se ha necesitado de esta herramienta. • Assembly design: la función de esta es ensamblar y fusionar las distintas piezas creadas en la herramienta anterior. Utilizada en este y el anterior proyecto. 3.1.2 Shape design En este módulo, a partir de combinaciones de alambres, guías y secciones se permite el diseño de superficies y formas avanzadas. Dentro de este, se ha apoyado en las siguientes herramientas para el diseño: • FreeStyle: no se ha utilizado en este proyecto ya que su uso no permitía un diseño mejor del que se obtiene con el resto de herramientas de este módulo. •Sketch Tracer: utilizado de nuevo en este proyecto para importar planos 2D, y a partir de su correcta colocación, crear un escenario 3D de donde partir para diseñar lo dibujado en los planos. • Imagine & Shape: utilizado de nuevo para la creación de formas y superficies de un modo rápido y sencillo. • Generative Shape Design: utilizado de nuevo para modelar superficies de forma rápida y compleja al mismo tiempo. 7 8Capítulo 3. Herramienta de diseño:CATIA V5 R19 3.1.3 DMU(Digital Mockup) Dentro de este módulo, se ha apoyado en una sola herramienta para el diseño al igual que en el anterior proyecto: DMU Kinematics. Esta permite simular las mecánicas del V22. 3.1.4 Infraestructure Módulo no utilizado en el anterior proyecto. Se introduce la herramienta Photo Studio para aplicar stickers o logos/imágenes en la superficie del modelo. Figura 3.1 Listado de herramientas que incluye el módulo Infraestructure. 4 Documentación y trabajo previo a la actualización y mejora del modelo Co n el fin de modelar la mejora y actualización, se parte para el diseño del V22 del mismo trabajo previo realizado en el anterior proyecto de las medidas principales y de referencia de la aeronave, además de los planos usados en este. A continuación, las especificaciones técnicas oficiales obtenidas por Boeing y unos planos de conjunto del Osprey, donde se observan distintas vistas para ambas configuraciones: rotores en vertical u horizontal. Tabla 4.1 Especificaciones técnicas del V22-Osprey. Propulsión 2 Rolls-Royce AE1107C, 6,150 shp (4,586 kW) cada uno Longitud fuselaje 17.48 m (57.3 ft) Ancho con rotores girando 25.78 m (84.6 ft) Altura con góndolas vertical 6.73 m (22.1 ft) Altura estabilizador 5.46 m (17.9 ft) Diámetro rotor 11.6 m (38.1 ft) Máximo peso bruto en despegue vertical 23,859 kg (52,600 lbs) Máxima velocidad de crucero 500 km/h(270 kts) En el trabajo anterior, el modelo se dividió en 5 partes para realizar su diseño: 1. Fuselaje 2. Estabilizador 3. Alas y su unión al fuselaje 4. Góndolas 5. Rotores Sin embargo, en este modelo actualizado se ha ahondado más en la aeronave y se ha subdividido en otras partes el fuselaje, el estabilizador y las alas. Por otro lado, también se ha actualizado el modelo anterior de góndolas y rotores. Obteniendo una mejora del diseño. Se recoge el esquema del modelo así: 1. Fuselaje •Exterior 9 16 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización Figura 5.7 Modelo final fuselaje externo con Imagine & Shape:Vista en planta . Seguidamente, se diseñan las ventanas y puertas del V22 mediante la proyección de sketches de cada una de ellas en el módulo Generative Shape Design. El diseño de todas ellas ha sido mediante la opción Split yFill. Un ejemplo es el siguiente: Figura 5.8 Ejemplo ventana cockpit. 5.1 Fuselaje 17 (a) Ventanas . (b) Puertas . Figura 5.9 Ventanas y puertas del fuselaje . 2. Rampa del cargo Ciertamente, la rampa del fuselaje del V22 sí estaba presente en el anterior proyecto, sin embargo, al no diseñar el interior de la aeronave, solamente se podía identificar la rampa por la silueta. Sin embargo, en esta actualización, se ha optado por diseñar el interior del cargo mediante el módulo Generative Shape Design, una de las principales novedades de este proyecto. De este modo, se obtuvo el siguiente modelo de la rampa, donde se presenta no solo la superficie sino unos actuadores que realizan el desplazamiento de la rampa de posición abierta a cerrada. Aunque no pueda confirmarse que este es el método utilizado por el V22, son varias las aeronaves que utilizan este sistema de apertura de la rampa. 18 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización (a) Rampa . (b) Detalle actuador con unión cargo superior . (c) Detalle unión actuador . Figura 5.10 Diseño rampa. Si se observa la figura, esta fue creada a partir de la superficie externa del fuselaje, con un split de la superficie de la rampa, y tras crear el interior, mediante dos sweep se obtuvo ambas barras. Seguidamente, de la barra que está unida a la rampa, se extrae otra barra interna que 5.1 Fuselaje 19 permite el flujo de una en el interior de la otra. 3. Trampillas y aperturas del tren de aterrizaje Otros de los diseños que se realizan en este proyecto y no estaban presente en el anterior son las aperturas del tren de aterrizaje principal y delantero junto a las trampillas/aperturas que permiten el uso de dos ganchos para una posible carga externa: material, vehículos u otro. El diseño de todas ellas ha sido mediante la opción Split tras definir los sketches para cada una de ellas. Figura 5.11 Vista inferior de las aperturas y trampillas . Figura 5.12 Aperturas tren principal. 20 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización Figura 5.13 Trampillas ganchos de carga. Figura 5.14 Aperturas de tren delantero. 5.1 Fuselaje 21 Figura 5.15 Vista con cierre de trampas y aperturas. Posteriormente se mostrará el cierre de cada una de ellas junto a sus diferentes posiciones y movimientos. 4. Pértiga y radares Otra de las novedades que se plantea es el diseño de la pértiga, no presente en el anterior trabajo donde se presentaba solamente una especie de tapón que se inserta en el lugar de la extensión de la pértiga. No se diseñó en el anterior proyecto al no aparecer en los planos que se tomaron para hacer el modelo. Sin embargo, se conoció de esta configuración durante este proyecto desarrollando su diseño. Figura 5.16 V22 con pértiga en la realidad. Se presenta el modelo con y sin pértiga para ver la diferencia. El diseño de sin pértiga se realizó mediante la opción Revolute para el tramo que une la pértiga con el fuselaje y luego el tapón mediante Sphere. Por otro lado, el modelo con pértiga usa Revolute para toda ella. 22 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización (a) Proceso de diseño: V22 Osprey sin pértiga. (b) Proceso de diseño: V22 Osprey con pértiga. Figura 5.17 Proceso de diseño:V22 con y sin pértiga. Figura 5.18 V22 Osprey sin pértiga. 5.1 Fuselaje 23 Figura 5.19 V22 pértiga. Figura 5.20 V22 con pértiga. Por otro lado, otra de las partes externas presentes en el modelo V22 son antenas y transmisores, ya modelados en el anterior proyecto. Localizados,por un lado, en la parte superior del fuselaje trasero, y por otro, debajo del morro del V22. Figura 5.21 Sensores/transmisores/antenas parte superior del V22. 24 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización Figura 5.22 Sensores/transmisores/antenas parte inferior del V22. 5. Trenes de aterrizaje principal y delantero Respecto al posicionamiento de ambos trenes (principal y delantero) es el mismo respecto del proyecto anterior, salvando las aperturas y trampillas diseñadas previamente con sus diferentes posiciones y movimientos. El tren de aterrizaje se diseña al igual que en el anterior proyecto, mediante Generative Shape Design y la opción Revolute, tanto el neumático como el tapacubos interno. (a) Skecthes .(b) Revolute . Figura 5.23 Zona externa de la rueda. (a) Vista frontal . (b) Vista isométrica . Figura 5.24 Tren delantero. 5.1 Fuselaje 25 Por otro lado, el posicionamiento de los trenes es el mismo, salvando el tema de las aperturas y trampillas comentado anteriormente. (a) Vista frontal trenes de aterrizaje principal y delantero. (b) Vista de perfil trenes de aterrizaje principal y delantero . Figura 5.25 Trenes de aterrizaje principal y delantero. 5.1.2 Fuselaje interior Uno de los principales objetivos del proyecto es realizar el diseño del interior del fuselaje, distinguiendo entre el cockpit y el interior del cargo del V22. Con este fin, se utiliza un thick surface en vez del close surface usado previamente en el anterior proyecto, consiguiendo un grado de espesor en el fuselaje creado con Imagine & Shape. Posteriormente, se crea el modelo interno del fuselaje que se une a otros elementos creados : ventanas, puertas y rampa. 1. Interior del cargo Se presenta el cargo desde la parte trasera del V22, observando la unión entre el cargo y el fuselaje exterior y la silueta del cargo. 32 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización Figura 5.40 Interior del cockpit: Asiento, palanca de gases y palanca de dirección. Figura 5.41 Interior del cockpit: Pedales y sistema central de control. Ahora se muestra una imagen del cockpit acoplado al suelo del fuselaje y el resto del cargo. 5.1 Fuselaje 33 Figura 5.42 Interior del cockpit. Si se compara este modelo con uno real como el mostrado a continuación, la disposición de los elementos es similar. Figura 5.43 Interior del cockpit del V22 diseñado. 34 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización Figura 5.44 Interior del cockpit del V22 en la realidad. 3. Gancho de carga Para finalizar acerca del diseño del fuselaje, se diseña un modelo de cargo hook tras observar las misiones y configuraciones que realiza el V22. En este caso, se observó que disponía de dos trampillas (ya diseñadas y mostradas previamente) que permiten la actuación de dos ganchos utilizados para permitir el amarre y sujección de cargar con material pesado o vehículos. Se ha optado por el siguiente modelo de cargo hook de ONBOARD Systems, capaz de resistir un peso de 1587kg. Figura 5.45 Gancho de carga real. A partir de este modelo real, mediante superficies en Generative Shape Design con Extrude de diferentes Sketches y operaciones como Trim o Split, se obtuvo el siguiente modelo. 5.1 Fuselaje 35 Figura 5.46 Pasos diseño gancho de carga. Figura 5.47 Pasos diseño gancho de carga. Figura 5.48 Pasos diseño gancho de carga. 36 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización Figura 5.49 Pasos diseño gancho de carga. Figura 5.50 Pasos diseño gancho de carga. 5.1 Fuselaje 37 (a) (b) Figura 5.51 Gancho de carga. Figura 5.52 Gancho de carga. 38 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización 5.2 Estabilizador En el anterior proyecto el estabilizador era un único elemento que contenía dos estabilizadores verticales a los lados del estabilizador horizontal. Sin embargo, en esta actualización, se ha dividido este en 3 partes, donde sigue siendo el estabilizador el elemento principal, que incluye al igual que en el anterior proyecto tanto parte vertical como horizontal. Sin embargo, presenta dos partes móviles: timón de dirección y timón de profundidad. 5.2.1 Estabilizador El diseño del estabilizador tiene el mismo proceso que en el trabajo de fin de grado. En ambos, se crea mediante el módulo Generative Shape Design. El proceso que sigue la creación de la parte horizontal es la siguiente: mediante sketches ySweep se obtienen 2 formas que posteriormente se unen formando uno mediante un Trim, modelando la unión entre el fuselaje y el estabilizador. (a) (b) Figura 5.53 Proceso diseño estabilizador horizontal. Figura 5.54 Proceso diseño estabilizador horizontal. Seguidamente, la parte que une ambos estabilizadores verticales y que compone el estabilizador horizontal, se diseña por Sweep a partir de un perfil aerodinámico obtenido por los planos. Y mediante un Trim, se une a lo diseñando en este apartado. 5.2 Estabilizador 39 (a) (b) Figura 5.55 Proceso diseño estabilizador horizontal. El siguiente paso es diseñar ambos estabilizadores verticales. Para ello, se utiliza la opción Multisections surface para el cuerpo principal del estabilizador vertical, y en el caso de los extremos, mediante Fill. (a) (b) Figura 5.56 Proceso diseño estabilizador horizontal. 5.2.2 Timón de profundidad Tras obtener el cuerpo del estabilizador, se extrae parte de la sección horizontal mediante Split, obteniendo el llamado timón de profundidad que será el encargado de gestionar el cabeceo de la aeronave. 40 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización (a) (b) Figura 5.57 Diseño timón de profundidad. 5.2.3 Timones de dirección Por otro lado, el mismo proceso seguido en la sección horizontal para el diseño del timón de profundidad se repite en la sección vertical del estabilizador. De este modo, queda en cada sección vertical del estabilizador, un timón de dirección, que es la superficie aerodinámica que controla la guiñada de la aeronave. (a) (b) Figura 5.58 Diseño timón de dirección. De este modo, el modelo del estabilizador y cada parte queda dividido del siguiente modo: 5.2 Estabilizador 41 (a) (b) (c) (d) Figura 5.59 Diseño estabilizador sin timones de dirección ni profundidad. 48 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización (a) (b) Figura 5.73 Diseño anterior y actual pliegue pala. A continuación, se realizan dos Circular Pattern, uno para el corte de la pala interior (unido a la montura que la une al soporte)y otra para el corte de la pala exterior. En ambos se toma como eje de rotación el eje vertical que transcurre por el centro de la base del soporte del rotor. Se usan como datos para la operación de patrón: instance(s) =3yangular spacing =120. (a) Figura 5.74 Patrón circular para diseño de palas. Tras esto, se realiza el correspondiente Trim a cada pala, obteniendo el resultado final. 5.6 Modelo final y comparación con el antiguo 49 Figura 5.75 Diseño final de los rotores . 5.6 Modelo final y comparación con el antiguo Tras el diseño de todos los elementos del modelo actualizado y previo a aplicar materiales a cada elemento, se comparan ambos modelos: el obtenido en el trabajo de fin de grado y el del actual proyecto. (a) (b) Figura 5.76 Diseño antiguo. 50 Capítulo 5. Modelado del V22-Osprey: mejora y actualización (a) (b) (c) Figura 5.77 Diseño final nuevo. A modo de resumen de lo descrito anteriormente y fijándose en ambos modelos, se observa lo siguiente: 5.6 Modelo final y comparación con el antiguo 51 • A diferencia del modelo antiguo, las superficies aerodinámicas del estabilizador están diseñadas en este proyecto. •La separación para el repliegue de las palas, nuevo en este proyecto. • Las aperturas del tren de aterizaje principal y delantero, además de las trampillas que permiten extracción de los ganchos. •La pértiga, diseñada en este caso. •Diseño de las ventanas: son más realistas las del modelo nuevo. •La unión ala fuselaje creada como un único cuerpo con el Imagine & shape. • El morro del avión se observa un escalón menos pronunciado en el modelo actual respecto del antiguo, más realista. En general el cuerpo del fuselaje se observa menos cuadriculado respecto del modelo del trabajo de fin de grado. • Al no estar en vista Shading with material no se observa el interior del V22 en el modelo nuevo a través de las ventanas y del cockpit. Se verá más adelante. 6 Simulaciones Se muestra a continuación las distintas simulaciones realizadas en este proyecto a través del módulo Kinematics. Para ello, se han acotado los movimientos y restricciones de cada elemento del diseño mediante el módulo Assembly Design. Seguidamente, en el módulo Kinematics se realizan las simulaciones de cada elemento y, uniendo unas con otras, se obtienen las secuencias que se observan en la imagen. Figura 6.1 Total secuencias creadas. 6.1 Simulación principal de compacidad del v22 Esta simulación se vió en el anterior proyecto y recoge distintas simulaciones realizadas en las distintas partes del V22. •Movimiento de unión ala-fuselaje La primera que se muestra es el movimiento de la unión ala-fuselaje, que permite que sea más compacto el V22. De este modo, se permite que su estacionamiento implique un espacio menor del que ocupa otro tipo de aeronaves de su estilo. 53 54 Capítulo 6. Simulaciones (a) (b) Figura 6.2 Simulación unión ala-fuselaje. El ángulo de giro que alcanza es de 57o. •Góndolas El segundo movimiento principal de esta simulación es el movimiento de horizontal a vertical y viceversa de las góndolas del Osprey. (a) (b) Figura 6.3 Simulación rotores y palas. •Rotores y palas Los otros dos movimientos restantes para esta simulación, y que se realizaron en el anterior proyecto, son tanto el giro del rotor (y por ello de las palas) y el repliegue de estas (buscando esa misma compacidad que se obtiene con el movimiento de la unión ala-fuselaje). 6.1 Simulación principal de compacidad del v22 55 (a) (b) (c) Figura 6.4 Simulación recogida de palas. De este modo, se ha vuelto a diseñar el movimiento del anterior proyecto, donde se ha modificado la recogida de las palas por el nuevo diseño. Sin embargo, el motivo de repetir la simulación es porque se va a añadir la simulación de los trenes de aterrizaje tras pasar de estar estacionada la aeronave, a estar en vuelo. 56 Capítulo 6. Simulaciones (a) (b) (c) (d) (e) Figura 6.5 Simulación completa de compacidad del V22. 6.2 Simulación recogida de tren de aterrizaje La simulación que se presenta a continuación es la de recogida del tren de aterrizaje delantero y principal. Para conseguir esta simulación son varios los movimientos simulados para la completa secuencia, donde la mayor dificultad se encuentra en la extensión y recogida del tren principal debido a los múltiples movimientos que realiza el tren: 1. Primero, el tren de aterrizaje principal, mediante el uso de un revolute joint, gira alrededor del eje transveral que se observa en la imagen. 6.2 Simulación recogida de tren de aterrizaje 57 (a) (b) Figura 6.6 Giro tren principal en eje transveral. 2. Seguidamente, tras este giro, se desplaza en el sentido del eje vertical mediante un prismatic joint para poder realizar el siguiente giro. (a) (b) Figura 6.7 Traslación tren principal en eje vertical. Aunque se diseña que se traslade en el eje vertical del tren, al girar este previamente, la traslación es inclinada por el giro. 3. Por último, el tren realiza un giro sobre el eje longitudinal del tren mediante otro revolute joint. De este modo, queda finalmente recogido en el interior del V22. 64 Capítulo 6. Simulaciones (a) (b) (c) Figura 6.17 Simulación timón de dirección. 6.3.2 Movimientos del V22 tras actuación de superficies aerodinámicas Por otro lado, los movimientos que realizaría el V22 si se accionaran estas superficies aerodinámicas son: balanceo, cabeceo y guiñada. •Balanceo Consiste en el movimiento de la aeronave alrededor del eje longitudinal que se extiende desde la nariz a la cola del V22. Este movimiento depende de la actuación de los flaperones, (a) (b) Figura 6.18 Simulación balanceo. En el caso de que los flaperones del ala izquierda suban, y los del ala derecha bajen, el V22 balancea hacia la izquierda ya que se crea una mayor sustentación en el ala derecha y una mayor resistencia en el ala izquierda, por lo que se inclina el avión hacia su lado izquierdo. 6.3 Simulación de movimientos del V22 en vuelos por superficies aerodinámicas 65 Figura 6.19 Detalle flaperones durante balanceo. •Cabeceo Consiste en el movimiento de la aeronave alrededor del eje transversal que atraviesa las alas del V22. Este movimiento depende de la actuación del timón de profundidad. (a) (b) Figura 6.20 Simulación cabeceo. En el caso de que el timón de profundidad se incline hacia abajo, gana mayor sustentación la parte trasera del avión, por lo que el V22 pica hacia abajo. Si el timón de profundidad se inclina hacia arriba, entonces el V22 encabrita. Figura 6.21 Detalle timón de profundidad durante encabritado. •Guiñada 66 Capítulo 6. Simulaciones Consiste en el movimiento de la aeronave alrededor del eje vertical que atraviesa el V22.Este movimiento depende de la actuación de los timones de dirección. (a) (b) Figura 6.22 Simulación guiñada. En el caso de que ambos timones de dirección giren hacia la izquierda, el V22 gira a la izquierda (la cola gira a la derecha) debido a que se crea una mayor resistencia en el lado izquierdo. Figura 6.23 Detalle timones de dirección durante guiñada. 7 Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras Po r último, se muestra el modelo final obtenido tras aplicar material a cada parte del diseño y una serie de stickers para aportar realismo al modelo. A diferencia del modelo realizado en el trabajo de fin de grado, donde únicamente se pudo dar material a la zona exterior del V22, en este caso, al haber sido capaz de diseñar el interior y diferenciar mejor cada elemento se ha podido aplicar mejor el material. Previo a ver el resultado, es de interés observar el modelo que se obtuvo tras aplicar material en el trabajo de fin de grado. Figura 7.1 Diseño antiguo. Principalmente se ha aplicado al modelo del V22 un material de aluminio en prácticamente toda la estructura externa: fuselaje, alas, góndolas y estabilizador. 67 68 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras (a) (b) Figura 7.2 Diseño final. Una de las novedades respecto del anterior proyecto es la inclusión de stickers, como se observará también en la zona del cockpit. En este caso, se aplicó un sticker en la parte trasera del fuselaje con el logo del V22 Osprey. La aplicación de este viene dado gracias al módulo Photo Studio dentro del menú Infraestructure. Con este módulo activo y mediante la opción Apply sticker, seleccionando sobre una superficie y definiendo las dimensiones y orientación se consigue colocar el logo de forma correcta y limpia. Figura 7.3 Fuselaje con logo V22 Osprey. 69 Figura 7.4 Fuselaje con logo V22 Osprey: ampliado. Seguidamente, en el conjunto del tren de aterrizaje se han aplicado varios materiales: goma en las ruedas, hierro en el soporte que une ambas ruedas con el fuselaje y aluminio en las llantas de las ruedas. Figura 7.5 Tren de aterrizaje tras material. 70 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras Figura 7.6 Tren de aterrizaje tras material. A pesar de aplicar el mismo material en la estructura externa del V22, se ha modificado las propiedades del material para poder diferenciar las distintas partes como se observa a continuación. Figura 7.7 Estabilizador: aluminio. 71 Figura 7.8 Estabilizador: aluminio. 72 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras Figura 7.9 Estabilizador: aluminio. Figura 7.10 Conjunto alas y flaps: aluminio. 73 Figura 7.11 Vista inferior V22. Por otro lado, el conjunto de roto con las palas presenta también distinto material al aluminio, presente en prácticamente toda la superficie externa del Osprey. El material que se ha aplicado en el rotor es de hierro, mientras que en las palas se ha aplicado titanio. Figura 7.12 Rotor: hierro . 80 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras De las imágenes se concluye que no se aprecian los controles de los que disponen los pilotos. Es por ello que se aplica una serie de stickers para darle realismo a la zona del cockpit como se observa en las siguientes imágenes. Figura 7.26 Cockpit: Panel de control. Figura 7.27 Cockpit: Panel de control. Para concluir, se definen los materiales aplicados a la zona de cargo del Osprey. En la primera imagen se observan los asientos, las botellas extintoras, parte de los cables que recorren el cargo, las diferentes guías del suelo y los amarres. 81 Figura 7.28 Cargo del Osprey. Las botellas extintoras presentan 3 materiales: una pintura en rojo a la botella en sí (DS red), para los amarres a la estructura se ha aplicado titanio y en la manguera, goma. 82 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras Figura 7.29 Botella extintora. Seguidamente, los asientos presentan 4 partes distintas: el respaldo que se acopla a la estructura (hierro), el respaldo que se acopla a la persona (fabric 6), el asiento (fabric 6) y el cinturón (fabric 6). Se observa distinto el cinturón del resto aun teniendo el mismo material debido a que se ha modificado las propiedades para diferenciarlos. 83 Figura 7.30 Asiento del cargo. Figura 7.31 Cinturón. 84 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras También, al igual que en el respaldo acoplado a la estructura, se aplica hierro para las guías y los amarres del suelo del cargo. Figura 7.32 Amarres y guías. Figura 7.33 Amarres y guías. Y dentro del cargo a simple vista queda por definir los cables que recorren este. En este caso, se ha aplicado PVC en ellos y en los armarios que conectan una textura de chroma, al igual que en el caso de los del cockpit. 85 Figura 7.34 Cables cargo. Figura 7.35 Cables cargo. 86 Capítulo 7. Modelado final del V22-Osprey tras actualizaciones y mejoras Finaliza la aplicación del material a las distintas partes de la aeronave con un elemento que se encuentra debajo del cargo: el gancho que permite carga externa al V22, que presenta 3 materiales distintos. Para el soporte que une el gancho con la estructura del fuselaje se ha aplicado hierro, al igual que el agarre (superficie móvil) del gancho. Por otro lado, el tornillo que une gancho con soporte es de titanio y la parte fija del gancho es de metal. Figura 7.36 Soporte y gancho. Figura 7.37 Gancho. Tras aplicar material a todos los elementos y adjuntar stickers a la superficie de la aeronave, para una mayor apreciación de estos detalles se realiza una renderización del modelo obteniendo el siguiente resultado: 87 Figura 7.38 V22-Osprey renderizado. Figura 7.39 V22-Osprey renderizado. 8 Conclusiones La primera conclusión es que la carencia de planos e información contrastados ha supuesto el principal problema a la hora de realizar el diseño, al igual que en el trabajo de fin de grado. La zona interna del cargo y del cockpit se ha diseñado a partir de imágenes obtenidas de internet, pudiendo llevar a diversos errores de diseño, y por tanto, no es fiel al modelo real existente. Respecto del software de diseño CATIA V5, el uso de prácticamente las mismas herramientas y módulos ha permitido recrear de nuevo el diseño acorde a los planos obtenidos y con un resultado mejor al anterior, ya que se conocía mejor el funcionamiento de estos. Además, la experiencia anterior ha permitido que desde un principio el Product del trabajo se haya realizado de una forma organizada y bien estructurada. Por otro lado, se ha cumplido con los objetivos marcados al inicio del trabajo: • Se ha realizado un diseño del interior de la aeronave, con los elementos que se han creído más esenciales, y algunos detalles extras. Ciertamente que el interior del cargo contiene una gran diversidad de sistemas además de los diseñados, pero ciertamente el proyecto tendría una extensión no planeada. • Se ha diseñado las diferentes superficies aerodinámicas, donde a diferencia del anterior proyecto no se distinguían las del estabilizador (por ejemplo). Y además, se ha simulado los movimientos de todas ellas y las diferentes formas en las que afecta a la aeronave en vuelo cuando está en posición horizontal cada góndola. • Se ha realizado una mejora del sistema de repliegue de las palas de los rotores, aun así, no se ha quedado satisfecho. Se podría haber realizado un diseño más completo. • Se ha conseguido un mejor diseño del tren de aterrizaje, diseñando además las aperturas y trampillas que afectan a este para su extracción/retracción. De esta forma, se ha conseguido una simulación completa de su movimiento (no realizado en el anterior proyecto), que ha servido para un mayor conocimiento de las simulaciones realizadas en el proyecto anterior, ya que esta ha presentado una mayor dificultad. En definitiva, los objetivos marcados para la ampliación y las mejoras deseadas en el modelo V22 Osprey han sido alcanzados. Además, este proyecto ha permitido afianzar los conceptos aprendidos en el trabajo de fin de grado, ayudando a un mejor uso y conocimiento de la herramienta CATIA. Aunque, como se ha comentado en los objetivos, este diseño no podría ser utilizado mismamente para la reproducción real de esta aeronave. De hecho, durante mi etapa de estudios y ahora laboral he podido acceder a modelos reales utilizados para la fabricación de aeronaves, y el modelo diseñado en este trabajo no llega a tal alcance. Sin embargo, sí muestra las partes básicas e informa de la capacidad configuración del V22, lo cual demuestra su gran versatilidad, lo cual escapa del alcance de este proyecto. 89 Bibliografía [1] "V-22 Osprey". [Online]. Available: https:// www.boeing.com/ defense/ v-22-osprey/ [2] "V-22 Osprey Tilt-Rotor Aircraft". [Online]. Available: https:// www.history.navy.mil/ research/ library/ online-reading-room/ title-list-alphabetically/ v/ v-22-osprey-tilt-rotor-aircraft.html [3] "Bell Boeing V-22 Osprey Tiltrotor VTOL Transport Aircraft". [Online]. Available: https: // www.militaryfactory.com/ aircraft/ detail.asp?aircraft_id=15 [4] "Cosas que debes saber del V-22 Osprey - Noticias Defensa Vídeos". [Online]. Available: https:// www.defensa.com/ videos/ cosas-debes-saber-v-22-osprey [5] EcuRed. "Bell-Boeing V-22 Osprey". [Online]. Available: https:// www.ecured.cu/Bell- Boeing_V-22_Osprey [6] Boyne, W. J.. "Helicopter | Facts, History, & Types". [Online]. Available: https://www. britannica.com/ technology/ helicopter [7] Pike, J.. "V-22 Osprey". [Online]. Available: https:// www.globalsecurity.org/ military/ systems/ aircraft/ v-22-flt-cntrl.htm [8] Navarro, M. Á. M.. "Superficies de mando y control". [Online]. Available: https:// www. manualvuelo.es/ 1pbav/ 15_supma.html 97