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Structural Health Monitoring
Materiales compuestos para el sector aeroespacial
Última actualización: 09 de Marzo de 2009 Enviar a un amigo Imprimir Pdf
Structural Health Monitoring
El sistema cambia la estructura
El SHM (Structural Health
Monitoring) se entiende
como el sistema nervioso
de la estructura de las
aeronaves. Diferentes
sensores insertos en ella
detectan fisuras, corrosión,
deslaminación u otro tipo
de desperfectos y facilitan
así su evaluación.
© EADS
Mantenimiento sólo cuando sea necesario (Maintenance on Condition) es uno de los grandes objetivos de los constructores aeronáuticos.
Un hito importante de camino a conseguirlo es el sistema SHM(Structural Health Monitoring), que pone la estructura del avión en
condiciones de “sentir” yacorta las inmovilizaciones a que obliga el mantenimiento.En el futuro influirá además de forma esencial en el
diseño de aeronaves.
Unos se ocupan de la electrónica abstracta,otros de componentes “de carne y hueso”.La mente de los ingenieros de sistema es tá llena de
funciones,la de los diseñadores,de estructuras.Los modos de trabajo y planteamientos de desarrollo no pueden ser más difer entes.Son
dos mundos completamente distintos.Hasta ahora.En un futuro no muy lejano,estructuras y sistemas no sólo s e unirán,sino que,
literalmente,se fundirán unas con otros.Las estructuras informarán del estado en que se encuentran por medio de un sistema. El sistema
hará que la estructura cambie.La fórmula mágica se esconde detrás de tres letras:SHM (Structural Health Monitoring).
SHM significa vigilancia automática de desperfectos,tensiones y dilataciones,asícomo de condiciones del medio ambiente y d e
parámetros de vuelo con ayuda de sistemas de sensores instalados de forma permanente o bien integrados en la s estructuras para
garantizar la integridad de éstas.El SHM dota a la materia inerte de sistema nervioso,de forma que ésta comienza a “sentir” ,a ser capaz
de comunicar cualquier lesión a un “cerebro”,que no sólo guarda tales datos en una memoria,sino que también los analiza para reaccionar
como corresponde.Los sistemas SHMactúan tanto de manera activa como pasiva.Los sistemas pasivos reciben estímulos a través de la
estructura,mientras que los activos envían estímulos a la estructura para,a continuación,medir la reacción de ésta.
Sensores SHM: Resumen general de las tecnologías más importantes
Fibre Bragg Gratings (FBG)
Acousto-Ultrasonics (AU)
Acoustic Emission (AE)
Comparative Vacuum Monitoring (CVM)
Eddy Current Foil Sensors (ETFS)
Las antenas de microondas

Fibre Bragg Gratings (FBG)
Fibre Bragg Gratings (FBG): Sensores de fibra óptica que se dilatan junto con el material. Indican temperaturas,
tensiones de origen térmico o mecánico, desperfectos causados por choques o golpes, así como
deslaminaciones. (En la imagen, sección de fibra inserta en el material).
Acousto-Ultrasonics (AU)
Acousto-Ultrasonics (AU): Hacen vibrar la estructura por medio del sonido para captar en otra zona las ondas
sonoras así generadas. Posibles perturbaciones en la imagen de las ondas son prueba de fisuras o
deslaminaciones.
Acoustic Emission (AE)
Acoustic Emission (AE): Estos sensores son el equivalente pasivo del AU. Reaccionan ante sonidos impropios
del material, generados por fisuras, deslaminaciones o golpes.
Comparative Vacuum Monitoring (CVM)
Comparative Vacuum Monitoring (CVM): Los cambios de presión en un sistema de finísimos conductos capilares
indican defectos estructurales (fisuras, corrosión o desprendimientos en uniones con adhesivo).
Eddy Current Foil Sensors (ETFS)
Son apropiados sólo para estructuras metálicas. Fisuras o zonas con corrosión hacen variar el campo de
corriente Foucault generado por el sensor.
Las antenas de microondas (MWA, en siglas inglesas)
Las antenas de microondas (MWA, en siglas inglesas) emiten y captan microondas que delatan la presencia de
inclusiones de agua en el material compuesto y en estructuras sándw ich.
En el banco de pruebas
Lo que en tierra se utiliza ya con éxito, por ejemplo para vigilar cables de sujeción de puentes colgantes,se dispone a conquistar ya pronto
el espacio aéreo.Desde la década de los 90,ingenieros de Airbus se ocupan intensamente de la tecnología clave SHM con ánimo de
mejorar la integridad estructural de los modelos de aviones existentes yfuturos, asícomo con objeto de reducir el peso y abreviar las
inmovilizaciones.
Aspecto de los
revestimientos de un avión a
reacción antiguo.El control
de zonas críticas para
detectar posible corrosión es
una de las tareas
características de los sensores
SHM
© EADS
Tecnologías SHM prestan ya servicio, en parte, en los bancos de pruebas de material de los grandes fabricantes aeronáuticos. Una de
ellas,la CVM (Comparative Vacuum Monitoring) desempeñó un papel importante en las pruebas destinadas a homologar el material
compuesto llamado GLARE (GLAss-fibre REinforced aluminium).El GLARE consiste en tres capas de chapa de aluminio unidas con ayuda
de resina epoxy reforzada con fibra de vidrio. La estructura sándwich desarrollada por Airbus se utiliza,entre otros,para los segmentos
superiores del fuselaje del A380. Al igual que sucede con todo material nuevo,el GLARE se ensayó a fondo para hacer posible su empleo

en aviones con el beneplácito de las autoridades competentes.
Inspección rutinaria de la
estructura de un avión
durante la parada nocturna.
© EADS
Y como en el caso del material compuesto,también en el GLARE la integridad estructural constituye un aspecto importante.¿Hasta qué
punto es estable la unión (bonding) entre las distintas capas? ¿Se producen fisuras horizontales extensas en una capa (deslam inaciones)
cuando hay desprendimientos en ella? ¿Hayinclusiones en el material? Ypor último,pero no menos significativo:“¿Hasta qué punto son
resistentes a la solicitación mecánica los orificios de los remaches? ¿Se producen allífisuras por fatiga del material? La tecnología CVM ha
permitido contestar a algunas de estas preguntas en una fracción del tiempo necesario en un proceso convencional.Entre otras razones
porque los sensores CVM estaban unidos solidariamente con el material y todas y cada una de las mediciones eran reproducibles con
exactitud. Además,sólo fue necesario llevar a cabo una vez el laborioso montaje ydesmontaje de sensores,lo que abrevió sustancialmente
el trabajo,sobre todo,en partes de la estructura de difícil acceso.
Para detectar posibles fisuras en partes remachadas se instalaron sensores CVM en la costura solapada antes de poner los remaches.
Dichos sensores llegaron a localizar fisuras del orden de uno a dos milímetros,lo que apenas hubiera sido posible con otros procedimientos
de inspección.Los sensores CVM funcionan a base de presión diferencial.Tienen un espesor de 125 milímetros yestán provistos de finos
'canales',en parte llenos de aire y en parte al vacío. Tan pronto como hay comunicación entre dos 'canales'porque se ha pro ducido una
grieta o por causa de otros defectos del material,las condiciones de presión del sensor cambian en esa zona.
Algunos constructores aeronáuticos aplican ya con regularidad la tecnología CVM para pruebas del material en tierra.No obsta nte,antes
de que llegue a permitirse el funcionamiento de sensores SHMen aeronaves en vuelo, éstos tendrán que pasar por el banco de pruebas
para comprobación de su resistencia ysu fiabilidad a la hora de detectar defectos,es decir, para verificar la probabilidad de detección
(POD, en siglas inglesas),asícomo la fiabilidad de la unión con el material.Otra finalidad es además ensayar procedimientos prácticos,
tales como los de mantenimiento de los propios sensores.Por regla general,los ingenieros de Airbus utilizan el A320 MSN001 como
plataforma experimental volante.
Una oportunidad muyespecial se ofreció en Dresde durante ensayos completos de fatiga llevados a cabo en el A380. Desde septiembre de
2005 se simulan allícargas por solicitación mecánica en la estructura que,al final de la serie de ensayos,equivaldrán a 47 .500 vuelos.
Mientras bandas extensométricas convencionales vigilan la carga soportada por la estructura del avión, los diseñadores de los sistemas
SHM comprueban la fiabilidad y la funcionalidad de más de cien sensores.Verifican,aparte de eso,su adhesión a la estructura.En la
mayoría de los casos los sensores se adhieren a ésta en unión cinématica de forma.
Hay que tener en cuenta, sin embargo,que tanto las uniones con adhesivo como los propios sensores no sólo han de soportar un a
solicitación mecánica como la que se ensaya en Dresde.También han de ser resistentes a la humedad y a diferencias de temperatura de
hasta 160 grados centígrados,asícomo aguantar un “pelín” más que la estructura que vigilan.Y esto a lo largo de toda la vi da útil del
avión, es decir, durante 30 años.
Para proteger los sistemas de sensores frente a efectos externos no deseados,aquéllos se revisten a menudo con una capa protectora.
Cuando el sensor está inserto en la estructura se puede prescindir tanto de la capa como de la unión con adhesivo.En ese caso,es la
propia estructura la que protege al sensor.Además,no existe peligro de que éste llegue a desprenderse.El procedimiento de embutido es
apropiado,en especial,para material de fibra:con material plástico reforzado de fibra de carbono,con fibra de vidrio o con material
compuesto cerámico es posible fundir realmente con la estructura piezo-fibras o sensores de fibra óptica.
Sin embargo,al insertar sensores en la estructura se presentan dos graves problemas prácticos.Por un lado,cuando sea necesario
cambiar esa parte de la estructura debido a desgaste o a desperfectos se perderá también el sensor.Por otro, el mantenimiento del sistema
de sensores se hace difícil dentro de la estructura,apenas es posible repararlo ymucho menos cambiarlo.Los ingenieros de desarrollo
trabajan a toda marcha en la actualidad para solucionar estos problemas.
Ya se trate de sistemas adheridos o embutidos muchas tecnologías SHMse fundamentan en principios largamente probados en la
inspección yen el mantenimiento aeronáuticos.Por ejemplo,con ultrasonido o con corriente Foucault.La gran diferencia en comparació n
con los procedimientos de ensayo no destructivo aplicados hasta ahora consiste en que,en el futuro, los sensores permanecerá nen la
estructura.Sin importar si funcionan en directo,es decir, midiendo las cargas que actúan sobre la estructura durante el vue lo o si los datos
se descargan de unidades de evaluación conectadas o bien de unidades de memoria propias del sensor al llevar a cabo el mantenimiento o
las inspecciones.

Zonas de difícil acceso bien controladas
Inspección con boroscopio
durante pruebas en Lufthansa
Technik.
© EADS
Una vez instalados,los sensores permiten controlar fácilmente incluso zonas del avión que para el personal de mantenimiento podrían ser
peligrosas o de difícil acceso.Ya se trate de depósitos de combustible,de motores o de alerones de aterrizaje.Hasta ahora,la inspección
de los alerones es visual con ayuda de boroscopios.El operario introduce un pequeño dispositivo óptico articulado en el aler ón y explora el
componente en busca de fisuras.Pero las posibilidades de detección mediante este tipo de insp ección son limitadas porque ni es posible
aprovechar el efecto de contraluz ni tampoco dejar limpia la superficie.
Es difícil por tanto localizar asílas fisuras más pequeñas.Por el contrario,un sensor SHMin situ detectaría tales defecto s mucho antes
abreviando las inspecciones de forma considerable.Pero la tecnología SHM no reemplazará del todo a los trabajos rutinarios no
destructivos de mantenimiento e inspección.Y no lo hará porque las pruebas convencionales no se limitan al examen preciso de sólo la
parte prescrita en el manual de mantenimiento.Por regla general,el operario escruta también el entorno de la zona que debe inspeccionar.
Evaluar los desperfectos con mayor rapidez
El procedimiento SHM proporcionará valiosas informaciones adicionales, acelerará muchas inspecciones rutinarias yhará más fácil
comprobar el alcance de los desperfectos.Por ejemplo,de las abolladuras y rasguños causados una y otra vez, a pesar de toda s las
precauciones,por rampas o por vehículos de carga en puertas o marcos de puertas.Con el SHM, sería posible abreviar hasta en un 50 por
ciento el tiempo necesario para evaluar daños ya sólo en la zona de puertas.
Un A340 de Lufthansa poco
después de aterrizar.
Utilizando el SHM se podría
prescindir de inspecciones
entre dos vuelos.
© EADS
Es difícil calcular el potencial total de ahorro en el caso de los aviones comerciales.Mucho menos en vista de que no sólo s e inspecciona la
estructura,sino también la cabina y los sistemas electrónicos.Esto es distinto en los aviones militares porque en ellos la comodidad es
secundaria.El enfoque se dirige principalmente hacia los sistemas ylas estructuras,que allísoportan cargas mayores sin pu nto de
comparación que los aviones comerciales.De un estudio se desprende que la aplicación consecuente de la SHM abreviaría en más del 40
por ciento el tiempo dedicado al mantenimiento de un avión de combate moderno.
Con ayuda del SHM, las compañías aéreas se podrían beneficiar en un futuro próximo de una inmovilización en tierra y de costes de
mantenimiento claramente menores.A largo plazo, el SHM es la palanca que impulsará el cambio de los planteamientos conservad ores del
diseño aeronáutico porque ofrece perspectivas inéditas en lo relativo al esfuerzo en determinadas zonas estru cturales durante las fases de
carreteo, despegue,vuelo y aterrizaje, asícomo en situaciones extremas,tales como en un aterrizaje violento (hard landing) .Los nuevos
datos acerca del comportamiento de ciertos elementos estructurales contribuirán a optimar estructuras y a aligerar el peso de futuros
modelos de aviones.
Sin perjuicio de la seguridad y cuando aún muchos responsables de estructuras asaltados por las dudas se preguntan que cómop ueden
confiar en un sistema de sensores al configurar una estructura,los ingenieros de sistema replican casi siempre:“En realidad,quien piense
asíno debería ni siquiera pisar un avión, porque en el momento en que un aparato deja de planear y el vuelo se gobierna de forma activa
depende de sus sistemas,como mínimo, en la misma medida que de la estructura”.Esto empieza por los sensores que detectan la altura o
la tasa de descenso yno acaba, ni con mucho,con la medición de velocidad o la regulación del ambiente de la cabina.
Dudas parecidas a las de algún que otro diseñador o mecánico estructural asaltan a muchos responsables de las autoridades de aviación.
Así pues,el relativamente joven SHM tendrá que ganarse primero su confianza.Por la parte del sistema habrá de satisfacer se veros

requisitos respecto de la sostenibilidad yla capacidad funcional;por parte de la estructura deberá cumplir con las estrictas condiciones de
homologación impuestas a los ensayos no destructivos.A esto corresponde una probabilidad de detección de defectos (POD) de 9 0/95, lo
que significa que ha de localizar fallos con una fiabilidad del 90 por ciento y un grado de confianza del 95 por ciento.Este comproba nte es
obligatorio ya hoy día para todos los procedimientos de ensayo no destructivo.
Nuevas perspectivas para el diseño aeronáutico
Si bien los adeptos están convencidos de que el SHM satisfará todos los requisitos sin ninguna excepción,el avión completame nte cubierto
por redes de sensores,es decir,el avión que “siente” no está ni mucho menos al alcance de la mano.El motivo prin cipal es el enorme
despliegue necesario para calificar sistemas SHM.Por eso,Airbus planea escalonar su implantación en cuatro etapas o lo que es igual en
cuatro generaciones.Teniendo,sin embargo,en cuenta que la “generación cero”,el empleo en tierra, ya es parte de la técnica moderna.El
paso siguiente consistirá en incluir sensores offline en los trabajos rutinarios de mantenimiento.Una vez demostrada allísu fiabilidad,se
sustituirán por sensores online y sistemas completos a bordo.Será en la tercera generación cuando los sistemas SHMse integren
completamente en los sistemas existentes a bordo.
Golpe intencionado con la
cola de un A340-600 durante
las pruebas de homologación.
El TSI (Tail Strike Indicator),
un precursorde los sistemas
SHM, lo indica en la cabina.
© EADS
Pero hasta que tal día llegue será necesario salvar algunos obstáculos más allá de los sistemas de sensores.Por ejemplo,deb erá estar
garantizado que el despliegue de mantenimiento de los propios sistemas SHMse mantenga dentro de límites estrictos.Otro punto se
refiere a la evaluación de los datos de los sensores,porque de lo que se trata es de que los sistemas SHMno sólo los recopi len,sino
también de que los analicen.
Un precursor de un sistema SHM,el TSI (Tail Strike Indicator),está instalado en los dos gigantes de larga distancia,el A380 y el A340-600.
El ángulo de ataque relativamente grande propio del despegue y del aterrizaje de aviones extremadamente largos hace que la pa rte trasera
del fuselaje roce una y otra vez la pista.Y es en esa zona especialmente amenazada donde está incorporado el TSI. La caja, ligeramente
sobresaliente,contiene,entre otros elementos,dos bucles independientes de cobre.Si éstos se dañan a causa del roce el cir cuito queda
interrumpido,y el piloto verá la indicación correspondiente tan pronto como el vuelo entre en una fase segura.
El uso en astronáutica
Todo modelo es tan bueno como los datos en que se basa.Esto rige tanto en la previsión meteorológica como en la simulación d e flujos
destinada a dimensionar motores de cohete.La menor variación en la forma geométrica de una cámara de combustión puede generar
turbulencias antes inexistentes,puede aumentar el empuje u obstaculizar el proceso de combustión.A la inversa,los proce sos físicos
suponen una carga para la propia cámara de combustión ydesgastan el material y la estructura.
Hasta la fecha, los ingenieros de desarrollo miden las temperaturas en las zonas críticas con ayuda de sondas o cámaras térmi cas,y
determinan tensiones del material por medio de bandas extensométricas.Algunas pruebas sólo son viables en paneles,que corresponden
a un segmento de la estructura,dado que muchas partes de la cámara no son accesibles con métodos convencionales de medición. Sin
embargo, los datos obtenidos en tales pruebas se incluyen en modelos de simulación que reproducen el estado de todo el motor.
En el futuro, los sensores SHMofrecerán una imagen más detallada ydeterminarán temperaturas ytensiones tanto en paneles co mo en la
cámara de combustión.En la actualidad se ensayan sensores de fibra óptica,las mallas llamadas FBG(Fibre Bragg Gratings),para una
nueva generación de motores.Su estructura interna de cobre está revestida con una matriz de material compuesto polimérico.L a fibra del
sensor se entreteje en el material compuesto.
Los sensores de fibra óptica funcionan de manera similar a las bandas extensométricas.Cuando el conjunto de sensor ymateria l se dilata
por efecto de la temperatura o de una fuerza mecánica las fácilmente conmensurables características del sensor cambian.En la banda
extensométrica la resistencia varía de forma proporcional a la dilatación;en el caso del FBG lo hacen las características de la luz reflejada y
(en la gama micrométrica) la posición de la malla en la fibra, es decir,la posición de los diminutos espejos incrustados en la fibra de vidrio
con ayuda de rayo láser.
Más datos para motores mejores
Una sola fibra fina alberga hasta 25 espejos,lo que equivale a otros tantos puntos de medición. Para medir la misma cantidad de puntos
con banda extensométrica serían necesarios 25 cables gruesos de varios filamentos.Un autentico mare mágnum de material,que es
demasiado aparatoso incluso en un banco de pruebas.Tanto más basta es por eso,hasta ahora,la malla de puntos de medición.Con
sensores de fibra óptica podría ser mucho más tupida.
También mejoraría la calidad de los distintos datos de medición con un despliegue de trabajo mucho menor.A diferencia de la mayoría de
los sensores convencionales,los de fibra óptica no sufren interferencias de campos electromagnéticos,por lo que puede prescindirse de
complejos apantallados.
Si los sensores SHMsalen ilesos del bautismo de fuego podrían convertirse en parte integrante de futuros motores.Un s ensor transmitiría
valiosos datos sobre el estado del motor durante todo el ciclo de vida: desde el primer instante del desarrollo y la configur ación,pasando
por el control de calidad durante la fabricación y por el gobierno en vuelo, hasta llegar a informaciones destinadas al mantenimiento o a la
optimación de la generación siguiente de motores.

De momento, sólo un estudio
tecnológico. Sin embargo, los
materiales compuestos,que
son resistentes a la tracción y
ligeros, podrían utilizarse ya
pronto en el sectorespacial.
El robot de trenzado produce
camisas de PMC para el
revestimiento interior de
motores cohete.
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