¿Qué son los túneles de viento de la NASA?

Como bien saben quienes siguen estas páginas, la mayoría de las condiciones atmosféricas pueden reproducirse en el espacio de una cámara climática, el instrumento de laboratorio con el que trabajamos en FDM – Environmental Makers.

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La mayoría, pero no todas. Si necesitamos probar el impacto de grandes masas de aire en un vehículo, entonces se requiere algo más. Ese es el propósito de los túneles de viento de la NASA.

¿Para qué sirven los túneles de viento de la NASA?

página web de la NASA, la historia de los túneles de viento es tan antigua como la del estudio de los efectos del viento en los vehículos, o aerodinámica.

Mucho antes de que los primeros aviones vieran la luz del día, los científicos comprendieron que se necesitaban condiciones de laboratorio para probar cómo interactuaban los vehículos con el aire.

Los túneles de viento no son más que eso: laboratorios que reproducen el flujo de aire con el que se encontrarán los objetos, principalmente vehículos, pero no solo ellos, en sus condiciones de uso.

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Cómo se construyen los túneles de viento

Los túneles de viento son tubos huecos por los que circula el aire a una velocidad determinada. 

En el interior se encuentra la cámara de pruebas, donde se coloca el objeto a ensayar. Existen diversas maneras de introducir aire en el túnel y dos tipos básicos de túneles de viento: de circuito abierto y de circuito cerrado. El primero expulsa el aire, mientras que el segundo lo recircula y generalmente se considera más preciso.

Pruebas en túnel de viento: ¿Qué sectores cubren?

Los túneles de viento de la NASA, que se encuentran entre los más avanzados tecnológicamente del mundo, se utilizan principalmente para probar aviones y naves espaciales. Pero las pruebas en túneles de viento no se limitan a eso.

Los túneles de viento se utilizan para probar la aerodinámica de cualquier objeto que deba resistir la fuerza del aire. Por eso, toda la industria automotriz invierte en pruebas en túneles de viento, y los automóviles comerciales que conducimos a diario se someten a estas pruebas durante la fase de diseño. 

Si los automóviles necesitan alcanzar un rendimiento excelente, las pruebas en el túnel de viento son aún más exhaustivas. Este es el caso de los coches de Fórmula 1. Las motocicletas de competición, las bicicletas e incluso la ropa de los ciclistas se someten a pruebas similares, ya que deben ofrecer una mínima resistencia al aire para ahorrar valiosos segundos.

Por último, y siguiendo con el tema del deporte, incluso los balones de fútbol y de rugby se prueban en túneles de viento para estudiar el diseño más aerodinámico posible.

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La Cámara Ambiental FDM

Los túneles de viento constituyen un caso extremo pero importante de pruebas climáticas que no pueden realizarse con los instrumentos de laboratorio habituales.

Para todos los demás, existe la cámara climática. Especializadas en las llamadas pruebas climáticas "extremas", las cámaras climáticas pueden simular de forma precisa y fiable todas las condiciones ambientales implicadas en las pruebas de productos y materiales.

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Normas de referencia

• AIAA S-071A — Práctica recomendada: Evaluación de la incertidumbre de los datos de túnel de viento, una norma de referencia para cuantificar la incertidumbre en las mediciones aerodinámicas.
• AIAA R-092 — Práctica recomendada: Calibración de túneles de viento subsónicos y transónicos, procedimientos de calibración para túneles subsónicos/transónicos.
• NASA SP-440 — Pruebas en túnel de viento: Manual de referencia de la NASA para el diseño y la realización de pruebas en túnel de viento.
• ASME PTC 19.1 — Códigos de prueba de rendimiento: Incertidumbre de la prueba, una norma de ingeniería para el análisis de incertidumbre en pruebas experimentales.
• ISO 5801 — Ventiladores: Ensayos de rendimiento mediante conductos de aire estandarizados, aplicables a túneles para la cualificación de ventiladores industriales.

Fuentes autorizadas

• AIAA – Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. Organización líder en ingeniería aeroespacial, publica las normas AIAA S-071 y R-092.
• NASA – Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio. Opera las instalaciones de túneles de viento más avanzadas del mundo (Langley, Ames, Glenn).
• ASME – Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos. Publica la norma PTC 19.1 para el análisis de la incertidumbre experimental.

Preguntas frecuentes sobre el túnel de viento de la NASA

¿Cuál es la diferencia entre subsónico, transónico, supersónico e hipersónico?

La clasificación se basa en el número de Mach M = V/c, la relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido local. Subsónico (M < 0,8): condiciones para aeronaves comerciales en crucero, drones, vehículos terrestres, aerodinámica industrial. Flujo incompresible para M < 0,3, ligera compresibilidad hasta 0,8. Transónico (0,8 < M < 1,2): régimen crítico con coexistencia de zonas subsónicas y supersónicas en el perfil, formación de ondas de choque móviles, vibraciones de turbulencia, aumento de la resistencia. Requiere túneles perforados o de paredes porosas para controlar las reflexiones. Supersónico (1,2 < M < 5): flujo compresible con choques estables, expansión de Prandtl-Meyer, aplicaciones militares de cazas, misiles. Los túneles suelen utilizar toberas Laval convergentes-divergentes. Hipersónico (M > 5): fenómenos de disociación molecular, no se alcanza el equilibrio termodinámico, calentamiento aerodinámico extremo (reentrada del transbordador M = 25). Requieren túneles de impacto (tubos de choque, túneles de cañones) con duraciones de prueba de 1 a 100 ms. Cada régimen requiere una física, instrumentación e infraestructura completamente diferentes.

¿Cuáles son las principales galerías de la NASA?

La NASA opera más de 40 túneles de viento en tres centros principales. Centro de Investigación Langley (Virginia): Túnel Dinámico Transónico (4,9 x 4,9 m, M 0-1,2 con Freón), Instalación Transónica Nacional NTF (2,5 x 2,5 m N2 criogénico a -150 C para alto Reynolds), Túnel de Alta Temperatura de 8 Pies. Centro de Investigación Ames (California): 40 x 80 Pies y 80 x 120 Pies (el más grande del mundo, utilizado para helicópteros y aviones completos), Plan Unitario (M 0,2-3,5 a escala de modelo), Investigación Aérea Hipersónica (M 7+). Centro de Investigación Glenn (Ohio): Túnel de Investigación de Hielo para certificación antihielo de motores de aeronaves, 10 x 10 Supersónico, 8 x 6 Supersónico. Los túneles más famosos históricamente son: el Transónico de 4,9 metros de Langley (1946, probado para el X-1 de Chuck Yeager) y el de escala real de 12,2 x 24,4 metros de Ames (probado para el Apolo, el transbordador espacial y el Skylab). El costo por hora para realizar pruebas en un túnel de clase NASA oscila entre 5000 y 30 000 dólares. El acceso para socios industriales y académicos está disponible a través de los programas SBIR y NARI de la NASA, o mediante contratos de adquisición específicos.

¿Cómo se calibra un túnel subsónico?

La calibración de un túnel según AIAA R-092 requiere una caracterización metrológica completa: (1) mapeo de flujo en una cámara de prueba con sondas Pitot-estáticas y de 5 orificios con una cuadrícula de 20x20 cm o más fina; (2) uniformidad de velocidad típica +/- 0,5% en la sección de trabajo; (3) turbulencia medida con anemometría de hilo caliente, valores de intensidad de 0,05-0,5% dependiendo de la clase; (4) ángulo de flujo de flujo ascendente/lateral < 0,1 grados; (5) gradiente de presión axial estática ambiental < 0,2% M/m; (6) mapeo de temperatura con termopares blindados para gradiente < 1 C; (7) sonda de referencia en una cámara de sedimentación para corrección continua de la velocidad de referencia. El túnel también se califica con respecto al efecto de bloqueo (el modelo ocupa % de la sección de prueba, correcciones Maskell/Pope), capa límite de pared (espesor y crecimiento a lo largo del túnel), angularidad del flujo para modelos de aeronaves. La incertidumbre de medición final de las fuerzas aerodinámicas (sustentación, resistencia, momento de cabeceo) debe documentarse de acuerdo con la GUM, con presupuestos de incertidumbre detallados para cada canal.

Escalamiento de Reynolds: ¿cómo se aplica?

El número de Reynolds Re = rho*V*L/mu compara las fuerzas inerciales y viscosas en el flujo. Para reproducir fielmente la aerodinámica de una aeronave a escala real en un túnel con un modelo a escala 1:10, se requeriría un número de Reynolds igual, lo que requeriría V igual a 10 veces la velocidad real. Esto suele ser imposible debido a limitaciones técnicas y económicas. Estrategias de ajuste parcial: (1) Túneles criogénicos (NTF Langley) reducen la viscosidad del N2 a -150 C aumentando Re en 5x; (2) Túneles presurizados hasta 5 atm aumentan la densidad del aire y Re proporcionalmente; (3) Ajuste parcial de Reynolds con extrapolaciones validadas por CFD; (4) Fijación de la transición con tiras abrasivas para forzar la capa límite turbulenta a un número de Reynolds reducido, simulando condiciones a escala real. El parámetro crítico en las pruebas aeronáuticas es el número de Reynolds (Re_c), basado en la cuerda del ala: en el transporte civil, las mediciones en campo alcanzan entre 20 y 60 millones de unidades, mientras que en túneles de viento típicos solo se registran entre 1 y 5 millones. El efecto Reynolds puede alterar la separación de la capa límite entre un 10 % y un 20 % entre diferentes escalas, afectando la resistencia aerodinámica, la sustentación máxima y el comportamiento en pérdida. Cada proyecto requiere un plan de barrido de Reynolds para documentar los resultados de sensibilidad.