Con una cuenta desbloqueas el cuestionario, el foro de dudas y el tutor con IA de esta lección, además del registro de progreso y el examen final con certificado verificable al terminar «Materiales Aeroespaciales II: materiales en condiciones extremas».
Pregunta detonadora: si una sola decisión de material sale mal, ¿hasta dónde llega el error? En un proyecto real no se resuelve un ejercicio de fatiga y luego otro de reentrada: la aleación del herraje condiciona la masa del lanzador, el laminado del adaptador entra en el índice de Ashby de la última viga y el escudo térmico decide si las muestras llegan a la Tierra. Este examen te pide usar las ocho sesiones a la vez para cerrar un diseño encadenado.
El caso es la misión de retorno de muestras «Tornaviaje». Un lanzador aerotransportado, colgado de un pilón bajo el ala de un avión nodriza de cuatro turbofanes (como Pegasus bajo el L-1011 o LauncherOne bajo el 747), pone la sonda en órbita. Años después, su cápsula vuelve directa desde la trayectoria interplanetaria a más de 11 km/s, como Stardust u OSIRIS-REx, y amerriza con las muestras. Tú eres la persona responsable de materiales: debes decidir sobre el avión nodriza, el lanzador y la cápsula en ocho etapas, una por sesión del temario.
Conexión con el curso: cada etapa recoge la cadena estructura → propiedad → desempeño de su sesión. La microestructura γ′/γ″ explica el herraje caliente; la interfase débil del SiC/SiC explica el shroud; la anisotropía de la lámina explica el laminado; la baja conductividad de la YSZ explica la TBC; la pirólisis y la ablación del PICA explican el escudo; la densidad de energía del láser explica la porosidad de la pieza impresa.
Instrucciones del examen
Abre el laboratorio de esta lección, deja seleccionado el modo Examen oficial y pulsa «Comenzar el examen oficial». Necesitas haber iniciado sesión: el examen se califica en el servidor y la nota queda registrada para tu profesor.
Son 12 reactivos. Los primeros ocho son de opción múltiple, uno por sesión del temario: cada uno trae el contexto, una tabla de datos, la fórmula de referencia y cuatro a seis opciones. Los cuatro últimos son retos interactivos: ordenar la ruta de fabricación de una pieza, llevar cada material a su zona de la misión, emparejar fallas con remedios y auditar un borrador marcando afirmaciones como verdaderas o falsas.
No hay que escribir ningún número: se elige, se ordena con los botones Subir y Bajar, se toca la zona o se selecciona el remedio. Puedes ir y volver entre reactivos con los números de la parte superior y cambiar lo que quieras hasta que pulses Entregar examen.
Al entregar verás tu nota con una animación y el desglose por reactivo. Los reactivos fallados te dicen por qué falla la opción que elegiste, sin revelar la correcta: así puedes repasar y volver a presentarlo.
Si apruebas, el último paso es tu certificado: el campo del nombre llega precargado con el nombre de tu cuenta (si tu cuenta no tiene nombre, lo escribes tú) y puedes corregirlo antes de generarlo. Recibes un enlace de verificación y un PDF con tu calificación, y tu profesor ve el resultado en su panel.
Criterios de evaluación
Según el temario (§9), la calificación final se reparte en participación (30 %), entregas de aprendizaje independiente (40 %) y exámenes (30 %). Este examen es la evaluación final de ese 30 %. Vale 100 puntos y se aprueba con 70, el mismo umbral que el cuestionario de la lección (passingScore 0.7).
Parte
Reactivos
Puntos por reactivo
Total
Opción múltiple (una por sesión)
8
10
80
Retos interactivos
4
5
20
La opción múltiple es de todo o nada. Los retos dan crédito parcial: el reto de ordenar suma por cada paso colocado en su lugar y los de clasificar o emparejar, por cada elemento bien asignado. Lo que dejes sin contestar vale cero. Puedes presentar el examen más de una vez; el certificado se genera con el intento aprobado que elijas.
Mapa de los doce reactivos
Reactivo
Sesión
Componente
Formato
Qué se evalúa
1. Herraje del anillo de empuje
1 · Aleaciones avanzadas
Etapa superior del lanzador
Opción múltiple
Filtro por temperatura y máxima σy/ρ a la temperatura de servicio
2. Piel junto al pilón
2 · Fatiga y fractura
Avión nodriza (Al 2024-T3)
Opción múltiple
Grieta crítica, ley de Paris e intervalo de inspección
3. Shroud de turbina
3 · Cerámicos y CMC
Turbofán del avión nodriza
Opción múltiple
Ahorro de aire de refrigeración del SiC/SiC frente a superaleación
4. Adaptador de carga útil
4 · CFRP y laminados
Lanzador (T800/epoxi)
Opción múltiple
Regla de mezclas y módulo cuasi-isótropo de [0/±45/90]s
5. Álabe de turbina de alta
5 · Propulsión
Turbofán (CMSX-4 + YSZ)
Opción múltiple
Efectividad de refrigeración y caída en la TBC
6. Escudo térmico
6 · Reentrada
Cápsula
Opción múltiple
Sutton-Graves y elección del TPS con margen
7. Herraje de separación
7 · Manufactura aditiva
Cápsula (Ti-6Al-4V por SLM)
Opción múltiple
Densidad de energía y orden de las probetas
8. Viga ligera
8 · Selección y normativa
Cápsula o avión nodriza
Opción múltiple
Índice de Ashby de viga y norma de calificación
Reto 1
7 · Manufactura aditiva
Herraje de la cápsula
Ordenar
Ruta de fabricación y calificación de una pieza SLM
Reto 2
2, 3, 5 y 6
Toda la misión
Clasificar
Qué material o técnica domina en cada zona
Reto 3
2 a 7
Toda la misión
Emparejar
Cada falla con el remedio de materiales que la resuelve
Reto 4
1 a 8
Informe de materiales
Verdadero o falso
Errores típicos de unidades, signo y norma
Contenido teórico
Repaso de las fórmulas que usa el taller. Como en todo el curso, se presentan sin derivación: lo importante es qué significa cada término y cómo cambia la decisión de material.
Metales a temperatura y tolerancia al daño (sesiones 1 y 2)
La comparación justa entre aleaciones para un herraje caliente es la resistencia específica a la temperatura de servicio, después de descartar las que no pueden servir a esa temperatura:
σesp(T)=ρσy(T),kg/m3MPa=103kgkN⋅m
Para la tolerancia al daño, la grieta crítica y la vida de propagación con la ley de Paris da/dN=C(ΔK)m y m=3 son
con las longitudes en metros porque C está en m/ciclo con ΔK en MPa·√m. El intervalo de inspección es N dividido por el factor de dispersión (2 en el taller).
Zona caliente: CMC, refrigeración y barreras térmicas (sesiones 3 y 5)
La efectividad de refrigeración mide cuánto se aleja la superficie de la temperatura del gas, y el caudal de aire necesario crece de forma más que proporcional con ella:
ε=Tg−TcTg−Tm,m˙refr∝1−ϕϕ
donde ϕ es la efectividad que exige el límite del material. Por eso un CMC SiC/SiC que aguanta unos 250 °C más que una superaleación ahorra mucho más que «250 °C de aire». La barrera térmica de YSZ añade, en conducción 1D, una caída
ΔTTBC=kqt,Tmetal=Tg−ε(Tg−Tc)−kqt
con q en W/m², t en m y k en W/(m·K). Con q=0.8 MW/m², t=250 µm y k=1.2 W/(m·K) la caída es de unos 170 K.
Laminados y regla de mezclas (sesión 4)
La lámina unidireccional sigue la regla de mezclas en la dirección de la fibra, y un laminado cuasi-isótropo [0/±45/90]s tiene, según la aproximación de Tsai-Pagano, un módulo en el plano independiente de la dirección:
E1=EfVf+Em(1−Vf),Eqi≈83E1+85E2
Con fibra T800 (Ef≈294 GPa) y Vf≈0.6, E1 ronda 180 GPa y el laminado cuasi-isótropo unos 70 GPa: se pierde rigidez a 0° a cambio de no tener direcciones débiles.
Reentrada y manufactura aditiva (sesiones 6 y 7)
El flujo de calor convectivo en el punto de remanso de un cuerpo romo se estima con la correlación de Sutton-Graves:
q=kRnρv3,k=1.7415×10−4kg1/2/m
en SI (q en W/m²; 1W/cm2=104W/m2). El cubo de la velocidad explica por qué un retorno interplanetario exige ablativos (PICA, carbono-fenólico) y no losetas reutilizables. En la fusión selectiva láser, la densidad de energía volumétrica
E=vhtP[(mm/s)mmmmW=J/mm3]
separa la falta de fusión (por debajo de unos 45 J/mm³ en Ti-6Al-4V, orientativo), la ventana densa y el régimen keyhole (por encima de unos 110 J/mm³).
Selección y normativa (sesión 8)
Para una viga de sección escalable que debe ser rígida con la mínima masa, el índice de Ashby es
M=ρE1/2⇒m1m2=M2M1
y, elegido el material, se califica con la norma del producto: FAA AC 20-107B (con valores de diseño estadísticos de CMH-17) para estructuras de compuesto de aeronaves, ECSS-Q-ST-70 para materiales y procesos de vehículos espaciales europeos. DO-160G regula ensayos ambientales de equipos, no la calificación de un material estructural.
Ejemplo resuelto (variante B, no la del examen)
Etapa 5, variante B. El gas entra a Tg=1670 °C, el aire a Tc=630 °C y la efectividad es ε=0.46. La TBC tiene t=300 µm y k=1.0 W/(m·K), con q=0.80 MW/m². La superficie refrigerada queda a
cerca de 200 °C por debajo del límite del CMSX-4 (~1150 °C). Sin la TBC el metal estaría a 1192 °C, fuera de límite. Si alguien escribe t=0.3 (en mm) obtiene una caída de 240 000 K y una temperatura negativa: el taller lo detecta como error de signo y unidades.
Etapa 3, variante B. Con Tg=1510 °C, Tc=610 °C y límites de 1055 °C (superaleación) y 1300 °C (SiC/SiC): ϕSA=455/900=0.5056 y ϕCMC=210/900=0.2333, de modo que
Si se comparan las ϕ directamente sale 53.9 %: el taller explica que el caudal escala con ϕ/(1−ϕ), no con ϕ.
Etapa 6, variante B. A v=12.6 km/s, ρ=2.9×10−4 kg/m³ y Rn=0.42 m, el flujo es q≈9.15×106 W/m², unos 920 W/cm². Con el margen de 1.25 hace falta un TPS de al menos 1140 W/cm²: el más ligero que lo cumple es el PICA, como en Stardust; el SLA-561V, algo más ligero, se quemaría.
Taller
Trabaja con papel y calculadora: el examen valora la decisión, pero el razonamiento es tuyo. En los reactivos con cálculo, las opciones incorrectas son errores típicos (olvidar el factor de dispersión, usar milímetros en la ley de Paris, sumar la caída de la TBC en vez de restarla…): si calculas con cuidado, tu resultado estará entre las opciones; si no coincide con ninguna, revisa unidades y signos. Sigue este orden en cada uno:
Lee el componente y la condición dominante (temperatura, ciclos, flujo de calor, rigidez).
Escribe la fórmula de la tarjeta antes de tocar números y comprueba las unidades de cada término.
Filtra antes de ordenar en los reactivos de elección: primero los límites duros (temperatura, flujo admisible con margen, norma del producto), después el índice de mérito.
Haz una estimación de orden de magnitud: un intervalo de inspección de 300 vuelos o una temperatura de metal negativa delatan un error de unidades.
En los retos, empieza por lo que tengas claro y deja para el final lo dudoso: dan crédito parcial.
Preguntas guía: ¿qué dato de la tabla descarta a cada candidato? ¿Qué pasaría con tu respuesta si la temperatura, la velocidad o la tensión subieran un 10 %? ¿En qué reactivo cambiaría la decisión si el componente fuera de otro vehículo?
Comprueba en el laboratorio: antes del examen oficial haz una práctica (modo «Práctica B» o «Práctica C»): tiene el mismo formato con otros datos, se califica en tu navegador y al final muestra la solución razonada de cada reactivo. Cuando te sientas listo, presenta el examen oficial. Si apruebas verás la cápsula reentrar envuelta en plasma, desplegar el paracaídas piloto y los tres principales y amerrizar con una salpicadura; si no, verás el escudo térmico erosionarse hasta perforarse y la cápsula desintegrarse en fragmentos incandescentes.
Síntesis y puente
El hilo conductor del curso, aplicado a la misión completa:
Preguntas de reflexión: ¿qué etapa te costó más y a qué sesión corresponde? ¿Cuál de tus decisiones cambiaría primero si el avión nodriza volara desde una base costera (piensa en el Aloha 243 y en la corrosión que multiplica C)? ¿Qué material de la misión dejaría de ser válido si la cápsula volviera a 13.5 km/s?
Puente hacia adelante: el curso termina aquí, pero el método no. Las tendencias hacia 2030 —CMC en más etapas de la turbina, ablativos tejidos 3D como el HEEET de la NASA, piezas AM calificadas por proceso y reciclaje de CFRP por solvólisis— se evalúan con exactamente las mismas herramientas que acabas de usar.
1 de 8
Comprueba la lógica de la etapa 6 antes de empezar:
Una cápsula reentra con un flujo de calor estimado de 800 W/cm² y se exige un margen de 1.25. ¿Qué TPS eliges entre losetas HRSI (~30 W/cm², 144 kg/m³), SLA-561V (~150 W/cm², 256 kg/m³), PICA (~1500 W/cm², 270 kg/m³) y carbono-fenólico denso (> 30 000 W/cm², 1450 kg/m³)?
Tu certificado
El examen oficial se califica en el servidor y queda registrado para tu profesor. Si lo apruebas, el último paso del laboratorio te pide el nombre que aparecerá en el certificado: llega precargado con el nombre de tu cuenta y puedes corregirlo (si tu cuenta no tiene nombre guardado, lo escribes tú). Al generarlo obtienes un enlace público de verificación y un PDF con tu nombre, el curso y tu calificación sobre 100. Quien reciba el enlace puede comprobar que es auténtico: la firma depende del nombre, así que cualquier alteración lo invalida.
El cuestionario formal de esta lección, «Examen final: cuestionario de decisiones», repite las ocho decisiones de la variante A en opción múltiple. Si al contestarlo descubres una discrepancia con tu examen, casi siempre es una unidad (milímetros en la ley de Paris, micras en la TBC) o un redondeo intermedio demasiado agresivo.
Fuentes
Temario oficial de Materiales Aeroespaciales II (UNII, M. en C. Alan Rosas Palacios), §5–§9: estructura de las sesiones, contenidos de cada etapa y peso de los exámenes (30 %).
Ashby, M. F., y Jones, D. R. H. Engineering Materials 1 & 2, 4.ª ed.: índices de desempeño y resistencia específica (etapas 1 y 8).
Anderson, T. L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, 4.ª ed.: factor de intensidad de tensiones, grieta crítica y ley de Paris (etapa 2). La constante de Paris del Al 2024-T3 se toma del orden de 10−11 con m=3 por simplicidad; los ajustes NASGRO usan exponentes algo mayores.
MMPDS (sucesor de MIL-HDBK-5) y ASM Handbook vol. 2: límite elástico frente a temperatura de Al 7075, Al-Li 2195 y Ti-6Al-4V; Donachie y Donachie, Superalloys: A Technical Guide: Inconel 718 y Waspaloy (etapa 1). Valores típicos aproximados, no admisibles de diseño.
Chawla, K. K. Ceramic Matrix Composites, 2.ª ed., y publicaciones de GE/CFM y NASA Glenn sobre SiC/SiC (shroud del LEAP): límite de servicio del CMC (~1300 °C) y su efecto en el aire de refrigeración (etapa 3). La correlación φ/(1 − φ) es una simplificación del modelo de Holland y Thake.
Daniel, I. M., e Ishai, O. Engineering Mechanics of Composite Materials, 2.ª ed.; Gibson, R. F. Principles of Composite Material Mechanics: regla de mezclas y laminados cuasi-isótropos; Tsai y Pagano (1968) para la aproximación 3/8–5/8 (etapa 4). Propiedades de la fibra T800S de la ficha técnica de Toray.
Publicaciones de NASA NTRS sobre barreras térmicas de YSZ (conductividad 1–1.5 W/(m·K)) y superaleaciones monocristal CMSX-4 (etapa 5).
Sutton, K., y Graves, R. A. (1971), A General Stagnation-Point Convective Heating Equation for Arbitrary Gas Mixtures, NASA TR R-376: constante k=1.7415×10−4 (etapa 6). Flujos admisibles orientativos de PICA (Stardust), HRSI y RCC (Shuttle Orbiter) y carbono-fenólico (Galileo) a partir de informes de NASA Ames; son órdenes de magnitud para comparar, no límites de calificación.
Literatura de ventanas de proceso SLM en Ti-6Al-4V (p. ej. Gong et al., 2014, Additive Manufacturing) para los umbrales orientativos de falta de fusión y keyhole (etapa 7); GE Aviation para la boquilla del LEAP.
FAA AC 20-107B (Composite Aircraft Structure), CMH-17 (Composite Materials Handbook), ECSS-Q-ST-70 (Materials, mechanical parts and processes) y RTCA DO-160G (Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment): alcance de cada norma (etapa 8).
Laboratorio: Examen-taller: misión de retorno de muestras «Tornaviaje»