El futuro programa de cazas plantea una prueba clave para el método de diseño de la Fuerza Aérea de EE. UU.

Aug 20, 2023

DAYTON, Ohio – La futurista plataforma de combate Air Dominance de Próxima Generación que ahora se encuentra en proceso probablemente sea una de las adquisiciones de armas más complejas y de mayor riesgo en la historia de la Fuerza Aérea de los EE. UU.

Se espera que el avión de combate de sexta generación incluya nuevas tecnologías que van desde motores adaptativos de última generación hasta un dron autónomo que vuela junto a sus alas. Si NGAD funciona como espera el servicio, podría resultar fundamental en una posible guerra contra China.

Pero en los últimos años, las técnicas avanzadas de ingeniería digital que la Fuerza Aérea alguna vez pensó que conducirían a una revolución en el rápido desarrollo y despliegue de aeronaves no siempre han dado resultado. El concepto permite a los ingenieros crear diseños o modelos para probar suposiciones de forma más rápida y precisa. Y dado que se espera que la ingeniería digital desempeñe un papel central en el esfuerzo de NGAD, los expertos dicen que el servicio tendrá que garantizar que la técnica esté a la altura de su promesa.

Esta no es la primera vez que la Fuerza Aérea busca una revolución en el diseño digital para marcar el comienzo de una nueva generación de aviones. Durante la última gran adquisición de un nuevo avión por parte del servicio, el entrenador T-7A Red Hawk, la Fuerza Aérea y el fabricante Boeing prometieron que el programa conduciría a una nueva forma de diseñar y construir aviones futuros.

El servicio era tan optimista sobre los beneficios potenciales de un futuro basado en la ingeniería aeronáutica digital que en 2020 hizo un breve intento de cambiar el nombre del entrenador a "eT-7" y también denominar al futuro avión diseñado de esta manera con un " e” prefijo.

Desde entonces, una serie de errores y retrasos han hecho retroceder hitos clave en el T-7 y han hecho que se pierda un poco de brillo de su tan anunciado enfoque de diseño digital.

En un desayuno de mayo, el secretario de la Fuerza Aérea, Frank Kendall, dejó claro hasta qué punto la ingeniería digital había perdido su brillo tras los problemas del T-7.

"Es una mejora significativa, pero ha sido sobrevalorada", dijo Kendall a los periodistas. “Los diseños digitales más integrados y un mejor modelado ayudan, pero no son revolucionarios. … No reemplazan por completo las pruebas”.

La ingeniería digital ha existido de una forma u otra desde la década de 1970, dijo Heather Penney, investigadora residente del Instituto Mitchell de Estudios Aeroespaciales. El diseño asistido por computadora ayudó a dar forma a muchos aviones que se utilizan hoy en día, incluido el bombardero furtivo B-2 Spirit, el avión F-22 Raptor y el F-35 Joint Strike Fighter.

El concepto evolucionó a medida que mejoraron el procesamiento, los algoritmos, el modelado y la simulación, explicó. Ahora, dijo Penney, la ingeniería digital puede incluir todo, desde modelos 3D de piezas individuales de aeronaves (bombas de combustible, líneas hidráulicas, paquetes de sistemas eléctricos y más) hasta modelos de cómo los diversos sistemas de una aeronave interactúan entre sí o con la aeronave en su conjunto.

Tener este tipo de modelo digital no sólo informa el diseño de la aeronave, dijo, sino que también da forma a las herramientas y la fabricación de la aeronave. Como ejemplo de un avance significativo que esta tecnología puede proporcionar, señaló la "sorprendente" capacidad de Boeing de utilizar procesos digitales para fabricar componentes del T-7 con tanta precisión que encajan sin necesidad de cuñas. Y destacó el misil balístico intercontinental B-21 y LGM-35A Sentinel como ejemplos de adquisiciones complejas y hasta ahora exitosas de la Fuerza Aérea que hicieron un enorme uso de la ingeniería digital.

Pero, señaló, “no es una varita mágica que elimina cualquier obstáculo [en] el diseño”, y no puede reemplazar los sólidos fundamentos de ingeniería.

Una inestabilidad aerodinámica en el T-7 conocida como “roca del ala”, en la que sus alas podrían haberse balanceado peligrosamente hacia adelante y hacia atrás en algunas condiciones de vuelo, se solucionó en 2021, pero fue uno de varios factores que impulsaron a la Fuerza Aérea y Boeing comenzará a repensar su agenda en 2022.

Problemas adicionales, incluido un sistema de escape y un asiento eyectable que podría poner en peligro a los pilotos del T-7, así como fallas en su software de control de vuelo, provocaron más retrasos.

Para “el eT-7, la ingeniería digital iba a hacer que este avión fuera rápido, el diseño iba a ir rápido, iba a unir a todos, iba a ser un proceso de diseño sin obstáculos”, dijo Penney. “Nuestra experiencia con el eT-7 es que la ingeniería digital es sólo una herramienta. Todavía hay que hacer bien la ingeniería”.

Penney dijo que la culpa de los problemas del T-7, como aquellos con su sistema de asiento eyectable, no se puede atribuir a la ingeniería digital, pero en particular, el modelado digital no logró detectar los problemas del T-7 de antemano.

En mesas redondas con periodistas en los Días de la Industria del Ciclo de Vida de la Fuerza Aérea, celebrados del 31 de julio al agosto. 1 en Ohio, los funcionarios describieron cómo el servicio está tratando de expandir su enfoque hacia la ingeniería digital distribuyendo los beneficios a lo largo de toda la vida útil de una aeronave, en un concepto que llama gestión de material digital.

En un documento técnico de junio, el Comando de Material de la Fuerza Aérea dijo que la gestión de material digital tiene como objetivo acelerar y racionalizar drásticamente los procesos de diseño, creación y mantenimiento de aeronaves u otros sistemas mediante el uso de métodos digitales a lo largo de sus ciclos de vida, desde la idea inicial hasta el retiro.

"Estamos jugando a largo plazo", dijo Brig. General Dale White, director ejecutivo del programa de cazas y aviones avanzados de la Fuerza Aérea. “Eso es de vital importancia. Si simplemente miras lo digital a través de la lente del diseño, el desarrollo y las pruebas, te limitarás. Todos sabemos que la mayor parte de la financiación se gasta en la cola de sostenimiento”.

"Y, por lo tanto, poder tomar decisiones que normalmente no se podían tomar antes, porque no se tenía esa cantidad de información tan temprano en el proceso, realmente es un cambio de juego", continuó White, quien supervisa el programa NGAD.

Los funcionarios argumentan que al tener un rastro digital único que sigue un avión a lo largo de todo su ciclo de vida, será más fácil llevar a cabo técnicas como el mantenimiento predictivo, que ayuda a rastrear exactamente cuánto tiempo han estado las piezas en un avión y conduce a su reemplazo antes de que es probable que fracasen.

Ciertamente, el concepto puede funcionar, pero la Oficina de Responsabilidad Gubernamental encontró en un informe de diciembre de 2022 que el ejército no lo ha aprovechado al máximo. Las limitaciones tecnológicas están obstaculizando la adopción generalizada del mantenimiento predictivo, como problemas con sistemas de información más antiguos y la falta de manuales de mantenimiento digitalizados.

El ejército informó que "el mantenimiento predictivo ha permitido a los pilotos evitar accidentes de helicópteros e identificar fallas que no fueron detectadas por los mecánicos, evitar costos de mantenimiento y redirigir al personal de mantenimiento a otros trabajos creando eficiencias de costos", dijo la GAO en el informe. Pero “los ejemplos provienen de una experiencia limitada. [Y] para implementar el mantenimiento predictivo de manera más amplia, serán necesarios cambios para incorporar los procesos comerciales para abordar los desafíos de recursos de personal, repuestos y tecnología”.

"Según los funcionarios del servicio militar, el mantenimiento no planificado, que afecta negativamente a los costos y las operaciones, puede reducirse mediante un mayor uso del mantenimiento predictivo", se lee en el informe. "Los funcionarios del servicio militar reconocen que, si bien tienen ejemplos de mejoras que atribuyen a la implementación del mantenimiento predictivo, los ejemplos provienen de una experiencia limitada y los servicios militares generalmente carecen de métricas para evaluar los resultados del mantenimiento predictivo".

En mayo, la Fuerza Aérea dio su paso público más significativo hasta la fecha en relación con NGAD cuando anunció que había enviado a la industria una solicitud clasificada para un contrato de desarrollo de ingeniería y fabricación para el programa secreto. La Fuerza Aérea también dijo que planea adjudicar el contrato en 2024, y se espera que Lockheed Martin y Boeing sean los dos postores restantes. La Fuerza Aérea espera tener NGAD en producción para finales de esta década.

Y como Kendall estima el precio de cada luchador en cientos de millones de dólares, el servicio no puede darse el lujo de equivocarse.

Hasta ahora, se ha dicho poco sobre cómo la ingeniería digital contribuye a la NGAD. Durante la mesa redonda de mayo, unos días después del anuncio de la licitación de la Fuerza Aérea, Kendall describió una situación en la que los ingenieros de servicio y otros funcionarios del programa NGAD en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Ohio estaban "viviendo en el mismo espacio de diseño que los postores". Los funcionarios del programa tienen acceso directo a las bases de datos que las dos empresas que compiten por el programa utilizan para perfeccionar sus diseños NGAD, dijo Kendall, y utilizan ese acceso para ofrecer sus propias sugerencias.

En Dayton, Ohio, White, que supervisa la creación de NGAD, y otros funcionarios ofrecieron más información sobre cómo la Fuerza Aérea y los contratistas están utilizando la ingeniería digital a medida que intensifican el trabajo de diseño de aviones y sistemas de propulsión.

Cuando se diseñaron los cazas anteriores, explicó White, se esbozaron en papel en dos dimensiones. A medida que los diseños pasaban por una iteración tras otra, dijo, esas hojas se multiplicaban hasta que se acumulaban resmas de papel que trazaban cada paso en la evolución de un avión.

Pero a medida que NGAD toma forma, dijo White, esas montañas de papel han sido reemplazadas por un diseño digital en constante evolución. En los próximos años e incluso décadas, añadió, eso facilitará que NGAD evolucione para adelantarse a las amenazas que enfrentará.

"Es un ser vivo", dijo. “Puedes tomar decisiones informadas constantemente sobre hacia dónde vas y dónde crees que debes estar. … No basta con ser digital sólo desde una perspectiva de ingeniería. Es necesario tener una buena base para comprender qué está haciendo la amenaza. Y eso nos permitirá una mayor flexibilidad”.

"Lo que nos está permitiendo hacer es convertirnos en compradores más informados", añadió. "En este mundo, hay muchas cosas que no tienes que hacer físicamente porque tienes mayor visibilidad y una mejor comprensión y dominio del conocimiento gracias a las [herramientas] digitales que no teníamos antes".

Y el sistema de propulsión del NGAD será el primer sistema de propulsión militar completamente nuevo diseñado y producido digitalmente, según John Sneden, director de la dirección de propulsión de la Fuerza Aérea.

Las empresas que trabajan en el sistema de propulsión adaptativa de próxima generación, o NGAP, principalmente GE Aerospace y Pratt & Whitney, junto con Lockheed Martin, Boeing y Northrop Grumman, recién están llegando a un lugar donde pueden comenzar a diseñarlo en un formato 3D completamente digital. ambiente, dijo. Dado que los últimos motores de combate diseñados para la Fuerza Aérea se crearon hace décadas para el F-35 y el F-22, dijo Sneden, este es un nuevo enfoque.

"Todo eso es anterior al entorno digital", explicó. "Realmente no ha habido ningún requisito para que [los diseñadores de motores digitales] realmente hinquen sus dientes hasta que llegamos a NGAD".

Tener el sistema de propulsión diseñado y construido digitalmente, desde cero, facilitará su actualización y desarrollo al ritmo de las amenazas en evolución, añadió Sneden.

NGAP aún se encuentra en las primeras etapas de diseño, dijo, pero a medida que avanza hacia la fase de prueba, el modelado digital ayudará a afinar las pruebas digitales y combinar varios modelos para ver los efectos de segundo y tercer orden de los cambios de diseño. .

"Cuando empiezas a probar modelos, es posible que tengas uno que sea diferente para las estructuras, o puede que tengas otro que sea diferente para las propiedades termodinámicas de los motores", explicó Sneden. "¿Podemos combinarlos para que podamos ver mejor, cuando se hace un cambio aquí, cómo le afecta en el futuro?"

Cuando llegue el momento de empezar a crear prototipos o construir los motores, añadió, los contratistas pueden enviar planos digitales en 3D a sus propios proveedores para fabricar componentes, en lugar de depender de dibujos en 2D.

Penney enfatizó que para que la ingeniería digital produzca beneficios, un programa debe tomarse el tiempo y el esfuerzo desde el principio para comprender exactamente cómo utilizará las herramientas digitales.

"Si no tienes esa base, eso te dejará con una deuda técnica a medida que comiences a avanzar", dijo Penney, y sin darte cuenta podría causar problemas en el futuro. "Hay que hacerlo bien desde el principio".

En Dayton, los funcionarios estuvieron de acuerdo con los comentarios de Kendall de que los avances en el modelado digital, si bien son importantes, no pueden reemplazar por completo las pruebas en el mundo real. Describieron cómo esperan que futuros programas puedan utilizar ambas técnicas para llenar los vacíos que proporcionaría un enfoque único.

La Fuerza Aérea, junto con GE Aerospace y Pratt & Whitney, ya llevaron a cabo una gran cantidad de diseño y desarrollo de motores adaptativos que se consideraron reemplazos para el F-35 bajo el Programa de Transición de Motores Adaptativos, o AETP.

El Pentágono finalmente decidió no incluir AETP en el F-35, optando en su lugar por una actualización de los motores actuales del caza. Pero la tecnología de motor AETP, como los ventiladores adaptativos que permitirán que el motor cambie a la configuración más eficiente para una situación determinada, probablemente se incorporará al proceso de desarrollo del motor de NGAD.

Sneden dijo que al aprovechar la tecnología AETP existente, NGAP puede aprovechar lo mejor de ambos mundos cuando se trata de pruebas. NGAP utilizará modelos digitales, explicó, pero esas pruebas digitales estarán determinadas por resultados del mundo real de pruebas anteriores realizadas para AETP.

"Cuando probamos un motor, en realidad estamos probando una serie de tecnologías para descubrir cómo funcionan y así poder elaborar una base de prueba", dijo Sneden. “Hemos realizado pruebas en el mundo real [en los motores XA100 y XA101] para que podamos ver cómo funciona la tecnología de motor adaptativo en toda la cartera, cómo se mantienen esos materiales, cómo funciona el ventilador adaptativo, todo eso.

"Ahora lo que puede hacer es tomar esa línea de base de prueba y comenzar a incorporarla a su comprensión de NGAP, y comenzar a fusionar esos mundos de 'mundo real' y 'digital' para que se produzca esta agradable fusión".

White, en su propia mesa redonda, subrayó la intención de la Fuerza Aérea de utilizar pruebas digitales para reforzar las pruebas en el mundo real. Su oficina espera que la combinación de las dos formas de prueba le permita cubrir las lagunas y generar un conjunto de datos mucho más rico.

"Estamos utilizando los aspectos virtuales del modelo para asegurarnos de que estamos completando los espacios en blanco de los datos", dijo White. “Y luego, cuando haces eso, es como un rompecabezas. El rompecabezas comienza a completarse y te sientes más cómodo”.

Tener múltiples formas de realizar pruebas resulta útil cuando se intenta someter a aviones novatos a algunas de las condiciones de vuelo más extremas que podrían encontrar, dijo el coronel Kirt Cassell, jefe de la oficina del programa T-7 Red Hawk de la Fuerza Aérea.

"No importa qué tan buena sea su ingeniería digital, la física tiene derecho a voto", dijo Cassell. "Cuando estás en ángulos de ataque altos... todavía es muy difícil conseguir modelos avanzados" para predecir la física del mundo real.

Sneden señaló que la Fuerza Aérea ni siquiera ha comenzado a alcanzar los límites de cómo las herramientas digitales pueden ayudar a mantener un motor en funcionamiento durante toda su vida.

Por ejemplo, dijo, las herramientas digitales podrían ayudar a encontrar formas de fabricar repuestos para un motor de manera más fácil o eficiente mediante la fabricación aditiva. O podría ayudar a encontrar una nueva forma de reparar una pieza rota en lugar de tomar el largo y costoso paso de reemplazarla por una completamente nueva, dijo.

"Recién estamos empezando a apoyarnos en esa tecnología", añadió.