REDISEÑO CONCEPTUAL DEL FUSELAJE DE UN AVIÓN COMERCIAL BASADO EN PROTOTIPOS CON MOTORES DE HIDRÓGENO

Abstract

La industria aeronáutica busca constantemente transformarse. Esto se debe a la necesidad de tener que reducir emisiones de gases que favorecen el efecto invernadero. A su vez, los aviones comerciales deben mantener tanto su eficiencia como la fiabilidad y seguridad que los caracteriza. En este contexto, es donde aparece el hidrógeno como combustible sustituto del queroseno. Este innovador proyecto es uno de los más prometedores para la futura aviación. En especial, el hidrógeno en estado líquido, el cual presenta una alta densidad energética por unidad de masa y, además, es capaz de eliminar las emisiones directas de CO¿. Sin embargo, no todo son ventajas, ya que la utilización de hidrógeno líquido en aeronaves presenta grandes dificultades, tanto a nivel técnico como a nivel industrial. Por esto, se plantea un nuevo diseño a partir del diseño convencional de aviones comerciales actuales. El principal objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es proponer un rediseño del fuselaje de un avión comercial en el que se integren tanques de hidrógeno líquido. Además, se garantizará la seguridad y viabilidad del proyecto evaluándose desde distintas perspectivas de la Ingeniería de la Organización Industrial, así como la técnica, productiva, sostenible y económica. Lo que se abordará a lo largo de este TFG serán los requisitos criogénicos y las normativas asociadas al almacenamiento de hidrógeno líquido, la selección de materiales capaces de soportar dichas características, rediseño conceptual de la estructura, impacto a nivel industrial, análisis de costes, análisis de sostenibilidad y los riesgos asociados. La metodología utilizada combina una revisión del estado del arte (basada en proyectos como Airbus ZEROe, FLyZero, proyectos de la NASA) con un enfoque industrial. Primero, se analizan las normativas y se establecen requisitos de operación teniendo en cuenta las condiciones criogénicas, la seguridad estructural y su compatibilidad con la estructura del fuselaje. A continuación, se propone un diseño técnico basado en una estructura híbrida formada por un revestimiento interior de Al-Li combinado con un sobreenvolvente estructural de CFRP y un sistema aislante MLI con vacío parcial. Gracias a esta estructura híbrida, se consigue obtener ligereza a la vez que resistencia mecánica y buen comportamiento a temperaturas criogénicas. La evaluación de materiales se ha llevado a cabo utilizando herramientas como Granta EduPack, la cual permite comparar distintos materiales en función de sus propiedades. En este caso se han comparado aleaciones Al-Li, acero inoxidable 316L, superaleaciones de níquel y CFRP. Tras comprobar los resultados se obtiene que la solución óptima es una combinación de Al-Li con CFRP, ya que ofrece la mejor relación peso frente a resistencia, comportamiento a temperaturas extremas y viabilidad industrial. Por otro lado, las superaleaciones de níquel, a pesar de sus excelentes propiedades, serán de uso limitado debido a su alta densidad y coste. Desde la perspectiva industrial, se analiza el impacto del proyecto en procesos de fabricación y montaje. La propuesta de este trabajo se basa en una arquitectura modular, a partir de la cual se reduce el número de operaciones y se facilita la futura integración de los depósitos de hidrógeno. Gracias a análisis DFM/DFA ha sido posible estimar una reducción aproximada del 15% de las operaciones respecto a soluciones no modulares. Este proyecto, además, desencadena la necesidad de introducir nuevas estaciones de producción, nuevas configuraciones del layout industrial, formación del personal y aplicación de nuevos controles de seguridad y calidad (NDT y pruebas de fugas de helio). Se estima que el incremento del tiempo de ciclo será de aproximadamente 1,3 veces respecto al de un fuselaje convencional. Estos datos son coherentes ya que se está introduciendo una nueva tecnología y se debe tener en cuenta la curva de aprendizaje asociada a ella.