MIM-2000-I-07
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL
LUIS ALONSO RIVERA LÓPEZ
Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Mecánica Programa de Magister Santafé de Bogotá Julio 2000
i
MIM-2000-I-07
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL
LUIS ALONSO RIVERA LÓPEZ
Tesis de grado para optar al Magister en Ingeniería Mecánica
Asesor ALVARO PINILLA Ingeniero Mecánico, PhD.
Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Mecánica Programa de Magister Santafé de Bogotá Julio 2000
ii
MIM-2000-I-07
Santafé de Bogotá, D.C., 27 de julio de 2000
Doctor CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ Director Departamento Ingeniería Mecánica UNIVERSIDAD DE LOS ANDES La Ciudad
Apreciado Doctor: Por medio de la presente someto a consideración suya la tesis "DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL " ya que dicho Proyecto es un buen desarrollo en el campo de materiales y el diseño de aeronaves con fines investigativos. Certifico como asesor que la Tesis cumple con los objetivos propuestos y que por lo tanto califica como requisito para optar al Magister en Ingeniería Mecánica. Cordialmente,
ALVARO PINILLA Profesor Asesor
iii
MIM-2000-I-07
Santafé de Bogotá, D.C., 27 de julio de 2000
Doctor CARLOS FRANCISCO RODRÍGUEZ Director Departamento Ingeniería Mecánica UNIVERSIDAD DE LOS ANDES La Ciudad
Apreciado Doctor: Someto a consideración de usted la tesis titulado "DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL" que tiene como objetivo investigar en materiales y procesos de construcción de aeronaves de este tipo en Colombia. Considero que este proyecto cumple con sus objetivos plenamente y lo presento como requisito parcial para optar al Magister en Ingeniería Mecánica. Cordialmente,
LUIS ALONSO RIVERA LÓPEZ Código 199927804
iv
MIM-2000-I-07
A mis padres, hermanos y sobrinos.
v
MIM-2000-I-07
AGRADECIMIENTOS
El autor desea expresar sus agradecimientos a: Alvaro E. Pinilla, Ingeniero Mecánico PhD, M.Sc, Profesor Titular del Departamento de Ingeniería Mecánica y asesor en este proyecto. Miguel Prieto, Ingeniero Mecánico experto en polímeros, continuo colaborador del Departamento de ingeniería Mecánica, quien suministró gran parte del material empleado y guía constante durante el proyecto. Rafael Paz, representante de DuPont Venezuela, quien mostró interés durante todo el proyecto, suministrando material e información vital durante el proyecto. Juan Castilla, representante información importante acerca facilitó su adquisición.
de AGA Fano, quien suministró del gas de flotación Helio y
Hector Vallecilla, gerente de Carpak, quien suministro material para el proyecto. Jaime Loboguerrero y Jorge Medina, profesores del Departamento de Ingeniería Mecánica, quienes suministraron apoyo y guía durante el proyecto. Zaida Contreras, estudiante de pregrado, quien continuará con la investigación; y quien colaboró de manera radical en la construcción del dirigible. Pablo Andrés Ocampo, Alejandro Veloza y Andrés Almonacid, quienes con su importante ayuda permitieron la construcción del dirigible a radio control.
vi
MIM-2000-I-07
CONTENIDO
0. INTRODUCCIÓN
1
1. TRABAJO PREVIO Y MOTIVACIONES
2
1.1 RESUMEN DEL ESTUDIO "EVALUACIÓN TÉCNICA DEL USO DE DIRIGIBLES EN COLOMBIA"
3
1.1.1 ANÁLISIS COMPARATIVO FRENTE A OTRAS TECNOLOGÍAS
4
1.1.2 SELECCIÓN DEL DIRIGIBLE
9
1.1.3 Conclusiones del estudio
13
2. DETERMINACION DEL TAMAÑO DE UN DIRIGIBLE
15
2.1 DESARROLLO DE LA ECUACIÓN AEROSTÁTICA MODIFICADA PARA UN DIRIGIBLE 16 2.1.1 Masa de la membrana Men
17
2.1.2 Masa de los balonets Mb
18
2.1.3 Masa de reforzamiento delantero, de cordaje y de empenaje
19
2.1.4 Ecuación del volumen
19
2.2 APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN EN EL DISEÑO
20
2.2.1 Variables de entrada
20
2.2.2 Variables de salida
22
2.3 DESARROLLOS ANTERIORES PARA DIRIGIBLES PEQUEÑOS
23
2.3.1 Dirigible Simon [ref. 4]
25
2.3.2 Diferencias y aciertos
26
3. DISEÑO DE LA MEMBRANA: ESFUERZOS
28
3.1 VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL MATERIAL: CÁLCULO DE ESFUERZOS EN LA MEMBRANA
28
vii
MIM-2000-I-07
3.1.1 Calculo del centro de flotación del dirigible
28
3.1.2 Cálculo del momento flector
30
3.1.3 Estado de esfuerzos en los puntos críticos inferior y superior32 3.1.3.1 Determinación de la presión interna
34
3.1.3.2 Estado de esfuerzos de la membrana con carga no cíclica
36
3.1.3.3 Distribución de presiones por efectos aerodinámicos
38
3.2 CONCLUSIONES
38
4. DISEÑO DE LA MEMBRANA: MATERIALES
39
4.1 MEMBRANA DE LOS DIRIGIBLES MODERNOS
40
4.1.1 Material laminado
40
4.2 PRIMERA ALTERNATIVA: MATERIAL LAMINADO
43
4.2.1 Capa de esfuerzo: laminado de polipropileno
43
4.2.1.1 Prueba de tensión
45
4.2.1.2 Prueba de rasgadura sin grieta inicial
48
4.2.1.3 Prueba de punzonamiento
49
4.2.1.4 Prueba de permeabilidad al oxigeno
50
4.2.2 Capa de retención del gas: Mylar® DuPont
52
4.2.2.1 Permeabilidad del Mylar®
53
DuPont [ref. 9]
4.2.2.2 Absorción de Humedad del Mylar® DuPont [ref. 9]
54
4.2.2.3 Prueba de tensión
55
del Mylar® DuPont
4.2.2.4 Prueba de rasgado del Mylar® DuPont
57
4.2.2.5 Prueba de punzonamiento
59
4.3 PROCESO DE LAMINACION: MYLAR® Y POLIPROPILENO
60
4.3.1 Propiedades del laminado de polipropileno con Mylar®
60
4.3.2 Consideraciones básicas del adhesivo de laminación
61
4.3.2.1 Adhesivo seleccionado
61
4.3.2.2 Reacción entre el adhesivo y las capas del laminado
62
4.3.3 Pasos de laminación
62
4.4 SEGUNDA ALTERNATIVA: FOIL DE ALUMINIO
63
4.4.1 Prueba de tensión del Foil de aluminio
64
4.4.2 Prueba de rasgado del foil de aluminio
65
4.4.3 Prueba de punzonamiento del foil de aluminio
65
4.5 CONSOLIDADO DE DATOS
66 viii
MIM-2000-I-07
4.6 PRUEBA DE PERMEABILIDAD DE LAS UNIONES AL HELIO
68
4.6.1.1 Alcance
68
4.6.1.2 Especímenes de prueba
68
4.6.1.3 Condiciones
68
4.6.1.4 Procedimiento
69
4.6.1.5 Resultados
69
4.7 CONCLUSIONES
70
5. CONSTRUCCIÓN DE LA MEMBRANA: CORTE Y PEGADO
71
5.1 PROCESO DE CORTE
71
5.2 PROCESO DE UNIÓN
75
5.2.1 Técnicas de unión y enlace para materiales plásticos [ref. 8]75 5.2.1.1 Solventes y colas
75
5.2.1.2 Enlace térmico materiales termoplásticos
76
5.2.1.3 Adhesivos
77
5.2.1.4 Técnicas usadas en la membrana del dirigible
78
5.3 SELECCIÓN DE LA MEJOR UNIÓN TERMOSOLDADA
80
5.3.1 Esfuerzos en la membrana según la presión interna
80
5.3.2 Prueba de tensión de las uniones
82
5.3.2.1 Junta en T con longitud de pestaña de ½"
83
5.3.2.2 Junta en T con longitud de pestaña de 1"
84
5.3.2.3 Comparación de los dos experimentos de junta tipo T
85
5.3.2.4 Junta a tope con material de substrato, paralelo a la extrusión 86 5.3.2.5 Junta a tope con substrato, perpendicular al laminado
87
5.3.3 Prueba de explosión
88
5.3.4 Conclusiones sobre el tipo de unión de la membrana
90
5.4 PASOS DE UNIÓN DEL DIRIGIBLE
90
5.4.1.1 Primero: Corte de las tiras
91
5.4.1.2 Segundo: Unión a tope de las partes centrales
91
5.4.1.3 Tercero: Unión de la cola y la nariz
92
5.4.1.4 Cuarto: Cierre de las puntas
93
5.4.1.5 Quinto: Cierre de la costura central
93
5.4.1.6 Sexto: Refuerzo con cinta 3M Highland® (6969) en las uniones94 ix
MIM-2000-I-07
5.5 CONCLUSIONES
95
6. CONSTRUCCIÓN DE LA MEMBRANA: LLENADO FINAL
96
6.1 PROTOTIPOS PREVIOS
96
6.1.1 Primer prototipo: laminado de Polipropileno con Mylar® DuPont97 6.1.1.1 Resultado
97
6.1.2 Segundo prototipo: foil de aluminio laminado
98
6.1.2.1 Resultado
98
6.1.3 Tercer prototipo: foil de aluminio laminado
98
6.1.3.1 Resultado
99
6.2 CONSTRUCCION DE LA MEMBRANA DEFINITIVA
99
6.3 LLENADO
100
6.4 COMENTARIOS DEL LLENADO DE LA MEMBRANA
102
6.5 ACOPLE FINAL DEL DIRIGIBLE
103
6.6 BREVE DESCRIPCIÓN DE LA GÓNDOLA
103
6.7 ACOPLE DE LA GÓNDOLA CON LA MEMBRANA
104
6.8 COSTOS GENERALES DEL APARATO
105
6.9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
105
7. DIRIGIBLE CON DISEÑO MODULAR
107
7.1 GLOBOS METEOROLÓGICOS [REF. 10]
107
7.1.1 Globo de 3 pies
108
7.1.2 Globo de 8 pies
108
7.1.3 Globo de 16 pies
109
7.2 CONCLUSIONES
109
8. CONCLUSIONES GENERALES
111
9. REFERENCIAS
113
10. ANEXOS
114
x
MIM-2000-I-07
LISTA DE FIGURAS
Figura
1.
Comparación
varias
tecnologías
transporte
carga
Orientales
Llanos 7
Figura 2. Comparación dirigibles comerciales con teóricos
10
Figura 3. Dirigible a radio control comercial.
24
Figura 4. Sustentación del dirigible contra radio mayor
25
Figura 5. Dimensiones del elipsoide
29
Figura 6. Diagrama de cuerpo libre simplificado
31
Figura 7. Corte esfuerzos longitudinales
33
Figura 8. Corte esfuerzos transversales
33
Figura 9. Material laminado dirigible moderno
42
Figura 10. Polipropileno metalizado: tensión paralela
47
Figura 11. Polipropileno metalizado: tensión perpendicular
47
Figura 12. Mylar® DuPont: Permeabilidad frente a varios gases [ref. 9] 53 Figura 13. Mylar® DuPont: Contenido de humedad
55
Figura 14. Mylar® DuPont: Prueba de tensión ASTM 882
56
Figura 14. Mylar® DuPont: Prueba de rasgado ASTM 1004
57
Figura 15. Mylar® DuPont: Prueba de punzonamiento ASTM 4833
59
Figura 16. Unión usando el laminado polipropileno y Mylar® DuPont 63 Figura 17. Foil aluminio: Prueba de tensión ASTM 882
64
Figura 18. Foil de aluminio: prueba de rasgado ASTM 1004
65
Figura 19. Foil de aluminio: prueba de punzonamiento ASTM 4833
66
xi
MIM-2000-I-07
Figura 20.
Desarrollo del elipsoide
72
Figura 21. Desarrollo geométrico simplificado
73
Figura 22. Unión pestaña ½", junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
84
Figura 23. Unión pestaña 1", junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
85
Figura 25. Unión a tope (perpendicular laminado): Prueba de Tensión ASTM 882
88
Figura 26. Primer paso: Unión tiras
91
Figura 27. Segundo paso: Unión partes centrales
92
Figura 28. Tercer paso: Unión puntas
92
Figura 29. Cuarto paso: Cierre de las puntas
93
Figura 30. Quinto paso: Cierre de la costura central
94
Figura 31. Esquema unión definitiva con foil de aluminio
95
Figura 32. Globo meteorológico
108
xii
MIM-2000-I-07
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Rutas factibles para el uso de dirigible
5
Tabla 2. Características del dirigible AT-04
12
Tabla 3. Condiciones iniciales de diseño
22
Tabla 4. Primeros resultados de diseño
23
Tabla 5. Características de algunos dirigibles a radio control
24
Tabla
37
6. Factor de seguridad de diseño con varios materiales
Tabla 7. Polipropileno metalizado: Prueba tensión ASTM 882
46
Tabla 8. Polipropileno metalizado: Prueba rasgado ASTM 1004
49
Tabla 9. Polipropileno metalizado: Prueba punzonamiento ASTM D4833 50 Tabla 10. Polipropileno metalizado: Estimación permeabilidad al Helio 51 Tabla 11. Mylar® DuPont: Ganancia de Humedad
54
Tabla 12. Mylar® DuPont: Prueba de tensión ASTM 882
56
Tabla 13. Mylar® DuPont: Prueba de rasgado ASTM 1004
58
Tabla 14. Mylar® DuPont: Prueba de punzonamiento ASTM 4833
59
Tabla 15. Prueba de tensión ASTM 882
64
Tabla 16. Foil de aluminio : Prueba de rasgado ASTM 1004
65
Tabla 17. Foil de aluminio: Prueba de punzonamiento ASTM 4833
66
Tabla 18. Consolidado de pruebas para materiales propuestos
67
Tabla 19. Variables de entrada
74
Tabla 20. Variables de salida
74
Tabla 21. Unión pestaña ½", junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
83
xiii
MIM-2000-I-07
Tabla 22. Unión pestaña 1", junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
85
Tabla 23. Prueba T de comparación de
85
medias
Tabla 24. Unión a tope (paralelo laminado): Prueba de Tensión ASTM 882 86 Tabla 25. Unión a tope (perpendicular laminado): Prueba de Tensión ASTM 882
87
Tabla 25. Resultados pruebas de explosión
89
Tabla 26. Consolidado de datos tipo unión
90
Tabla 27. Costo dirigible a radio control
105
xiv
MIM-2000-I-07
LISTA DE ANEXOS
Anexo1. Planos del dirigible
114
Anexo 2. Tablas de resistencia química del Mylar® DuPont
115
Anexo 3. Ficha técnica medidor de presión Motorola MPX 12
116
Anexo 4. Documento dirigibles para vigilancia
117
Anexo 5. Material fotográfico
118
Anexo 6. Muestras
119
material estudiado
Anexo 7. Ficha técnica cinta 3M Highland 6969
xv
120
MIM-2000-I-07
0. INTRODUCCIÓN
El presente trabajo muestra el proceso de diseño y construcción de un dirigible a radio control, centrándose en la selección de materiales y procesos para la aplicación. En la primera parte del trabajo se estudia la información previa, la aplicación de los conocimientos en el tema y un primer proceso de diseño para el prototipo inicial. Para las labores de diseño se dividió el dirigible en dos sistemas fundamentales: la góndola, que incluye motores, control, energía; y la membrana, que incluye el material, la geometría y el gas de sustentación. El énfasis del presente trabajo es sobre la membrana, dado que las labores se están realizando en grupo. El análisis de la góndola se unirá con la envoltura en el producto final. Se parte de un trabajo previo donde se manifestó la viabilidad del uso de dirigibles en Colombia para transporte de carga. El objetivo del proyecto es distinguir los campos de oportunidad para la ingeniería colombiana en el proceso de construcción de un dirigible,
dado
que
es
un
medio
de
transporte
totalmente
aplicable al contexto nacional. Además se busca incentivar nuevos proyectos en la misma área de investigación, con el objetivo final de materializar la posibilidad dirigibles en
de
tener industria de
Colombia.
1
MIM-2000-I-07
1. TRABAJO PREVIO Y MOTIVACIONES
La construcción de un dirigible es un propósito que surge con ciertas motivaciones presentes en la realidad nacional actual. La hipótesis
acerca
de
la
utilidad
del
dirigible
como
medio
de
transporte en Colombia ha sido demostrada. Es una tecnología que, en contextos claramente definidos, es viable económicamente para transporte de carga y pasajeros. Podría ayudar al desarrollo de zonas alejadas y desconectadas, donde el transporte es totalmente ineficiente y no hay ni planes ni factibilidad económica para realizar proyectos en un corto plazo. El estudio previo, realizado por el autor, Evaluación Técnica del Uso de Dirigibles en Colombia, concluyó que el dirigible es apto para la zona de los Llanos Orientales de Colombia, ya que reúne, entre otras, las características: bajo nivel de carga (sin llegar a valores mínimos) por trayecto, poblaciones distantes entre si, poca o nula infraestructura para otros modos de transporte y trayectos sin mayores variaciones en la topografía. El dirigible es una solución de corto plazo y reúne los atributos para ser el medio de transporte más eficiente en el contexto mencionado. La tecnología que maneja el dirigible está restringida a los pocos fabricantes y aficionados al tema, no es muy profunda y es puede ser desarrollada en nuestro medio. La ingeniería colombiana tiene un campo de investigación fértil e inexplorado en los 2
MIM-2000-I-07 dirigibles. Construir un dirigible es el primer paso para dominar los aspectos tecnológicos más importantes y poder entrar a proponer nuevas ideas y mejoras, para adaptarlo exitosamente al entorno Colombiano. Entre las conclusiones del trabajo previo se tiene que si se lograra disminuir la estructura de costos del dirigible, sus ventajas comparativas frente a los otros modos de transporte aumentarían, y su campo de acción crecería. Al hacer esta afirmación, se debe entonces analizar la estructura de costos básica: compuesta por los costos de inversión, los costos de operación y mantenimiento y los costos de administración. La construcción del dirigible permite estudiar como disminuir los costos de inversión, aplicando ingeniería local. La optimización de un desarrollo nacional, podría traer la disminución en los costos operativos y de mantenimiento; pero debe existir un primer prototipo.
1.1 RESUMEN DEL ESTUDIO "EVALUACIÓN TÉCNICA DEL USO DE DIRIGIBLES EN COLOMBIA" Los dirigibles son una alternativa para el transporte de carga en Colombia que a pesar de su viabilidad no ha sido explorada a fondo ni a nivel investigativo ni comercial. El presente ensayo resume los resultados obtenidos en el trabajo "Evaluación Técnica del Uso de Dirigibles en Colombia", en el que se hace una primera aproximación
a
las
introducción
para
posibilidades el
transporte
económicas y técnicas de su de
carga
y
pasajeros
en
el
territorio nacional. Su uso como modo de transporte es más vigente que nunca pues resulta
muy atractivo gracias al desarrollo de nuevos materiales
y tecnologías. En el mundo moderno hay un auge creciente hacia 3
MIM-2000-I-07 este medio de transporte, presente en países como Estados Unidos, Inglaterra, Rusia, Holanda y Alemania. Este último le dado un apoyo importante a nivel institucional, con políticas dirigidas a su desarrollo, que dará sus primeros frutos con la presentación del Cargo Lifter en la feria mundial del 2000 (ref. 28), un dirigible capaz de transportar 160 toneladas, con una velocidad crucero entre 80 y 100 km./h, a una altura de vuelo de 2000 m, para una autonomía de vuelo de 10.000 km. El estudio del dirigible como alternativa se hace interesante para Colombia, que tiene un vasto territorio sin infraestructura de
transporte.
carga
y
En
Colombia
pasajeros,
de
hay deficiencias de transporte de
vigilancia, de industria turística, de
servicios básicos de salud, entre otros, lo que ayuda a generar la problemática socioeconómica propias de regiones aisladas y subdesarrolladas. Las aplicaciones más importantes del dirigible son:
transporte
de
carga
y
pasajeros,
turismo
ecológico,
publicidad, vigilancia, comunicaciones y hospital móvil.
1.1.1 ANÁLISIS COMPARATIVO FRENTE A OTRAS TECNOLOGÍAS El
dirigible
volúmenes
es
de
distanciadas
eficiente
carga y
económicamente
bajos,
con
preferiblemente
que
rutas no
donde
se
entre
poblaciones
tengan
manejen
infraestructura
previa para otros modos de transporte. Estas conclusiones son el fruto de un análisis económico comparativo entre varios modos de transporte (Fokker
en
50),
Colombia, medianas
donde
(Twin
se
Otter)
tomaron y
aeronaves
pequeñas
(El
grandes Gavilán),
además de analizar el transporte fluvial; junto con el dirigible inglés
AT-04
(cuya
selección
se
tratará
más
adelante).
En
Colombia, estas características están presentes en la región de
4
MIM-2000-I-07 los Llanos Orientales. De las 40 rutas analizadas, en un primer estimativo,
hay
30
donde
el
dirigible
es
atractivo
económicamente, tanto por distancia como por volumen de carga. El origen de los trayectos es Villavicencio, que actúa como núcleo radial de las rutas aéreas en los Llanos Orientales; las rutas son: Población
Depto. ton/año 1998
Araracuara Arauca Barranco Minas Caruru El Tapón El Yopal Florencia P. Carreño P. Inirida La Chorreta Villavicencio Leticia S. Juan Arama La Pradera P. Leguizamo S. Martín Miraflores Mitu Pacoa S. Martín P. Carreño La Primavera Paz Ariporo Cravo Norte Rondon S. José Guaviare Saravena S. Vicente Caguan Tame Uribe P. López P. Asís Sta. Rosalia Villa Nueva Orocue Tauramena Trinidad Maní Orocue Otras rutas TOTAL
caq ara guai vau vic cas caq vic guai ama met ama met ama put met guav vau vau met vic vic cas ara ara guav
14.6 302.4 241.8 264 <1.0 98.5 12.2 155.6 196.8 4 <1.0 4.9 1242.7 134.2 <1.0 75.7 2490.8 3383.8 107.3 497.9 256.9 277.1 3.6 36 <1.0 1265.6
Factible (si/no) SI NO SI NO SI SI SI SI SI SI SI SI NO SI SI SI NO NO SI NO NO NO SI SI SI NO
ara caq
<1.0 <1.0
SI SI
ara met met put vic vic cas cas cas cas cas
56 <1.0 1.9 <1.0 1.3 7.9 <1.0 <1.0 <1.0 <1.0 2.6 827 11965.1
SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI NO 30
Tabla 1. Rutas factibles para el uso de dirigible
Las variables (para cada tecnología) que se tienen en cuenta en el análisis comparativo son: el costo de inversión, el costo de operación y mantenimiento, costos de personal, volumen de carga, distancia
del
trayecto,
costo
de
infraestructura
y
variables 5
MIM-2000-I-07 ambientales como la tasa de descuento y la tasa de crecimiento del volumen de carga. La comparación se centra en encontrar el modo de transporte con el mínimo costo durante toda la vida del proyecto. Para efectos comparativos debe usarse valor presente neto, que en el estudio fue
llamado
Costo
Total
Presente Descontado. La ecuación que
resume los principales costos es:
1 − e − ( r − g )*T 1 − e − ( r*t ) P = I + C * V0 * + f * r r − g Con
P
costo
total
presente
descontado,
I
costo
inicial
(infraestructura), C costos directos proporcionales a la variable de interés, Vo valor inicial de la vairable de interés (en este caso
el
volumen
de
carga
manejado
por
año),
f
costos
fijos
independientes de la variable de interés, g tasa de crecimiento de V, g costo de oportunidad y T periodo del análisis. El cálculo se realiza para cada modo que se desee comparar, obteniendo las gráficas que se muestran más adelante. Hay otras variables importantes que darían ventaja a favor del dirigible,
como
significativas
el de
impacto otras
ambiental
aplicaciones
y
las
posibilidades
(vigilancia,
turismo,
propaganda). Para las rutas expuestas arriba, se tomo un sólo entorno para el análisis comparativo, suponiendo una distancia fija de recorrido. El siguiente diagrama muestra el resultado del análisis:
6
MIM-2000-I-07
Valor presente para distintos modos de transporte en Llanos Orientales PRIMER ESTIMATIVO Twin Otter
Costo total presente descontado (USD)
8000000
Gavilan
7000000
Dirigible Fokker 50
6000000 5000000 4000000
Fluvial
3000000 2000000 1000000 0 0
100
200
300
Volumen inicial Vo (toneladas/año)
Figura 1. Comparación varias tecnologías transporte carga Llanos Orientales
El análisis se hace con un horizonte de 20 años, tasa de interés del 12%, crecimiento esperado anual del 5% y una distancia de trayecto de 1000 km. Para cada una de las tecnologías se calcula un costo total presente, donde se traen a valor presente neto todos los costos en los que se incurren durante la vida del proyecto.
Este
costo
total
es
una
manera
de
comparar
las
tecnologías, lo cual se hace para varios valores de volúmenes iniciales de carga (la carga con la que inicia el proyecto). Es
interesante
destacar
aspectos
como la pendiente, el corte
entre rectas y el corte con el eje. La pendiente de una recta en este análisis depende de los costos asociados con la operación, aquellos que se pueden plantear como una función del volumen de carga transportado; entre más horizontal, menor incidencia tienen estos costos en costo total descontado de la tecnología. El corte entre rectas es donde una tecnología comienza a ser más barata
7
MIM-2000-I-07 que otra; el límite de operación de un modo de transporte. El corte con el eje refleja los costos que no dependen del volumen de carga, son básicamente los costos de infraestructura. Descontando la tecnología fluvial por sus características tan disimiles, se puede apreciar que en un rango entre 35 ton/año y 250 ton/año el dirigible es el modo con menor costo. Este hecho es el que se utiliza para seleccionar las 30 rutas donde es factible su uso. En los Llanos se pueden presentar otros escenarios diferentes al arriba
descrito,
lo
que
hace
necesario
un
estudio
de
sensibilidad con las principales variables. Si se dejan fijas todas las condiciones expuestas, y sólo se analiza una variable, los resultados son: El dirigible es atractivo para distancias de trayecto entre 100 y 1700 km., siendo más apreciable su ventaja comparativa alrededor de los 1250 km. Es un modo de transporte diseñado para operar con una gran autonomía de manera económica, pues la sustentación se debe al gas de flotación y no a la velocidad desarrollada por la acción de los motores. La autonomía del dirigible AT-04 es de 50 horas a 115 km./h. El rango de volúmenes de carga es relativamente bajo, entre 35 y 250 toneladas por año, siendo el punto de mejor operación 187,5 ton/año. Esta carga es de 2 a 3 viajes mensuales del dirigible AT-04 durante el primer año (capacidad de carga 6965 kg.). Por esta razón los dirigibles no son una alternativa viable para transporte de carga entre Villavicencio y Bogotá, dado que el volumen de carga entre estas dos ciudades sobrepasa holgadamente el rango del dirigible y hace del transporte por carretera (en camión) la mejor opción.
8
MIM-2000-I-07 El real competidor del dirigible en un proyecto a largo plazo es el Fokker 50 (y en general aeronaves para ciudades intermedias), esto se muestra al hacer el análisis de sensibilidad con interés y con tasa de crecimiento de carga. Si el interés es muy bajo, alrededor del 5%, un Fokker se vuelve la mejor opción; al subir el interés hasta los estándares internacionales (7% a 10%), el dirigible es el más atractivo. Para niveles irrealmente altos (30%) los aviones pequeños son la mejor opción. Con
la
tasa
de
crecimiento
de
la
carga
ocurre
igual:
para
crecimientos muy bajos y hasta negativos el dirigible es más barato aéreo).
incluyendo Si
se
el
caso
de
los
Llanos
Orientales
(-2%
en
sobrepasa el 11%, (incluye el 12% de tasa de
crecimiento en transporte fluvial) el mejor medio es el Fokker 50. Un punto óptimo de operación es alrededor de 7.5%, una cifra razonable para zonas en vías de desarrollo. Tal vez uno de los aspectos más importantes para analizar su sensibilidad es el costo de infraestructura, entendido como las inversiones
previas
necesarias
para
que
la
tecnología
pueda
entrar a funcionar. La inversión de infraestructura es menor para un dirigible que para los aviones. Un dirigible requiere un campo despejado,
un
eventualidad;
mástil mientras
y
el
que
equipo una
necesario
aeronave
para
requiere
cualquier además
del
terreno y el equipo, una pista con refinamientos que dependen de su tamaño. Es un hecho que hay muchas poblaciones con pistas ya existentes, por lo que aviones pequeños y aerotaxis tendrían una ventaja previa competitiva frente al dirigible (el Fokker 50 no, pues necesita una pista más refinada). Si la inversión inicial del dirigible para infraestructura se reduce un 80%; esta ventaja desaparece; pero con los costos que propone el fabricante del AT-
9
MIM-2000-I-07 04, los aerotaxis se vuelven una alternativa interesante para muchas rutas, dado que la inversión en infraestructura es cero.
1.1.2 SELECCIÓN DEL DIRIGIBLE La
selección
del
características
dirigible
óptimas,
AT-04
no
encontradas
es al
al
azar.
Posee
las
hacer
un
proceso
de
selección entre todos los dirigibles posibles. En
un
estudio
previo
realizado
(ref.
tesis
de
LARL),
usando
números adimensionales muy cercanos al fenómeno físico del vuelo, se modelaron las tres principales familias de dirigibles: los rígidos, los semirígidos y los blimps; con el fin de analizar tendencias
y
establecer
criterios
de
selección.Los
resultados
obtenidos con el modelaje teórico son una buena aproximación a los dirigibles comerciales. Una superposición de los resultados teóricos con los reales se muestra en el siguiente diagrama: Costos Unitarios DIRIGIBLES REALES 1000 sem ir inf
blim p sup
Costo Unitario (USD/kg carga paga)
blim p inf
sem ir sup
Rigido inf
100
curvas iso
Esbeltez Volum en gas unitario
10 0
1
2
3
4
5
6
7
Peso Total Carga Paga
3.59 Skyship 500 (sr) 4.87 Sentinel 1000 (sr) 6.33 (LZ N07 Zeppelin (r) 4.62 AU-11/12 (sr) 4.45 PD-160 (sr) 4.05 MD-900 (sr) 5.68 DPD500 (sr) 4.96 AHA Light Ut. (sr*) 7.99 8Ham ilton9TAC (r) 10 4.75 AT-04 (sr) 5.5 AHA Hornet H y (sr*)
Figura 2. Comparación dirigibles comerciales con teóricos Los
dirigibles
reales
identificados
como
puntos
aislados
se
ubican en la base de las líneas de tendencia teóricas. Se está tratando de minimizar el costo unitario de adquisición (por cada kg. de carga paga que la nave puede transportar). 10
MIM-2000-I-07 Así mismo los dirigibles reales se ubican entre 2 y 3 respecto a la
relación
de
peso
total
contra
carga
paga
(eje
x).
Esta
relación muestra que tan liviana es el dirigible respecto a la carga que transporta; en el pasado se manejaban relaciones más altas de 10, con los dirigibles rígidos, hoy se manejan estos valores (2 a 3) con el desarrollo de las nuevas familias de blimps y semirígidos gracias al desarrollo de nuevos materiales para las estructuras. El desarrollo teórico para las curvas de tendencia es uno de los temas principales del trabajo "Evaluación Técnica del Uso de Dirigibles en Colombia", escrito previamente por el autor. El criterio de selección para tener en cuenta es el costo de adquisición
por
cada
kilogramo
de
carga
paga,
pues
se
puede
suponer que los costos de operación y mantenimiento por kilogramo son
similares
para
todos
los dirigibles. Es una aproximación
válida, pues la estructura de costos de esta tecnología hace de los costos operativos un pequeña fracción del total; el costo operativo de un dirigible de la capacidad de un Boeing 737 es apenas la cuarta parte del costo del avión. El análisis tuvo en cuenta la participación del costo de cada componente
fundamental
flotación,
los
del
balonets
y
dirigible:
la membrana, el gas de
los motores. Estos componentes son
proporcionales al volumen, el cual a su vez depende del peso que debe sustentar. Para la familia de los rígidos, el peso de la estructura hace que el volumen se incremente sin que ello represente un aumento de la carga paga. No es un dirigible económico. En el pasado eran la única
alternativa,
pues
los
materiales
de
la
membrana
eran
frágiles y no conservaban la forma del dirigible por si solos. El
11
MIM-2000-I-07 tamaño
considerable
de
las
aeronaves
hacía
imprescindible
la
estructura tanto para la forma como para soportar los grandes esfuerzos. Hoy en día la tendencia esta enfocada hacia los dirigibles sin estructura, de mediana capacidad (alrededor de 7 toneladas de carga paga), que permita llevar con el mínimo volumen la máxima carga
paga
posible.
Los
nuevos
materiales
para
la
membrana
permiten este nuevo enfoque, se hacen presentes los laminados de múltiples
capas
donde
se
usa
Tedlar
®
(DuPont)
y
Mylar
®
(DuPont), con grandes propiedades mecánicas, baja permeabilidad al helio y resistencia a los rayos UV. La forma se conserva por la presión interna del gas de flotación. El uso de la estructura se justifica en dirigibles de mayor capacidad (alrededor de 15 toneladas
de
carga
paga) y sólo se usa en partes donde los
esfuerzos son considerables (en la unión de la membrana y la góndola); y emplea materiales ultralivianos de última generación como el Kevlar ® (DuPont) y la fibra de carbono. Son los llamados dirigibles semirígidos. El dirigible inglés AT-04, escogido para el
análisis
comparativo
se
acerca
a
las
características
mencionadas (ref. 3). Sus principales características son: Dirigible AT-04 Tipo
Blimp (no rígido)
Carga paga
6965
kg.
Volumen
14200
m3
Largo
80
m
Diámetro
18
m
Gas
Helio
Membrana
Spectralaminate
Góndola Motores
Kevlar ® (DuPont)-colmena de abeja Diesel air
Potencia
2x450
HP
Costo
5.5 millones
USD
Tabla 2. Caracterísiticas del dirigible AT-04
12
MIM-2000-I-07 El proceso de selección podría ser más refinado, buscando hacer el
análisis
comparativo
del
principio
del
artículo
sólo
con
dirigibles. Es una labor compleja, pues actualmente no hay gran cantidad de dirigibles operando y no hay datos confiables. El dirigible tiene gran futuro, especialmente en Colombia. Es una solución que debe ser tomada en cuenta dentro de los futuros proyectos de desarrollo; a pesar de que el clima de violencia no favorece su vuelo. Aun así, un dirigible moderno puede soportar varios impactos de bala, sin que se rasgue su membrana, la cual sólo permite pequeñas fugas de helio que garantizan un tiempo de vuelo considerable antes de caer, el suficiente para llegar a un sitio seguro. Los materiales de la góndola como el Kevlar ® (DuPont)
epoxy
y
el
honeycomb (colmena estructural) la hacen
prácticamente inmune a los proyectiles. Además el uso de helio como
gas
de
flotación
en
lugar
de
hidrógeno
descarta
la
posibilidad de las explosiones del pasado, por las reacciones catastróficas al presentarse fugas y pequeños impactos.
1.1.3 Conclusiones del estudio El dirigible en Colombia tiene un gran campo de oportunidad, así lo demuestran los primeros estimativos económicos. Tiene ventajas comparativas frente a otros modos de transporte, aunque conserva la estructura de costos de las aeronaves. Para el futuro se espera
que
con
transporte,
se
el
auge
mundial
incorporen
alrededor
avances
de
este
tecnológicos
medio que
de
hagan
verdaderamente amplias las diferencias económicas frente a las demás tecnologías, especialmente en los campos de oportunidad detectados:
transporte
de
poblaciones
distanciadas
carga entre
y si.
pasajeros En
entre
Colombia
los
pequeñas Llanos
13
MIM-2000-I-07 Orientales
ofrece
un
panorama
atractivo
para
el
uso
de
dirigibles, donde los adelantos técnicos permites su empleo a pesar de los problemas de violencia de la zona. Hay dirigibles en el mercado actual que presentan características óptimas para una prestación eficiente del servicio de transporte. Los criterios de selección que se fueron planteados justifican el rumbo
que
han
tomado
los
fabricantes
de
dirigibles
a
nivel
mundial. La
investigación
en
este
campo
en
Colombia
debe
apuntar
al
conocimiento y aplicación de esta tecnología para transporte de carga y pasajeros, publicidad, seguridad, actividades sociales, con el propósito de llevar progreso a las zonas marginadas de la nación,
donde
hay
cabida
para
los
dirigibles
modernos.
Otro
espacio para la investigación es la fabricación de este tipo de aeronaves, anticipándose al futuro y siendo pioneros a nivel de Latinoamérica.
Un
campo
interesante
de
investigación
en
este
campo
es
la
aplicación de los dirigibles para labores de vigilancia. Este es el tema desarrollado en el ANEXO 4 del presente estudio.
14
MIM-2000-I-07
2. DETERMINACION DEL TAMAÑO DE UN DIRIGIBLE
En el presente capítulo se muestran las ecuaciones que definen el tamaño de cualquier dirigible. El cálculo que aquí se realiza no es el definitivo del dirigible; pero muestra la teoría necesaria para el diseño. El principio básico de operación de un dirigible se desprende de la ecuación de equilibrio aerostático, o principio de flotación de Arquímedes. Para un primer estimativo se puede expresar así:
(VG * ( ρ a − ρ g ) * g ) + th = M s * g Vg
volumen de gas adicionado, es la incógnita.
ρa
densidad del aire en al altura inicial.
ρg
densidad del gas de elevación en la altura inicial.
g
aceleración de la gravedad.
th
componente vertical del empuje de los motores.
Ms
masa del dirigible en el despegue sin tener en cuenta la masa del aire ni la del gas.
Un análisis más profundo, desarrollado por Ivchenko B.A. en su artículo Selección de la Geometría de la Membrana de un Dirigible con Esquema Flexible [ref. 2], precisa
15
MIM-2000-I-07 algunos términos de manera más profunda, logrando una acercamiento más real al fenómeno real de vuelo.
2.1 DESARROLLO
DE
LA
ECUACIÓN
AEROSTÁTICA
MODIFICADA PARA UN DIRIGIBLE Basándose en el artículo escrito por Ivchenko B.A. "Selección de la geometría de la membrana de un dirigible con esquema flexible" [ref. 2], se obtienen relaciones básicas donde se relacionan todas las variables físicas que intervienen en el vuelo del dirigible. Para determinar el volumen de la membrana del dirigible inicialmente se definen el porcentaje de volumen ocupado por gas de sustentación (volumen total sin los balonets). El autor lo define partiendo de la altura máxima del vuelo y la máxima diferencia de temperatura durante el vuelo así:
DVG =
Vg V
=
1− Kh 1− Kt
Donde Vg es el volumen de gas dentro del dirigible, V es el volumen total del dirigible, Kh es el coeficiente de cambio de la altura y Kt es el coeficiente de cambio de la temperatura.
Kt =
DT T
Dt es el cambio de temperatura durante el vuelo y T la temperatura promedio del vuelo.
Kh = 1−
ph * To po * Th
Th y ph son la temperatura y presión a al altura h de crucero de vuelo. To y po son la temperatura y presión en el despegue del dirigible (condiciones iniciales).
16
MIM-2000-I-07 Para determinar el volumen necesario de la membrana se usa la ecuación del equilibrio aerostático del dirigible en el despegue (usando el principio de Arquímedes):
(VG * ( ρ a − ρ g ) * g ) + th = M s * g Vg
volumen de gas adicionado, es la incógnita.
ρa
densidad del aire en al altura inicial.
ρg
densidad del gas de elevación en la altura inicial.
g
aceleración de la gravedad.
th
componente vertical del empuje de los motores.
Ms
masa del dirigible en el despegue sin tener en cuenta la masa del aire ni la del gas.
La masa del dirigible se expresa así:
M S = M K + M pl = ( M const + M var ) + M pl Donde Mpl es la carga paga del vehículo y Mk es la suma de las masas de los sistemas del dirigible, algunas de las cuales no cambian cuando se cambia el volumen del dirigible (Mconst) y las otras si dependen de este cambio (Mvar). Mconst se puede definir con bastante grado de precisión en la etapa de diseño, mientras que Mvar se debe tener en cuenta la masa de la membrana, balonets, reforzamiento delantero, cordaje y empenaje (superficies sustentadoras).
2.1.1 Masa de la membrana Men La masa de la membrana depende del área de esta, Aen, que a su vez depende del volumen del dirigible.
M en = k *γµ * Aen k = 1.2 a 1.5 Coeficiente de aumento de masa para las uniones. γµ
Masa de 1 m2 del material de la membrana. 17
MIM-2000-I-07 El area de la envoltura, Aen, el autor (ref. 16) lo aproxima asi: 16 13 4 λ2 π * λ *ψ 2 3 Aen = 2.55 * . * + 123 *V 4 π ψ
λ=
L D
Relación de esbeltez
ψ=
V VL
Coeficiente de llenado de la membrana.
V es el volumen de la membrana y VL es el volumen del cilindro que contiene a la membrana. En el estudio del dirigible se supone un valor genérico de 2/3. Variaciones alrededor de este valor no afectan el resultado final. Con este desarrollo puede reescribirse Men así:
M en = K en *V 2 3
2.1.2 Masa de los balonets Mb La forma de los balonets varía entre dirigibles lo que dificulta la
determinación
de
su
área.
Para
simplificar
es
preciso
definirla como una fracción del área total, así:
M b = k1 * k 2 * γµ * Aen k1
está entre 1.2 y 1.3 es el coeficiente de aumento de masa por las uniones.
k2
está entre 0.2 y 0.25 es la relación entre el área de balonets y la de membrana.
γµ
es la masa unitaria del material de la membrana, el mismo de los balonets.
Si se toma:
Kb =
k1* k 2 * K en k
Entonces
M b = K b *V 2 3 18
MIM-2000-I-07 2.1.3 Masa de reforzamiento delantero, de cordaje y de empenaje La masa de reforzamiento delantero Mne:
M ne = K ne * V 2 3 Kne entre 0.1 y 0.15, valores típicos. La masa de cordaje Mt
M t = K t *V 2 3 Kt entre 0.18 y 0.22, valores típicos. La masa de empenaje Mem
M em = K em *V 2 3 K em = γµ *∆Aem γµ es la masa por unidad de área del empenaje, que será tomada igual a la membrana del dirigible. ∆Aem es el área relativa del empenaje y se define como:
∆Aem =
Aem V23
Aem debe garantizar la estabilidad del dirigible en vuelo, para lo cual toma valores entre 0.3 y 0.4.
2.1.4 Ecuación del volumen Se puede concluir del análisis de masas:
M var = M en + M ne + M t + M em Lo que equivale a decir que
M var = K *V 2 3 donde K es el coeficiente de todas las masas, y es la suma de todos los coeficientes de los componentes. La ecuación aerostática ahora se puede escribir así:
19
MIM-2000-I-07
( DVG * ( ρ a − ρ g ) * g * V ) − ( K * g * V
2
3
) − (( M cte + M pl ) * g ) + th = 0
Donde DVg
Proporción del volumen de gas dentro del volumen total, función de la presión y
la
altura.
ρa
Densidad del aire.
ρg
Densidad del gas de sustentación.
g
Aceleración de la gravedad
V
Volumen del dirigible, es la incógnita.
K
Coeficiente de masas. K = Ken + Kb + Kne + Kt + Kem
Mcte
Masa de componentes que no cambian cuando se cambia el volumen del dirigible.
Mpl
Masa de carga paga del vehículo.
th
Componente vertical del empuje de los motores.
2.2 APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN EN EL DISEÑO El dirigible que se planea construir tiene algunas simplificaciones alrededor de la ecuación principal, que se desprenden de analizar las variables de entrada.
2.2.1 Variables de entrada Las variables de entrada se diferencian en dos grandes grupos: las ambientales que son aquellas relacionadas con las propiedades atmosféricas y que varían con la altura de vuelo, como la presión y la temperatura; y las del dirigible, relacionadas con sus propiedades constructivas.
20
MIM-2000-I-07 Para definir las variables ambientales, se establece el punto de operación en Santafé de Bogotá, con vuelo dirigido desde tierra con radiocontrol. La altura de vuelo será aquella que permita un control seguro con manejo visual de la aeronave. En las variables del dirigible, se deben suponer condiciones óptimas: El dirigible pertenecerá a la familia de los no rígidos o Blimps, dado que su diseño es el óptimo para este tipo de aeronaves, tal como se concluyó en el estudio previo Evaluación Técnica del Uso de Dirigibles en Colombia [ref. 1]. La membrana escogida será liviana, para minimizar el volumen resultante. Este aspecto será tratado más adelante. La geometría del elipsoide debe minimizar el arrastre por rozamiento. Según Ivchenko, la relación óptima de esbeltez (proporción entre longitud y diámetro) es 5.5, dato generalizado para una amplia gama de números de Reynolds. Esta será entonces la relación supuesta en el diseño. La cuaderna maestra, o diámetro mayor estará ubicado en el 40% de la longitud total. En la siguiente tabla se muestran las condiciones iniciales de diseño. VARIABLES DE ENTRADA VARIABLES AMBIENTALES Altura inicial de vuelo m (msnm)
2600
Altura máxima de vuelo m (msnm)
2800
Temperatura inicial 'C Temperatura de vuelo 'C
15 13.7
Presión atmosférica inicial kPa
74.53
Presión atmosférica vuelo kPa
72.74
VARIABLES DEL DIRIGIBLE Densidad del helio kg/m3
0.13
Densidad del aire kg/m3
0.86
Relación Esbeltez
5.50 entre 4.5 a 6.5 (optimo 5.5)
Coef Llenado de la Membrana
0.67 se recomienda 2/3
Coef Reforzamiento Delantero
0.00 entre 0.1 a 0.15
Coef Cordaje
0.00 entre 0.18 a 0.22
Coef Empenaje*
0.30 entre 0.3 y 0.4
Coef Uniones*
1.20 entre 1.2 a 1.5
Densidad Membrana kg/m2
0.10
Densidad Empenaje kg/m2
0.50
21
MIM-2000-I-07 Masas kg
Motores x2
0.50
Góndola
0.30
Servos x4
0.20
Baterías Receptor
0.10
Receptor
0.03
Combustible o Batería
0.50
Carga Paga
0.37
Empuje Vertical Motores N
7.00
Tabla 3. Condiciones iniciales de diseño
2.2.2 Variables de salida El primer término a calcular es DVg, o la fracción de gas de flotación dentro del volumen total. En el presente diseño se va a suponer igual a 1, lo que implica que no hay balonets. Tanto el ascenso como el descenso se fundamentarán en la dirección del empuje de los motores. Esta suposición se concluye en base a la mínima variación en los valores de temperatura y presión, debido la pequeña diferencia de altura durante el vuelo. Es un modelo a control y el objetivo es tener la aeronave cerca del operador en tierra. Como ya se expuso, el DVg, o la fracción de gas de flotación dentro del volumen total depende de la variación de la presión y de la temperatura alcanzadas durante el vuelo. Entre mayor sea la altura de vuelo, menor es el volumen de gas de flotación; permitiendo un volumen de balonets que garantice los límites de vuelo. Los resultados fueron calculados con la ecuación aerostática sencilla (1) y con la modificada (2); y son presentados a continuación:
ECUACIÓN AEROSTÁTICA MODIFICADA Volumen del dirigible (Ivchenko) m3 Area de la membrana m2
5.48 19.06
22
MIM-2000-I-07 Longitud
6.82
Diámetro
1.24
Masa total kg
3.91
Area cilindro m2
26.54 ECUACIÓN AEROSTÁTICA SENCILLA
Volumen del dirigible (equilibrio simple) m3
3.76
Area de la membrana m2
14.81
Longitud
6.01
Diámetro
1.09
Masa total kg
3.48
Area cilindro m2
20.62
Tabla 4. Primeros resultados de diseño
Las condiciones más severas de diseño están presentes con la ecuación modificada, dado que incluye pesos adicionales, como el de empenaje y el de las uniones de la membrana. Los resultados obtenidos con esta ecuación modificada son los elegidos para proseguir con el desarrollo del diseño del dirigible.
2.3 DESARROLLOS
ANTERIORES
PARA
DIRIGIBLES
PEQUEÑOS El mercado mundial de dirigibles de radio control (RC) es amplio actualmente. Los productos ofrecidos a nivel mundial tienen como objetivo la publicidad y la recreación. Se encuentran variedad de precios, modelos y tamaños. En la siguiente tabla se muestran algunas alternativas del mercado [ref.3]: Marca
Volumen
Largo
m3
m
Esbeltez
Membrana
M
Mpl
Vel
Motor
Rango
Costo
kg
kg
m/s
W
h
USD
WCoast 9000
2.04
3.05
2.44 Poliuretano
0.91
461.0
WCoast 9001
3.68
3.96
2.50 Poliuretano
1.45
665.0
WCoast 9002
7.22
4.57
2.24 Poliuretano
4.36
852.0
WCoast 9003
9.03
5.49
2.69 Poliuretano
4.72
1234.0
WCoast 9004
12.17
6.40
3.00 Poliuretano
7.49
1784.0
WCoast 9005
22.27
7.62
2.91 Poliuretano
10.76
3175.0
WCoast 9006
42.73
9.14
3.00 Poliuretano
21.38
4995.0
23
MIM-2000-I-07 WCoast 6' gb
0.28
1.83
9.00
6.05
3.00 Mylar (DuPont) 3.50 Mylar (DuPont) 3.38
WCoast 7' gb
0.45
2.13
RD2
17.00
8.08
4.00
RD2,5
24.00
7.44
3.00
Simon
3.42
4.80
PROTOTIPO
5.75
5.2
4.36 Mylar (DuPont) 4 Foil aluminio laminado
RD1,5
®
0.13
0.14
4.47
1
240.0
®
0.16
0.17
4.47
1
250.0
®
6.20
2.80
4.47 2x80
1.5
11.90
5.10
3.58 2x90
2 3
15.60
8.40
3.58 2x120
3.20
0.00
6.00 2x110
4.95
2.00
6.00 2x90
600.0
Tabla 5. Características de algunos dirigibles a radio control
El dirigible propuesto es el último de la tabla. Puede compararse con los modelos del mismo peso. Los dirigibles más económicos a radio control son los diseñados para interiores. Su volumen no soporta cambios fuertes de viento ni cambios en las condiciones atmosféricas. Entre mayor es el volumen, menor incidencia tienen estos factores externos en la sustentación de la aeronave. En la figura se aprecia un dirigible a radio control comercial, para interiores:
Figura 3. Dirigible a radio control comercial.
2.3.1 Dirigible Simon [ref. 4] Un dirigible interesante es el designado como Simon. Este es un proyecto llevado a cabo por estudiantes universitarios, aparentemente en Suiza. Publicaron en Internet todos sus resultados, asi como las ecuaciones que usaron para le diseño.
24
MIM-2000-I-07 La aproximación al problema trató de ser minuciosa, pero varios errores fueron cometidos. El error principal, de donde se derivan los problemas subsiguientes fue en la determinación del volumen del dirigible. Los estudiantes Hicieron graficaron la fuerza de sustentación y el peso como variables dependientes del radio del dirigible. Primero no se consideró el peso muerto que independiente del radio de la aeronave. Segundo, se supuso una relación lineal entre el peso y el radio, sin considerar el aumento de masa de la membrana en una relación polinomial (grado mayor a 1) con el radio. En la gráfica se ve la aproximación errónea de los estudiantes y la correcta: Fuerza de sustentacion contra radio del dirigible 90.00 80.00
Fuerza sustentacion en N
70.00 60.00 50.00 40.00 30.00
Peso incorrecto en N
20.00
Peso verdadero en N Fuerza Sustentacion Helio (con motores)
10.00 0.00 0
0.1
0.2
0.3 0.4 0.5 Radio del dirigible en m
0.6
0.7
0.8
Figura 4. Sustentación del dirigible contra radio mayor
Todo esto desemboca en la subestimación del volumen de la membrana y consiguiente falta de sustentación. Los estudiantes en sus conclusiones advierten la necesidad de volar el dirigible temprano en la mañana, para un vuelo ideal. La verdadera razón, es que en la mañana el aire es más frío y por consiguiente más denso, lo que le da mayor fuerza de sustentación pues el peso del aire desplazado por el helio es mayor; compensando la subestimación del volumen de gas de flotación.
25
MIM-2000-I-07 Es importante analizar los acercamientos teóricos previos, para que el diseño sea lo más exacto posible y no cometer los mismos errores.
2.3.2 Diferencias y aciertos La primera diferencia que salta a la vista es la esbeltez. En los modelos comerciales el promedio de esbeltez es 2.97, un valor muy distante del 5.5 propuesto en el diseño. La razón de esta diferencia es el propósito básico del fabricante, obtener el máximo dinero con la mínima inversión. La forma geométrica que maximiza el volumen interno es la esfera, siendo una relación de esbeltez pequeña un acercamiento a la forma esférica. Se minimiza el material de la membrana, un costo importante dentro del dirigible. El inconveniente que esto conlleva es el aumento del arrastre, reflejado en un mayor consumo de combustible para dar el empuje adicional. Dado que son motores eléctricos, se obtiene menor tiempo de vuelo con las mismas baterías. En el presente diseño se parte de las conclusiones de relación de esbeltez óptima en el estudio de Ivchenko [ref. 2]. Un ejercicio interesante sería demostrar la hipótesis de reducción en el tiempo de vuelo con relaciones de esbeltez lejos del óptimo. Para dirigibles comerciales el costo de combustible cobra mayor importancia, por lo que se ven mayores relaciones de esbeltez, acercándose al óptimo de 5.5. Un acierto es el volumen del dirigible. Al comparar con dirigibles de capacidad similar, se aprecia una correspondencia de valores. Sorprende la existencia de dirigibles muy pequeños, usados solamente en recintos cerrados. El entorno de uso del dirigible a diseñar es el campo abierto, por lo que diseños miniatura no encajan, pues una pequeña corriente de viento influenciaría su comportamiento de manera drástica. La velocidad planteada para el prototipo es un poco alta en comparación con los otros, pero siendo un primer estimativo está dentro de los ordenes de magnitud. 26
MIM-2000-I-07
3. DISEÑO DE LA MEMBRANA: ESFUERZOS
El
presente
cálculo
de
capítulo los
muestra
esfuerzos
en
un
desarrollo
un
dirigible
teórico
para
simplificado.
el Los
resultados son aplicados dentro al diseño primario del dirigible a radio control.
3.1 VERIFICACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL MATERIAL: CÁLCULO DE ESFUERZOS EN LA MEMBRANA Para el cálculo del estado de esfuerzos se toma la geometría de la
primera
aproximación
del
capítulo
anterior.
Un
posterior
refinamiento de la geometría es posible. El cálculo de resistencia implica obtener el estado de esfuerzos en
puntos
críticos
de
la
membrana
y
compararlo
con
valores
propios del material. El primer análisis es obtener el estado de esfuerzos de un dirigible donde se parte de algunas suposiciones importantes para llegar a un estado teórico.
3.1.1 Calculo del centro de flotación del dirigible El centro de flotación determina geométricamente puntos críticos de interés, por esto es el punto de partida del análisis. El
28
MIM-2000-I-07 centro de flotación actúa como el centro de masa de la aernoave, su
ubicación
membrana
se
se
encuentra
expresa
como
fácilmente un
sólido
de
si
el
contorno
revolución
de
generado
la a
partir de una función del tipo: y = f(x) Para el presente estudio, se supone un contorno elíptico, para el cual la ubicación del centro de flotación es:
x=
π ∫ xy 2 dx Vol
Realmente el centro de la elipse está al 40% de la longitud total, por lo que se hace necesario partir el contorno en dos elipses. Para el primer segmento la elipse será:
1=
x2 y2 + a12 b 2
y = b2 − Donde a1
b2 * x 2 a12 es la distancia entre el centro de la elipse y el
vértice 1; y b es el radio de la cuaderna mayor (donde está el diámetro mayor). Igualmente se tiene para el vértice 2:
y = b2 −
b2 * x 2 2 a2
Estas dimensiones se muestran en la siguiente figura:
Figura 5. Dimensiones del elipsoide
29
MIM-2000-I-07 La ecuación para la ubicación del centro de masa también contiene el volumen, el cual se describe de la siguiente manera, para el sólido de revolución::
Vol = π ∫ y 2 dx Luego de reemplazar y evaluar, el volumen puede definirse asi:
2π * b2 Vol = (a1 + a2 ) 3 El centro de flotación calculado con su ecuación, situando el origen en el centro de la elipse es:
x=
(
π * b2 * a2 2 − a12 4 * Vol
) = 3 * (a
2
− a1 )
8
Si se evalúa con los valores ya obtenidos: Volumen = 5.49 m3 x
centro flotación
= 0.5115 m
3.1.2 Cálculo del momento flector El centro de flotación del dirigible es donde se puede suponer toda la masa concentrada en un sólo punto. Es en este punto donde se presenta el mayor momento flector, razón por la cual será el punto crítico de interés para el análisis de esfuerzos. Realmente en el centro de flotación hay dos puntos, uno superior y otro inferior. Los dos merecen ser analizados detalladamente. En el punto inferior, el momento flector causará un esfuerzo tensil
máximo
y
podrá
fallar
la
membrana
al
sobrepasar
el
esfuerzo de cedencia de la membrana. En el punto superior, el momento flector causará un esfuerzo de compresión, que tenderá a doblar el dirigible y formar una "rodilla", lo cual debe ser
30
MIM-2000-I-07 contrarrestado con la presión interna, dado que la membrana no posee rigidez a la compresión. El diagrama de cuerpo libre de la aeronave, algo simplificado, es:
Figura 6. Diagrama de cuerpo libre simplificado Si se subdivide el elipsoide en diferenciales de volumen en forma de discos, cada uno de ellos hará un momento respecto al centro de flotación. Si se evalúa la acción de todos los discos desde el centro de flotación hasta uno de los extremos, se tendrá el momento
total
producido
por
la
fuerza
distribuida.
Se
tiene
entonces que:
dVol = π * y 2 dx dFLift = ( ρ aire − ρ Helio ) * g * dVol dM x = dFLift *( x − x ) Solo resta resolver la integral del volumen. El termino x se refiere a la distancia medida desde el origen (centro de la elipse) hacia un punto cualquiera en la dirección del eje mayor. El término y se refiere a la ecuación ya despejada de la elipse. El momento debe tener el mismo valor, si es calculado desde el centro de flotación hacia cualquiera de los extremos. Si se elige el extremo 2, la integral es:
31
MIM-2000-I-07 a2
M x = ∫ x * dFLift x
a2
M x = ∫ x *( ρ aire − ρ Helio ) * g *π * y 2 dx x
2 b2 * x 2 M x = ∫ x *( ρ aire − ρ Helio ) * g * π * b − dx 2 a2 x a2
Y el resultado es:
π * b2 M x = ( ρ aire − ρ Helio ) * g * 2
4 a 2 x) ( 2 2 * − (x ) + 2 2a2 2
El cálculo con las condiciones ya descritas arroja el siguiente resultado: Mx = 35.08 N.m
3.1.3 Estado de esfuerzos en los puntos críticos inferior y superior El tensor de esfuerzos del material se toma en dos dimensiones, es una simplificación que se justifica por ser una membrana con grosor mucho menor a sus otras dimensiones. Definiendo la dirección longitudinal a lo largo del eje de la elipse, se define σL como el esfuerzo longitudinal en el tensor de
esfuerzos.
perpendicular
Se a
define
la
también
longitudinal,
la
dirección
entonces
σT
es
transversal, el
esfuerzo
transversal, tangente a una circunferencia cualquiera de las que conforma el sólido de revolución. Pueden distinguirse dos efectos principales sobre el material: •
El
primero
es
la
acción
que
sobre
el
material
ejerce
el
momento flector, calculado en el numeral pasado.
32
MIM-2000-I-07 •
El segundo es la acción de la presión interna en el material, generando esfuerzos de tensión en las direcciones radial y tangencial.
El
esfuerzo
longitudinal
inducido
por
la
presión
interna
es
derivado al hacer un corte del elipsoide por el diámetro mayor, así:
Figura 7. Corte esfuerzos longitudinales
El esfuerzo longitudinal inducido por la presión interna se puede describir así:
σ L, Pi =
Pi * r 2*t
Donde r es el radio correspondiente al centro de flotación, t es el grosor de la membrana y Pi la presión interna del gas de flotación. Por otra parte, el esfuerzo transversal inducido por la presión interna se puede deducir al hacer un equilibrio de fuerzas luego de cortar el elipsoide con un plano que contenga el eje mayor, de la siguiente manera:
33
MIM-2000-I-07
Figura 8. Corte esfuerzos transversales
El análisis llevado a cabo lleva a la siguiente ecuación:
σ T , Pi =
Pi * b * (a1 + a 2 ) t * (a1 + a 2 + 2b + 2t )
El esfuerzo inducido por el momento flector es de tensión en la parte inferior; y de compresión en la parte superior. Es en el sentido longitudinal. La expresión correspondiente es:
σ L, Flexion = Se
Mx * r M *r = I π * r3 * t
puede
apreciar
principales,
dado
claramente que
no
hay
que
es
un
cortante
estado
al
de
conjugar
esfuerzos todos
los
esfuerzos. Esfuerzos por efectos aerodinámicos afectan la membrana en el sentido
perpendicular
diferencias mantener
la
de
a
la
presiones
que
forma
del
superficie ayudan
dirigible.
a
y la
Aunque
son presión
el
básicamente interna
efecto
de
a
los
esfuerzos en ese sentido no se tienen en cuenta en el análisis, se
debe
justificar
este
hecho
revelando
la
magnitud
de
la
distribución de presiones sobre la membrana
34
MIM-2000-I-07 3.1.3.1 Determinación de la presión interna Entre todas las variables que aparecen se destaca la presión interna
como
incognita.
Una
primera
aproximación
a
su
determinación se hace con la restricción de impedir la formación de un doblez o rodilla en la parte superior. Matemáticamente esta restricción es limitar el esfuerzo resultante longitudinal sólo a tensión en toda la superficie de la membrana, lo cual se ve asi:
σ L, Pi − σ L ,Flexion ≥ 0 . Pi * r
2*t La
−
Mx * r ≥0 π * r3 * t
solución
a
esta
restricción
implica
despejar
el
límite
inferior para la presión de llenado. El resultado es:
Pi ≥
2 * Mx π * r3
Con las condiciones dadas: Pi > 95.96 Pa Es una presión relativamente baja. Para los dirigibles grandes, la magnitud de la presión calculada en base a esta fórmula es de 1,5 kPa (0.25 psi), muy lejos del valor que realmente se maneja. Para
dirigibles
grandes
o
con relación de esbeltez (longitud
sobre diámetro) alta, mayor que 6, el momento flector aumenta considerablemente, por lo cual la presión interna debe regirse por los parámetros de diseño de evitar el doblez de rodilla en la parte superior. Para dirigibles semirígidos y blimps, cuyas dimensiones no exigen una presión de llenado considerable, esta es determinada por la diferencia
de
presión
en
la
propulsión.
En
un
dirigible
comercial, el llenado de los balonets se realiza por medio de los motores a través de ductos que dirigen el chorro de aire hacia las bolsas internas de la nave. La diferencia de presión que se 35
MIM-2000-I-07 maneja en los motores es del orden de 8 kPa (1,2 psi), siendo esta la presión interna del dirigible en condiciones de despegue con los balonets llenos. No es de extrañar que durante el vuelo se manejen alturas de 2000 metros,
para
un
dirigible
comercial,
por
lo
que
la
presión
atmosférica disminuye, aumentando la presión interna hasta 27 kPa (4
psi),
para
luego
retornar
a
su
presión
de
despegue.
Evidentemente es una condición de esfuerzos cíclica. 8 kPa (1.5 psi) < Pi < 27 kPa (4 psi) Si se deseara trabajar un estado cíclico de carga, los esfuerzos alternante y medio de Von Misses son:
σ VM ,alt = σ VM ,medio =
(σ
(σ
(
+ σ L, Flexion ) + (σ T , Palt ) − (σ L , Palt + σ L, Flexion ) * σ T ,Palt 2
L , Palt
2
(
+ σ L, Flexion ) + (σ T , Pmed ) − (σ L , Pmed + σ L, Flexion ) * σ T , Pmed 2
L , Pmed
)
Las presiones alternante
2
)
y media son:
Pmax − Pmin i i 2 Pmax + Pmin i Pmedia = i i 2 Palternante = i
Para un dirigible a radio control, los cambios en la presión interna son mucho menores que la presión interna media, por lo que se puede considerar como un estado de carga no cíclica. La presión interna de diseño será entonces 8 kPa (1.2 psig).
3.1.3.2 Estado de esfuerzos de la membrana con carga no cíclica El material de la membrana es dúctil y es un estado de esfuerzos no
cíclico,
en
consecuencia
se puede trabajar con diferentes
teorías de falla, en especial el cortante máximo y Von Misses. En el presente estudio se elige comparar el esfuerzo de Von Misses con el limite a al fluencia del material para determinar el 36
MIM-2000-I-07 factor de seguridad, comparándolo con el esfuerzo obtenido en la dirección perpendicular a las fibras (menor valor del material, ya
que
es
anisotrópico).
Von
Misses
supone
el
mismo
comportamiento a la tensión y a la compresión, en el presente estudio se desea trabajar en el cuadrante donde los esfuerzos principales están a tensión. La
selección
del
material
determina
entonces
el
factor
de
seguridad. El esfuerzo de Von Misses para carga constante es:
σ VM =
(σ
(
+ σ L , Flexion ) + (σ T , Pi ) − (σ L, Pi + σ L, Flexion ) * σ T , Pi 2
L , Pi
2
)
En el caso del dirigible a radio control, evaluando cada término, el resultado es: σL,Pi = 1.41 MPa σL,F = 44.69 kPa σT,Pi = 6.35 MPa El mayor esfuerzo alcanzado es en la dirección transversal. El esfuerzo de Von Misses es: σVM = 5.766 MPa Para obtener el factor de seguridad, se debe comparar con las características de las diferentes membranas, suponiendo un grosor similar al propuesto en el cálculo de los esfuerzos críticos. De acuerdo
al
análisis
realizado
posteriormente
se
tiene
los
siguientes datos de esfuerzo último a la tensión para varios tipos de membranas, lo que da una idea del factor de seguridad utilizado: Factor de seguridad para dirigible a radio control Membrana
Orientacion
Foil de aluminio laminado [3] Isotropico Polipropileno metalizado [3] Polipropileno t li d [3]
Esfuerzo de Von Mises punto Esfuerzo ultimo critico MPa tension MPa 5.766
a
la Factor seguridad 30.8
de 5.31
laminado Perpendicular
5.766
39.86
6.91
laminado Paralelo
5.766
143.01
24.80
37
MIM-2000-I-07 metalizado [3] Tedlar ® (DuPont) [1]
NA [4]
5.766
55.15-110.30
9.56-19.13
Poliester (Mylar ® (DuPont)) NA [4] [1] Poliuretano [2] NA [4]
5.766
187.00
32.43
5.766
48.26
8.37
Nylon [2]
NA [4]
5.766
93.07
16.14
PVDC Copolimero (Saran) NA [4] [2] Polietileno baja densidad NA [4]
5.766
79.28
13.75
5.766
11.38
1.97
PVC
5.766
13.79
2.39
NA [4]
[1] Fuente DuPont [2] Ref. KHOURY, GILLETT, Airship Technology [3] Pruebas realizadas en laboratorio [4] No se encontro el dato
Tabla
En
el
6. Factor de seguridad de diseño con varios materiales
dirigible
determinantes
en
por el
radio
diseño
y
control
los
selección
esfuerzos
de
la
no
son
membrana.
Para
dirigibles de mayor tamaño muy seguramente hay que acudir a los materiales laminados que tienen una capa especial para soportar las cargas.
3.1.3.3 Distribución de presiones por efectos aerodinámicos Esfuerzos por efectos aerodinámicos afectan la membrana en el sentido
perpendicular
diferencias mantener
la
de
a
la
presiones
que
forma
del
superficie ayudan
dirigible.
a
y la
Aunque
son presión
el
básicamente interna
efecto
de
a
los
esfuerzos en ese sentido no se tienen en cuenta en el análisis, se
debe
justificar
este
hecho
revelando
la
magnitud
de
la
distribución de presiones sobre la membrana. La presión máxima ocurre en la punta y es de compresión. Por Bernoulli su valor es:
Ppunta − P∞ = 12 * ρ aire * Vel 2 Para el dirigible a radio control, a una velocidad de 11.7 m/s, en Bogotá:
38
MIM-2000-I-07 ∆Presión = 58.86 Pa No puede ocurrir una deformación por efectos aerodinámicos en la punta, si el dirigible es inflado a 8 kPa (manométrica), presión bastante superior al ∆P calculado.
3.2 CONCLUSIONES El
estado
encuentra
de en
esfuerzos una
zona
en
un
segura
dirigible de
diseño,
a
radio
para
la
control
se
mayoría
de
materiales posibles. El efecto aerodinámico es despreciable para la
forma. Un análisis más detallado debe ser hecho, que tenga en
cuenta efectos de concentración de esfuerzos en puntas, costuras y puntos de agarre de la góndola. Este análisis profundizado es prácticamente
imposible
de
realizar
sin
herramientas
computacionales, dada la complejidad de la geometría, esfuerzos y condiciones de frontera.
39
MIM-2000-I-07
4. DISEÑO DE LA MEMBRANA: MATERIALES
El presente capítulo muestra las alternativas estudiadas para
la
selección del material de la membrana del dirigible. La membrana y su material forman una parte fundamental de la construcción, pues de su correcta selección dependen los procesos de corte y unión
de
la
envoltura.
Se
estudiaron
tres
materiales,
cuyas
muestras están en el Anexo 6: Muestras de Material. •
Película de polipropileno metalizado laminada con polietileno, fabricada por Carpak.
•
Película de poliester transparente Mylar ® de DuPont.
•
Foil de aluminio laminado con polietileno, con película exterior de poliester.
Se hicieron dos intentos de construcción, primero usando un laminado de polipropileno metalizado con Mylar ® DuPont; segundo usando solamente el Foil de aluminio. Finalmente se selecciona el foil de aluminio como material de construcción del dirigible. A continuación se muestran los dos materiales (uno compuesto y el otro sencillo) propuestos para la membrana, junto con todas las pruebas de laboratorio asociadas para su selección. Dentro de las principales partes de un dirigible a radio control esta la membrana o envoltura. Es la parte más difícil de construir, dado que es única para cada dirigible. No se encuentran membranas comerciales en el mercado de elementos para
39
MIM-2000-I-07 aeromodelistas. La mayoría de los dirigibles a radio control pertenecen a la familia de los blimps o sin estructura. tienen una membrana flexible cuya forma de elipsoide se conserva por la presión interna del helio. El material preferido para la membrana (Mylar ® DuPont) será discutido más adelante. La membrana en los dirigibles modernos es el elemento que más ha evolucionado, permitiendo el nuevo auge de esta tecnología de transporte. A continuación se describe el material de la membrana usado actualmente en los dirigibles modernos, tomado del libro Airship
Technology
[5]
parte
de
la
literatura
que
ha
sido
conseguida durante el desarrollo del prototipo.
4.1 MEMBRANA DE LOS DIRIGIBLES MODERNOS
4.1.1 Material laminado El avance de los laminados ha sido importante y reciente. Cumple las principales características que debe cumplir el material de la membrana para un dirigible cualquiera: •
Alta resistencia. De la resistencia del material va a depender el máximo tamaño posible del dirigible.
•
Una relación alta de la resistencia vs. el peso para minimizar el peso de la aeronave.
•
Resistencia
al
medio
ambiente,
principalmente
a
la
degradación por rayos UV. Esto dará una larga vida útil a la membrana, disminuyendo los costos por mantenimiento. •
Alta resistencia a las rasgaduras, siendo tolerante a golpes e impactos.
40
MIM-2000-I-07 •
Baja permeabilidad al helio, para minimizar las pérdidas de gas,
lo
cual
tiene
efecto
inmediato
en
los
costos
operacionales. •
Técnicas
de
unión
que
produzcan
uniones
fuertes
y
manofacturables. Además que eviten la acumulación de esfuerzos residuales y el creep, que en los materiales poliméricos puede ocurrir a temperatura ambiente. Los laminados cumplen todos los requerimientos, pues se unen las mejores
características
de
materiales
comunes
en
un
"supermaterial". El laminado consta de tres capas principales, unidas entre si por adhesivo: Capa de carga y esfuerzo. El material preferido para esta capa es el
Poliester
en
fibras,
conocido
como
Dacron.
También
puede
usarse Poliamidas como el Nylon y fibras de Aramidas como el Kevlar
®
(DuPont).
Las
características
de
los
principales
materiales son expuestas posteriormente. Capa de retención del gas. Nuevamente el material preferido es el Poliester, pero en película, conocido como Mylar ® (DuPont). Otro material de bastante aceptación es el Poliuretano, que cuenta con la ventaja de tener resistencia al medio ambiente. Capa
de
protección
ambiental.
El
material
usado
es
el
polyvinylfluoride (PVF) conocido como Tedlar ® (DuPont), es muy liviano, comparado con el Poliuretano y el Neopreno, los otros dos materiales usados como barrera contra el medio ambiente. El
adhesivo
hecho
por
dirigibles
usado DuPont. lo
es
Hytrel ® (DuPont), Poliester Elastómero
La
confirma
experiencia como
la
de
mejor
los
constructores
alternativa
para
de las
uniones. Cabe resaltar que no existe un método para la detección
41
MIM-2000-I-07 de fallas y fugas en las uniones, previo al funcionamiento de la máquina, por lo cual la manufactura debe reportar alta calidad. En la siguiente gráfica se aprecia la estructura del laminado (ref. [5]):
Figura 9. Material laminado dirigible moderno
En el prototipo (y en los dirigibles RC en general) las cargas son mínimas, como se verá mas adelante. El proyecto es con fines investigativos, se puede descontar la capa de protección ambiental, dejando solamente la capa de retención del gas y la de esfuerzo. Para tal fin la mejor alternativa es un laminado de Mylar® (DuPont) para retención del gas junto con una capa de esfuerzos, posiblemente un laminado de polipropileno con polietileno de fácil consecución en el mercado. La manera de pegar las capas será con adhesivo mientras que la unión entre partes se hará con termosellado. La configuración de las uniones es la siguiente: se unen a tope las dos láminas a unir sobre una cinta de material y se cubre con otra cinta de material; todo previamente con el adhesivo colocado. De este proceso se hablará más adelante.
42
MIM-2000-I-07
4.2 PRIMERA ALTERNATIVA: MATERIAL LAMINADO La
primera
alternativa
para
el
material
dirigible a radio control es un retención
de
helio
y
la
de
la
membrana
del
laminado de dos capas, una de
otra
de
esfuerzo.
Para
la
capa
de
esfuerzo se emplea un laminado suministrado por Carpak, a través del profesor Miguel Prieto, hecho de polipropileno orientado con polietileno y metalizado. Para la capa de retención de gas se emplea una película de poliester de DuPont, denominada Mylar®, de bajo espesor y transparente. Alternativamente se puede usar sólo Mylar®, pero en este caso debe ser de un espesor mayor al usado (por lo menos 5 veces más grueso, alrededor de 25 mil) y preferiblemente metalizado.
4.2.1 Capa de esfuerzo: laminado de polipropileno La caracterización del material de la capa de esfuerzos incluye principalmente pruebas mecánicas que garanticen un buen factor de seguridad
frente
a
las
condiciones de carga encontradas. Hay
varias alternativas de selección del material de esfuerzos pero por las exigencias de la aplicación - bajas - se puede optar por un laminado comercial económico usado para empaques de productos alimenticios y cosméticos que además presenta una respuesta buena al termosellado, la manera más económica de unir dos láminas de materiales poliméricos. Hay
que
conocer
mecánicas
del
funcionamiento estándares
los
valores
material del
que
dirigible.
internacionales
de
las
principales
inciden Se
que
deben
propiedades
directamente realizar
permitan
en
pruebas
comparar
el bajo
distintos
43
MIM-2000-I-07 materiales para seleccionar el mejor y para hacer una primera aproximación al comportamiento de la aeronave durante el vuelo. Se han distinguido tres grupos de pruebas principales: •
Pruebas elásticas, donde la carga se aplica gradualmente. La máquina (Instrom) donde fueron realizadas se aprecia en la foto 7, del Anexo 5 ‘‘Material Fotográfico’’: prueba de tensión y la foto 6: prueba de punzonamiento.
•
Pruebas
de
rasgado,
catastróficamente.
donde
La
la
carga
máquina
donde
y
la
falla
fueron
ocurren
realizadas
se
aprecia en la foto 4, del Anexo 5 ‘‘Material Fotográfico’’: corte probetas prueba de rasgado. •
Pruebas de permeabilidad a diferentes gases. La máquina donde fueron
realizadas
se
aprecia
en
la
foto
5,
del
Anexo
5
‘‘Material Fotográfico’’: prueba de permeabilidad al oxígeno. También
se
han
distinguido
dos
naturalezas
diferentes
del
material de la membrana: •
Partes del material donde no hay alteración alguna.
•
Partes del material con alteraciones o singularidades, tales como juntas de unión, agujeros para válvulas, puntas, etc.
Las pruebas realizadas siguieron los estándares internacionales de la ASTM, con el objetivo de que fueran reproducibles. Estas pruebas se realizaron en la capa de esfuerzo y en la capa de retención de gas, con y sin uniones, con el propósito de verificar su factor de seguridad y de comparar los resultados con otros
posibles
materiales
cuyos
datos
fueron
encontrados
directamente con el fabricante. El laminado de polietileno con polipropileno orientado, con una capa
metalizada
entre
ellos,
es un material anisotrópico, es
decir, se comporta de diferente manera según la orientación de 44
MIM-2000-I-07 las
fibras.
Se
permeabilidad principales medidas
en
anticipa
al
helio
un y
buen
a
las
características, el
laboratorio
comportamiento uniones
previas
a
en
cuanto
termoselladas. la
a
Sus
experimentación,
del C.I.T.E.C (CENTRO DE INOVACION
TECNOLOGICA) son: Grosor
26 mil (0.06604 mm)
Masa por unidad de área
60.45 gr/m
2
Masa por unidad de volumen 915.33 kg/m3
4.2.1.1 Prueba de tensión Hace parte del primer grupo de pruebas, con el parámetro de la aplicación
gradual
de
la
carga,
hasta
alcanzar
una
falla
no
catastrófica (ver foto 7, anexo 5). El interés de esta prueba es conocer los valores límites de carga que soporta el material, para
poder
encontrar
el
factor
de
seguridad
de
acuerdo
al
esfuerzo de Von Misses encontrado en los numerales anteriores. Así mismo es importante distinguir en que dirección deben ser cortados las partes del desarrollo con las que se construirá el dirigible, en caso de tratarse de un material anisotrópico. La dirección de las fibras está determinada por la orientación del
polipropileno,
dado
que
el polietileno es isotrópico. El
material debe ser probado en sus dos direcciones: paralelo a la extrusión y a las fibras; y perpendicular a las fibras.
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos con las probetas
cortadas
Adicionalmente
se
paralelo
a
calculó
el
la
extrusión
esfuerzo
de
y
a
las
cedencia
fibras. al
2%,
parámetro con el cual se calcula el factor de seguridad. 5-nov-99
Fecha Nombre Prueba
Tensión
45
MIM-2000-I-07 ASTM
D 882-81
Material
Polipropileno orientado,
Fabricante
Karpak
con capa de polietileno y capa metalizada
Condiciones
Valor Unidad
Humedad
50%
Temperatura
23 C
Tipo prueba
Tension
Velocidad prueba
400 mm/min
Velocidad muestreo
5 puntos/s
Numero de probetas
10 un
Separacion mordazas
2 in
Area seccion transv.
8.38708E-07 m2
Dimension probeta
5 X 1/2 in
Probeta
% Elongacion ultima
Sut
Modulo tensil
Sct (2%)
%
MPa
MPa
Mpa
1 paralelo
21.779
112.525
733.495
112.53
2 paralelo
47.303
169.749
1102.996
169.75
3 paralelo
41.846
165.341
1108.265
165.34
4 paralelo
28.569
129.14
999.199
129.14
5 paralelo
31.628
138.294
1056.115
138.29
Promedio
34.225
143.010
1000.014
143.01
Desviacion estandar
10.280
24.278
155.325
24.28
1 perpendicular
70.669
50.632
645.869
25
2 perpendicular
36.471
38.409
610.018
25
3 perpendicular
22.527
34.15
288.578
25
4 perpendicular
46.957
41.698
650.107
25
5 perpendicular
23.538
34.407
628.109
25
Promedio
40.032
39.859
564.536
25
Desviacion estandar
19.860
6.780
155.081
Tabla 7. Polipropileno metalizado: Prueba tensión ASTM 882
En el siguiente gráfico se muestra el resultado de la prueba para probetas
cortadas
comportamiento
en
tiende
sentido a
ser
paralelo elástico
a
las
hasta
el
fibras.
El
punto
de
rompimiento, por lo que el punto del esfuerzo de cedencia (Sct) corresponde al mismo esfuerzo último (Sut).
46
MIM-2000-I-07
Prueba de tension probetas paralelas a las fibras 180 160 Esfuerzo en MPa
140 120 Carga probeta 1
100
Carga probeta 2
80
Carga probeta 3
60
Carga probeta 4
40
Carga probeta 5
20 0 0%
5%
10%
15%
20% 25% 30% Porcentaje de deformacion
35%
40%
45%
50%
Figura 10. Polipropileno metalizado: tensión paralela
En el siguiente gráfico se muestra el resultado de la prueba para probetas cortadas en sentido perpendicular a las fibras. La línea al 2% de deformación da como punto de cedencia alrededor de 25 MPa. Prueba de tension en probetas perpendiculares a las fibras 50 45 40 35 Carga probeta 1
MPa
30
Carga probeta 2
25
Carga probeta 3
20
Carga probeta 4
15
Carga probeta 5
10 5 0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Porcentaje de desplazamiento
Figura 11. Polipropileno metalizado: tensión perpendicular
Los
valores
factor
de
obtenidos
seguridad
en
en
estas
el
pruebas
dirigible
a
permiten radio
calcular
control
el
usando 47
MIM-2000-I-07 membrana
de
polipropileno
orientado
metalizado
laminado
con
polipropileno o cualquier otra membrana.
4.2.1.2 Prueba de rasgadura sin grieta inicial La
probeta
de
esta
prueba
tiene
forma
de
corbatín
y
sus
dimensiones están especificadas en la norma ASTM correspondiente (ASTM 1004); el corte de las probetas se aprecia en la foto 4, anexo
5.
El
interés
de
esta
prueba
es
poder
comparar
la
resistencia de diferentes membranas a la formación de grietas, que
podrían
causar
una
falla
catastrófica.
Además
se
puede
determinar la dirección donde es más factible la aparición de microgrietas, en caso de materiales anisotrópicos. Se realiza en la máquina universal Instrom
(foto 7, anexo 5). Los resultados
se consignan en la siguiente tabla: 5-nov-99
Fecha Nombre Prueba
Rasgado
ASTM
D 1004-66
Material
Polipropileno orientado, con
Fabricante
Karpak
Condiciones
Valor
capa de polietileno y capa metalizada
Unidad
Humedad
50%
Temperatura Tipo prueba
23 C Tension
Velocidad prueba
51 mm/min
Velocidad muestreo
10 puntos/s
Numero de probetas
10 un
Separacion mordazas
1 in
Dimension probeta
segun norma
Probeta
% deformacion maxima carga
en Max carga
%
kN
Esfuerzo carga
max
MPa
1 paralelo
20.488
0.015
18.647
2 paralelo
10.162
0.011
13.282
3 paralelo
12.297
0.013
15.431
4 paralelo
15.972
0.013
16.152
5 paralelo
15.643
0.014
16.864
48
MIM-2000-I-07 6 paralelo
14.123
0.013
16.015
Promedio
14.781
0.013
16.065
Desviacion estandar
3.540
0.001
1.759
1 perpendicular
2.258
0.009
10.625
2 perpendicular
3.683
0.012
14.617
3 perpendicular
2.385
0.008
9.68
4 perpendicular
5.533
0.016
18.822
5 perpendicular
2.163
0.009
11.139
Promedio
3.204
0.011
12.977
Desviacion estandar
1.441
0.003
3.763
Tabla 8. Polipropileno metalizado: Prueba rasgado ASTM 1004
4.2.1.3 Prueba de punzonamiento Es una prueba que tipifica a los geotextiles, pero que aplica para las membranas en general que no tengan trama (formado de fibras entretejidas), se puede apreciar en la foto 6, anexo 5. Hace parte de las pruebas que miden las propiedades frente a fallas
catastróficas,
y
puede
decirse
que
es
una
prueba
que
determina la magnitud de impactos lentos que una membrana puede recibir. El resultado es independiente de la dirección de las fibras
del
material.
En
la
siguiente
tabla
se
consignan
los
resultados obtenidos: 5-nov-99
Fecha Nombre Prueba
Punzonamiento
ASTM
D 4833-88
Material
Polipropileno orientado,
Fabricante
Karpak
Condiciones
Valor
Unidad
Humedad
50%
Temperatura
23 C
Tipo prueba
Compresiva
Velocidad prueba
300 mm/min
Velocidad muestreo
50 puntos/s
Numero de probetas
6 un
Dimension probeta
4 in dia.
Probeta 1
Despl en max
Max carga
mm
kN 11.775
0.149
49
MIM-2000-I-07 2
11.225
3
11.670
0.15
4
13.926
0.143
5
10.826
0.133
6 Promedio Desviacion estandar
0.148
11.862
0.15
11.881
0.146
1.075
0.007
Tabla 9. Polipropileno metalizado: Prueba punzonamiento ASTM D4833
El
resultado
de
mayor
interés
es
la
profundidad
que
puede
alcanzar el punzonamiento, alrededor de 11 mm en un círculo de diámetro 4". Es decir con un metro de diámetro, de material tensionado, la profundidad del punzonamiento puede llegar hasta 117 mm. Este
estimado
se
basa
en
el
comportamiento
lineal
del
punzonamiento con el diámetro, conservando pendientes.
4.2.1.4 Prueba de permeabilidad al oxigeno La permeabilidad mide la cantidad de una sustancia que pasa a través
de
una
membrana
en
determinado
lapso
sustancia puede estar en fase líquida, de comporta
como
gas
ideal).
En
el
de
tiempo.
La
vapor o gaseosa (se
presente
estudio
se
analiza
solamente el caso relativo a los gases pues se maneja Helio. La
permeabilidad
depende
es
una
directamente
del
característica área
expuesta
de y
las de
membranas la
que
presión;
e
indirectamente del grosor de la membrana. Las unidades con que se trabaja la permeabilidad de cualquier gas son: cm3 * mil m * 24h * atm 2
Dado que en el C.I.T.E.C (Centro de innovación tecnológica) no hay sensor para determinar la permeabilidad con helio, se decidió
50
MIM-2000-I-07 optar por la prueba de oxigeno, siendo una aproximación lejana para poder seleccionar la mejor barrera al gas de flotación. La probeta nuevamente fue laminado de polipropileno metalizado con polietileno, usando la máquina que se aprecia en la foto 5, anexo
5.
El
resultado
obtenido
con
el
medidor
del
C.I.T.E.C
(Centro de innovación tecnológica) es: 74.99 cc/(m2)(24h)(atm)/mil No es fácil encontrar una relación directa entre la permeabilidad al oxigeno y al helio. Una relación directa implicaría desconocer otros
fenómenos
distintos
a
la
difusión
mecánica
del
gas
(teniendo en cuenta sólo el tamaño de la molécula) y que son realmente importantes, como la polaridad de las moléculas. La permeabilidad de las membranas está determinada por la polaridad de las moléculas del material y del gas [ref 7]. Si se conoce el comportamiento de una membrana plástica frente al oxigeno y al helio, puede estimarse la permeabilidad de otras membranas por proporcionalidad, dado que el comportamiento de las
barreras es
similar por su configuración molecular. Con el dato conocido del laminado de polipropileno y con otros datos de permeabilidad de membranas al Oxígeno y al Helio se puede estimar con buena precisión el valor desconocido. En la siguiente tabla se hace un estimativo del posible valor de permeabilidad. Estimacion de permeabilidad al helio, conociendo la permeabilidad al oxigeno
Propiedad
PPO (para) PPO (perp) Tedlar
Permeabilidad al Oxigeno
74.99 (*)
Permeabilidad al Helio
3118.65 (**) 3118.65 (**)
74.99 (*)
49.60
Mylar mil) 64.04 (*)
2325.00 2325.00
(6 Un
Test
cc/(m2)(24h)(atm) ASTM D 3985-80 (mil) cc/(m2)(24h)(atm) ASTM D 1434-75 (mil)
Valor conocido, DuPont [ref. 6] y [ref. 9] fuente (*) Valor hallado con prueba de laboratorio
51
MIM-2000-I-07 (**) Valor estimado con
base en
datos conocidos
Tabla 10. Polipropileno metalizado: Estimación permeabilidad al Helio
La relación entre la permeabilidad al helio y la permeabilidad al oxigeno
en
barreras
poliméricas
es
alrededor
de
42:1.
Es
importante que las uniones sean las mejores, evitando cualquier singularidad que permita el escape del gas. La permeabilidad en las uniones no se puede medir con la máquina del C.I.T.E.C (Centro de innovación tecnológica), dado que hay pequeñas imperfecciones en la superficie,
por la geometría misma
de la unión, que permiten filtraciones indeseadas del gas. Se requiere entonces un nuevo experimento que permita apreciar cual es el mejor tipo de unión. Para medir la pérdida de helio por la membrana y por las uniones, se propone un nuevo experimento que sea fácilmente reproducible y entregue resultados útiles. Este se expone más adelante. La permeabilidad del
laminado
completo será estimada
más
adelante.
4.2.2 Capa de retención del gas: Mylar® DuPont El material usado como capa de retención de gas es la película de poliester
Mylar®
de
DuPont,
que
presenta
excelentes
características como barrera a diferentes gases, especialmente Helio. También fue caracterizado mecánicamente, para justificar la necesidad de un espesor mayor de Mylar para esta aplicación, si se deseara tener una sola capa (de Mylar®) que cumpliera las funciones
de
retención
y
de
esfuerzo.
DuPont
suministró
dos
52
MIM-2000-I-07 rollos
con
fines
investigativos,
cuyas
principales
características son: Grosor rollo 1 (‘‘largo’’)
6 mil (0.01500 mm)
Grosor rollo 2 (‘‘corto’’)
5.5 mil (0.01375 mm)
Masa por unidad de área
18.65 gr/m
2
Masa por unidad de volumen 1241.78 kg/m3
4.2.2.1 Permeabilidad del Mylar® DuPont [ref. 9] La película de poliester Mylar® es virtualmente impermeable a la fase
líquida
de
la
mayoría
de
químicos
y
reactivos.
La
permeabilidad del Mylar a los gases es mostrada en la siguiente figura, que incluye el comportamiento frente a la temperatura de esta característica. Se incluye el dato obtenido en el C.I.T.E.C de permeabilidad al oxígeno (a 23 ºC): 64.04 cc/(m2)(24h)(atm)/mil Permeabilidad del gas a traves del Mylar contra Temperatura
Permeabilidad al Gas en cc/1 m²/24 hr/atm/mil
10000
Helio Hidrogeno
1000
Sulfuro de Hidrogeno Oxigeno
100
Nitrogeno 10 Medicion CITEC con Oxigeno 1 0
25
50
75
Temperatura en ºC
Figura 12. Mylar® DuPont: Permeabilidad frente a varios gases [ref. 9]
Cabe anotar que una marcada reducción en la permeabilidad
a los
gases (hasta un factor de 100) puede ser obtenida a través del
53
MIM-2000-I-07 metalizado al vacío. En el dirigible se usa Mylar® transparente, suministrado
por
DuPont,
aunque
sería
recomendable
es
relación
usarlo
metalizado. Una
conclusión
importante
la
logarítmica
entre
permeabilidad y temperatura ambiente. El dirigible debe tener una superficie reflectora para evitar el calentamiento por radiación solar, así mismo debe ser
guardado (una vez esté lleno de helio)
a la menor temperatura posible para evitar la pérdida del gas de flotación. La temperatura de trabajo de la superficie no debe sobrepasar los 25 ºC en lo posible.
4.2.2.2 Absorción de Humedad del Mylar® DuPont [ref. 9] Para
facilitar
describe
más
el
proceso
adelante),
la
de
pegado
capa
de
de
la
membrana
retención
de
(que
gas
se
queda
expuesta al medio ambiente, mientras que la capa de esfuerzo se localiza en el interior. Por esta razón es interesante conocer la respuesta
del Mylar® frente a la absorción de humedad del aire
circundante. La humedad absorbida otorga una peso adicional al dirigible, que debe ser estudiada para conocer si su magnitud es despreciable respecto al peso total. La película de poliester Mylar® es relativamente insensible a al absorción de humedad. Para hojas de la película manejadas al aire, con una humedad relativa del 80%, el tiempo requerido para lograr el equilibrio en la absorción de humedad se incrementa con el grosor; la película usada en el laminado es de 6 mil que conduce a 135 minutos en alcanzar el 90% equilibrio con el medio ambiente, según se ve en la siguiente tabla: Tasa de ganancia de humedad de laminas sencillas de Mylar® Reproducida segun DuPont Teijin Films, Product Information: Mylar® polyester film
54
MIM-2000-I-07 Grosor, mil
Tiempo requerido para alcanzar el 90% de equilibrio en contenido de humedad en min 15
½ 1
60
5
135
Tabla 11. Mylar® DuPont: Ganancia de Humedad
Suponiendo que alcanza durante el vuelo el 90% de equilibrio, el peso adicional que alcanzaría a ganar por esta razón se deduce de la siguiente gráfica: Contenido de Humedad en muestras de laminas sencillas de Mylar® en aire
Contenido de humedad en %peso
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 5 mil
0.2
1/2 mil
0.1 0 0
20
40 60 80 Humedad Relativa en %
100
Figura 13. Mylar® DuPont: Contenido de humedad
Con una humedad de 80%, luego de 135 minutos, se alcanza el 90% del valor nominal de 0.54% del peso del Mylar® en dirigible. Son 20 m2 aproximadamente de área de la membrana, por lo que
el peso
adicional por absorción de humedad es de: Peso Adicional
=
18.65 gr/m2 *
20 m2 *
0.54% =
2 gr
Es un peso despreciable para todo el conjunto, pues una variación en la densidad del aire (causado por un leve incremento en la temperatura ambiente) puede disminuir en mayor cuantía la fuerza de sustentación. Se concluye que el comportamiento del Mylar con la humedad no afecta el desempeño del dirigible.
55
MIM-2000-I-07 4.2.2.3 Prueba de tensión del Mylar® DuPont Se realizaron dos pruebas de tensión: paralela al rollo largo y perpendicular al rollo largo. El procedimiento de la prueba de tensión
para
el
Mylar® es el mismo que para el laminado de
polipropileno, las condiciones del experimento son las mismas y sólo se exponen los resultados finales para las dos pruebas. Las gráficas son:
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0%
Prueba de tension: grafica esfuerzo deformacion MYLAR PARALELO AL ROLLO
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100%
Esfuerzo tension MPa
Esfuerzo tension MPa
Prueba de tension: grafica esfuerzo deformacion MYLAR PERPENDICULAR AL ROLLO 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0%
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
10%
20%
30%
Porcentaje deformacion %
40%
50%
60%
70%
80%
90% 100%
Porcentaje deformacion %
Figura 14. Mylar® DuPont: Prueba de tensión ASTM 882
La resistencia a la cedencia del material es muy similar en las dos direcciones, el comportamiento elástico es prácticamente el mismo. El comportamiento plástico luego del punto de cedencia hasta el punto de esfuerzo último es mejor para la dirección perpendicular,
alcanzando
valores
confiabilidad en la elongación
mayores,
pero
con
muy
poca
máxima. La tabla de resultados es
la siguiente: Probeta
Perpendicular 1 Perpendicular 2 Perpendicular 3 Perpendicular 4
% Elongacion Sut Ultima mm/mm MPa x100% 54% 155.22
Modul Sct (2%) o tensil MPa Mpa
1695.7 8 33% 135.84 2139.0 5 91% 178.04 1226.6 5 59% 166.22 1352.3 7
90.00 95.00 90.00 98.00
56
MIM-2000-I-07 7 Perpendicular 5
21% 103.49 1037.2 8 52% 147.76 1490.2 3 27% 29.217 434.99
Promedio Desv. Estándar Probeta
82.00 91.000 6.083
% Elongacion Sut Ultima
Modul Sct (2%) o tensil
mm/mm x100%
MPa
MPa
Paralelo 1
10%
Paralelo 2
80%
Paralelo 3
10%
Paralelo 4
26%
Paralelo 5
10%
Promedio
27%
Desv. Estándar
30%
90.60 1833.0 5 124.78 1988.3 6 94.35 2902.0 6 101.16 2328.1 1 95.86 1620.9 3 101.35 2134.5 0 13.635 500.65
Mpa 82.00 95.00 95.00 97.00 95.00 92.800 6.099
Tabla 12. Mylar® DuPont: Prueba de tensión ASTM 882
El valor de el esfuerzo de cedencia es muy similar, pero el esfuerzo último es significativamente diferente. La variabilidad del resultado (desviación estándar) hace poco confiable el dato de elongación última, por lo que se toma como dato seguro el Sct (2%).
4.2.2.4 Prueba de rasgado del Mylar® DuPont La prueba de rasgado se hace siguiendo el mismo procedimiento del la realizada con el laminado de polipropileno, con condiciones idénticas. Se realizaron tres pruebas: una paralela al rollo en material
‘‘grueso’’
(6
mil),
una
perpendicular
al
rollo
en
material ‘‘grueso’’ (6 mil) y una paralelo al material delgado (5.5. mil). Los gráficos se aprecian en las siguientes figuras:
57
MIM-2000-I-07
Prueba de Rasgado: Grafica Esfuerzo Deformacion MYLAR PARALELO ROLLO GRUESO (6mil) 35 Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
25 20
30 Esfuerzo en MPa
Esfuerzo en MPa
30
Prueba de rasgado: esfuerzo - deformacion MYLAR PERPENDICULAR LARGO (6 mil)
35
15 10 5
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
25 20 15 10 5
0 0%
5%
0
10%
0%
Desplazamiento mm/mm x 100%
5% Desplazamiento mm/mm x 100%
10%
Prueba de rasgado: grafica esfuerzo deformacion MYLAR PARALELO AL ROLLO DELGADO (5.5 mil)
Esfuerzo tension MPa
35 30 25 20
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
15 10 5 0 0%
5%
10%
Porcentaje deformacion %
Figura 14. Mylar® DuPont: Prueba de rasgado ASTM 1004
El
comportamiento
del
Mylar®
sometido
a
tensión
paralela
en
rasgadura es muy similar de un grosor a otro en el esfuerzo de rasgadura (cercano a 25 MPa) aunque con leve ventaja del rollo grueso (6%) respecto al delgado (4%). Para el material a tensión perpendicular
en
rasgadura
el
comportamiento
varía
dramáticamente, el esfuerzo disminuye (alrededor de 17 MPa) al igual que el
desplazamiento (2%). Los resultados definitivos se
aprecian en las siguientes tablas: Probeta
Carga a maxima Deformacion a Esfuerzo carga maxima carga max carga N mm/mm x100% MPa
a
ROLLO GRUESO Perpendicular 1
6
4.159%
31.17
Perpendicular 2
3
1.229%
13.35
Perpendicular 3
3
1.735%
16.74
Perpendicular 4
3
1.486%
13.54
Perpendicular 5
3
2.217%
13.83
58
MIM-2000-I-07 Promedio
3.6
2.165%
17.73
1.34
1.173%
7.64
Paralelo 1
5
4.685%
26.42
Paralelo 2
5
5.890%
26.42
Paralelo 3
4
7.094%
22.36
Paralelo 4
4
5.489%
23.21
Paralelo 5
6
7.764%
31.95
Promedio
4.8
6.184%
26.07
0.84
1.239%
3.77
Paralelo 1
4
4.016%
24.16
Paralelo 2
4
3.748%
23.92
Paralelo 3
4
3.882%
24.27
Paralelo 4
5
4.150%
26.42
Paralelo 5
4
4.551%
20.77
Promedio
4.2
4.069%
23.91
0.45
0.308%
2.02
Desv. estandar ROLLO GRUESO
Desv estandar ROLLO DELGADO
Desv estandar
Tabla 13. Mylar® DuPont: Prueba de rasgado ASTM 1004
4.2.2.5 Prueba de punzonamiento Las condiciones de la prueba de punzonamiento del Mylar® son iguales
a la realizada con polipropileno metalizado. Sólo se
reproducen los resultados finales de la prueba. El comportamiento al
punzonamiento
correspondientes
se al
muestra rollo
en
las
delgado
siguientes
y
al
rollo
dos
figuras,
grueso,
es
muy
similar, tanto en carga como en desplazamiento: Prueba de Punzonamiento: Grafico Carga Desplazamiento MYLAR® ROLLO GRUESO (6 mil)
60
60
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
40 30
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
50 Carga en N
50 Carga en N
Prueba de Punzonamiento: Grafico Carga Desplazamiento MYLAR® ROLLO DELGADO (5.5 mil)
20 10
40 30 20 10
0
0
0
2
4
6
8
10
12
14
0
2
4
Desplazamiento en mm
6
8
10
12
14
Desplazamiento en mm
Figura 15. Mylar® DuPont: Prueba de punzonamiento ASTM 4833 En la siguiente tabla se dan los resultados: 59
MIM-2000-I-07 Probeta
Carga maxima Deformacion a maxima en N carga en mm
ROLLO GRUESO Punzonamiento 1
55.00
9.96
Punzonamiento 2
50.00
9.14
Punzonamiento 3
47.00
8.85
Punzonamiento 4
48.00
8.96
Punzonamiento 5
47.00
8.78
49.400
9.137
3.362
0.481
Punzonamiento 1
37.00
6.53
Punzonamiento 2
52.00
9.48
Punzonamiento 3
54.00
9.82
Punzonamiento 4
53.00
9.60
Punzonamiento 5
52.00
9.52
49.600
8.990
7.092
1.382
Promedio Desviacion estandar ROLLO DELGADO
Promedio Desviacion estandar
Tabla 14. Mylar® DuPont: Prueba de punzonamiento ASTM 4833
4.3 PROCESO DE LAMINACION: MYLAR® Y POLIPROPILENO El presente capítulo se centra en el proceso de laminado de la capa
de
esfuerzo
con la capa de retención de gas. Entrar a
estudiar la laminación y los factores que pueden afectarla es un ejercicio interesante, considerando en un futuro que se desee fabricar
un
laminado
con
otros
materiales.
Para
el
presente
laminado los materiales de estas dos capas son: •
Capa de esfuerzo: laminado de polipropileno con polietileno, metalizado,
suministrado por Carpak, a través del profesor
Miguel Prieto. •
Capa de retención de helio: película de poliester marca Mylar® suministrada por DuPont.
El proceso es sencillo, se unen con un adhesivo común las dos capas.
En
la
foto
11
del
anexo
5
se
aprecia
el
proceso
de
60
MIM-2000-I-07 construcción de un prototipo usando el laminado de dos capas ya mencionado.
4.3.1 Propiedades del laminado de polipropileno con Mylar® La exigencia de la unión del laminado no es alta en cuanto a esfuerzos, dado que cada capa cumple una función específica que depende solamente en sí misma (no en la unión). Por esta razón las propiedades mecánicas que se toman son del material de capa de esfuerzo. Además la contribución del Mylar® DuPont al total de propiedades mecánicas esta limitada por la relación de espesores, el Mylar® con el que se trabaja tiene tan solo 6
mil de grosor,
comparado con los 26 mil del polipropileno metalizado. Nuevamente se
recomienda
para
un
futuro
usar
como
capa
de
esfuerzo
y
retención un Mylar® metalizado de al menos 25 mil de grosor, con lo cual se obviaría el proceso de laminado. Hay
otras
propiedades
que
se
incrementan
por
la
laminación,
especialmente la permeabilidad. La unión entre las partes para el ensamblaje es a través de termosellado, lo cual hace vulnerable la
junta
al
polipropileno.
escape En
estos
de
Helio,
puntos
es
por
la
degradación
fundamental
la
acción
del del
Mylar®, que es insensible al nivel de temperaturas manejado en el termosellado evitando la presencia de fugas en las uniones. Esto justifica el laminado. En la siguiente tabla se resumen las variables del laminado de interés: Propiedad Grosor Densidad / area Permeabilidad al Oxigeno (en 32 mil grosor) Permeabilidad al Helio (en 32 mil grosor)
Valor 0.08104 32 79.10 2.27
Un mm mil g/m2 cc/(m2)(24h)(atm)
91.60 cc/(m2)(24h)(atm)
61
MIM-2000-I-07 4.3.2 Consideraciones básicas del adhesivo de laminación Las dos consideraciones básicas con el adhesivo deben ser la respuesta mecánica y la reacción química favorable, desfavorable o indiferente. El
primer
paso
es
determinar
el
papel
del
adhesivo
en
las
propiedades mecánicas. En este caso el adhesivo sólo se requiere para fijar una capa sobre la otra, sin soportar ningún tipo de esfuerzo
que
tienda
a
separar
las
dos
capas,
como
esfuerzos
cortantes o expansiones térmicas diferentes. Por esta razón la laminación permite un proceso rápido sin mayores exigencias. La segunda consideración es el grado de impacto químico que puede llegar a tener el adhesivo en cada una de las capas a pegar, es decir como afecta sus propiedades.
4.3.2.1 Adhesivo seleccionado El adhesivo seleccionado tuvo en cuenta su costo y componentes básicamente. Es Boxer®, fabricado por EyM, cuya composición es látex natural disuelto en Tolueno. La
aplicación
del
Boxer®
no
requiere
mayores
complejidades
técnicas, como será expuesto más adelante.
4.3.2.2 Reacción entre el adhesivo y las capas del laminado El fabricante asegura que el Boxer® no afecta las propiedades del polipropileno, laminado
aunque
resultante
no
no
presenta
presenta
una
gran
buena
adherencia.
adherencia,
pero
El
cumple
plenamente la función de fijar una capa con la otra, sin estar sometido a esfuerzos cortantes. En cuanto a la respuesta de la combinación de Mylar® DuPont con el Boxer®, se investigó con el fabricante de la película de
62
MIM-2000-I-07 poliester la respuesta a diferentes químicos, lo cual se resume en las tablas del Anexo 2 (ref. 9). Según se concluye de estas tablas,
el
grado
de
perturbación
de
las
propiedades
por
los
solventes del Boxer®, en especial el Tolueno, es mínima. El Boxer® es una alternativa económica como adhesivo para la laminación
del
dirigible
a
radio
control.
Posiblemente
en
dirigibles de mayor tamaño se requiera un adhesivo de mayores prestaciones,
con
dificultades
técnicas
en
la
aplicación
de
consideración por condiciones de temperatura, presión, etc.
4.3.3 Pasos de laminación La laminación con Boxer® no tiene gran complejidad técnica. Los pasos básicamente son: •
Limpieza de las superficies
•
Aplicación de la cantidad justa de adhesivo para dejar una capa muy delgada
•
Tiempo de espera cercano a 60 segundos, durante el cual se evaporan los solventes, dejando solamente el agente adhesivo.
•
Unión de las capas con un elemento plano, usando una presión ligera.
Un posible configuración de unión usando este laminado se muestra en la siguiente figura:
63
MIM-2000-I-07
Figura 16. Unión usando el laminado polipropileno y Mylar® DuPont
4.4 SEGUNDA ALTERNATIVA: FOIL DE ALUMINIO La segunda foil
de
alternativa que se tuvo en cuenta fue un laminado de aluminio
con
polietileno.
El
foil
presenta
una
permeabilidad frente a los gases muy baja, además que la calidad de su termosellado supera a la del laminado de polipropileno con Mylar; lo cual lo hace muy confiable para el control de fugas de helio. En cuanto a las propiedades mecánicas, el polipropileno metalizado supera al foil, la comparación de los datos se muestra más adelante en un consolidado. El comportamiento del foil de aluminio
es
similar
en
dirección perpendicular y paralela al
laminado. Las principales características del foil de aluminio son: Grosor
29 mil (0.0725 mm)
Masa por unidad de área
98.12 gr/m2
Masa por unidad de volumen 1353.32 kg/m3 Permeabilidad leída
0 cc/(m2)(24h)(atm)/mil
64
MIM-2000-I-07 Los
datos
correspondientes
a
las
pruebas
en
el
C.I.T.E.C
se
muestran a continuación.
4.4.1 Prueba de tensión del Foil de aluminio El
procedimiento
de
las
pruebas
de
tensión
para
el
foil
de
aluminio es similar a las del polipropileno metalizado. Sólo se muestran los resultados gráficamente y en tabla.
Esfuerzo tension MPa
Prueba de Tension: grafica esf. - deformacion LAMINADO FOIL ALUMINIO 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
0%
20%
40% 60% Porcentaje deformacion %
80%
100%
Figura 17. Foil aluminio: Prueba de tensión ASTM 882 La resistencia a la cedencia es notablemente menor que en el polipropileno, pero aún asi soporta con un factor de seguridad de 5 el estado de esfuerzos expuesto en el capítulo 3. Los datos de la prueba son: Probeta
% Elongacion Sut Ultima mm/mm x100% MPa
Modulo tensil Sct (2%) MPa
Mpa
Paralelo 1
87%
44.10
738.94
32.00
Paralelo 2
78%
42.24
923.62
32.00
Paralelo 3
80%
40.46
901.06
31.00
Paralelo 4
59%
38.12
1061.83
30.00
Paralelo 5
63%
40.95
1268.17
29.00
Promedio
73%
41.17
978.72
30.800
Desviacion estandar
12%
2.213
198.27
1.304
Tabla 15. Prueba de tensión ASTM 882
65
MIM-2000-I-07 4.4.2 Prueba de rasgado del foil de aluminio La prueba de rasgado se hace siguiendo el mismo procedimiento del la realizada con el laminado de polipropileno, con condiciones idénticas. La gráfica es la siguiente: Prueba de rasgado: grafica Esfuerzo - Deformacion LAMINADO FOIL ALUMINIO Esfuerzo de rasgado en MPa
12 10
Carga probeta Carga probeta Carga probeta Carga probeta Carga probeta
8 6 4
1 2 3 4 5
2 0 0%
5%
10%
15%
20%
Porcentaje deformacion %
Figura 18. Foil de aluminio: prueba de rasgado ASTM 1004
El
esfuerzo
de
rasgado
es
muy
bajo,
no
es
recomendable
la
presencia de dobleces y rayones en la membrana, pues puede causar una falla catastrófica sólo con la presión interna. Los datos de la prueba son los siguientes: Probeta
Carga a max Deformacion carga maxima carga N mm/mm x100%
ROLLO GRUESO
a Esfuerzo a max carga MPa
Perpendicular 1
8.000
2.72%
8.17
Perpendicular 2
9.000
2.67%
9.73
Perpendicular 3
8.000
2.55%
8.65
Perpendicular 4
10.000
3.32%
10.34
Perpendicular 5
10.69
10.000
4.30%
Promedio
9.00
3.11%
9.516
Desviacion estandar
1.00
0.73%
1.081
Tabla 16. Foil de aluminio : Prueba de rasgado ASTM 1004
4.4.3 Prueba de punzonamiento del foil de aluminio Las
condiciones
aluminio
son
metalizado.
de
la
iguales
Sólo
se
prueba a
la
reproducen
de
punzonamiento
realizada los
con
resultados
del
foil
de
polipropileno finales
de
la
66
MIM-2000-I-07 prueba.
El
comportamiento
al
punzonamiento
se
muestra
en
la
siguiente figura: Prueba de Punzonamiento: carga - deformacion LAMINADO FOIL ALUMINIO 70 Carga Carga Carga Carga Carga
Carga en N
60 50 40 30
probeta probeta probeta probeta probeta
1 2 3 4 5
20 10 0 0
5
10
15
20
Deformacion en mm
Figura 19. Foil de aluminio: prueba de punzonamiento ASTM 4833 Los datos de la prueba están consignados en la siguiente tabla: Probeta
Carga a Deformacion a maxima carga maxima carga N mm
ROLLO GRUESO Punzonamiento 1
61.00
6.37
Punzonamiento 2
53.00
5.50
Punzonamiento 3
52.00
5.28
Punzonamiento 4
65.00
6.89
Punzonamiento 5
58.00
6.18
57.800
6.042
5.450
0.658
Promedio Desviacion estandar
Tabla 17. Foil de aluminio: Prueba de punzonamiento ASTM 4833
4.5 CONSOLIDADO DE DATOS Los siguientes es una tabla de resultados donde se consolida la información
de
las
dos
capas
del
laminado:
la
de
esfuerzo
(polipropileno metalizado) y la de retención del gas (Mylar®); junto a la información del foil de aluminio: Material Direccion probeta Grosor
de
Polipropileno metalizado la Paralelo Perp.
/
Foil aluminio Unidad laminado No importa
Mylar® delgado Paralelo
Paralelo Perp.
0.06604 0.06604
Densidad / area Densidad l
Mylar® grueso
0.015
0.015
0.01375
26
26
6
6
5.5
60.45
60.45
18.65
18.65
18.65
915.33 1241.78 1241.78
1241.78
915.33
Test
0.0725 mm 29 mil 98.12 g/m2 1353.32 kg/m3
67
MIM-2000-I-07 volumen Resistencia punzonamiento Deformacion punzonamiento Material
145.50
145.50
49.40
49.40
49.60
11.88
11.88
9.14
9.14
8.99
Polipropileno metalizado 16.065 12.977
Esfuerzo rasgado
57.80 N 6.04 mm
Mylar® Foil aluminio Unidad delgado laminado 26.071 17.725 23.909 9.516 MPa
Mylar® grueso
Carga propagacion grietas rasgado
0.506
0.415
0.800
0.600
0.764
0.310
Esfuerzo cedencia (2%) - Sct Esfuerzo ultimo tension - Sut Elongacion ultima (max) Modulo tensil
143
25
92.8
91
91
30.8
143.01
39.86
101.35 147.76
147.76
41.17
34%
40%
52%
52%
73%
565 2134.50 1490.23
1490.23
978.72
64.04
0.00
Permeabilidad Oxigeno Permeabilidad Helio
1000
al
74.99
al
27%
74.99
64.04
64.04
3118.65 3118.65 2325.00 2325.00
2325.00 N. D.
ASTM 4833 ASTM 4833 Test
D D
ASTM D 1004-66 Graves N/mil ASTM D 1004-66 Graves MPa ASTM D 88281 MPa ASTM D 88281 % ASTM D 88281 MPa ASTM D 88281 cc/(m2)(24h)( ASTM D atm)(mil) 3985-80 cc/(m2)(24h)( ASTM D atm)(mil) 1434-75
Tabla 18. Consolidado de pruebas para materiales propuestos
Luego
de
analizar
concluir
que
presentará
las
condiciones
cualquier
buen
material
comportamiento
en
de
la
membrana,
de
los
arriba
se
puede
expuestos
cuanto a resistencia a los
esfuerzos y permeabilidad al helio. Los únicos puntos que restan por ser analizado son el proceso de laminado y el proceso de unión, que marcan la diferencia para la selección. El
foil
de
aluminio
presenta
una
tendencia
a
la
rasgadura
importante, que se nota en un valor sensiblemente menor a los demás (menos de la mitad). Su manejo implica un excesivo cuidado con
los
concentradores
de
esfuerzo
y
con
los
dobleces
involuntarios. En cuanto al límite a la cedencia, su valor es muy similar
al
del
polipropileno
perpendicular,
que
presentó
un
factor de seguridad cercano a 5.0 frente a los esfuerzos en el dirigible a radio control. El
termosellado
del
foil
de
aluminio
es
notablemente
más
confiable y de mejor acabado y aspecto que el termosellado con el 68
MIM-2000-I-07 polipropileno.
Este
punto
justifica
la
elección
del
foil
de
aluminio como material de construcción del dirigible, tomando las precauciones arriba expuestas.
4.6 PRUEBA DE PERMEABILIDAD DE LAS UNIONES AL HELIO Como se ha visto, es necesario implementar una prueba que permita seleccionar el mejor tipo de unión y el mejor material, sin necesidad
de
tener
un
equipo
sofisticado.
A
continuación
se
presenta una propuesta general de la prueba.
4.6.1.1 Alcance Esta prueba pretende evaluar la permeabilidad al helio de un material determinado y de las uniones utilizadas. Es recomendable que se tenga el dato previo de la permeabilidad del material sin uniones, para poder comparar el efecto de añadir y posiblemente deteriorar el material con juntas. Esta prueba también sirve para seleccionar el mejor tipo de unión en cuanto a permeabilidad al helio.
4.6.1.2 Especímenes de prueba La permeabilidad será medida con un pequeño globo formado por dos círculos unidos en su perímetro, que encierre gas de flotación. El
tamaño
realizadas. permitan
del Se
medir
globo propone la
será
el
mismo
en
también
hacer
varias
confiabilidad
todas
las
pruebas
mediciones
que
del resultado. El sistema de
válvula de cierre se procurará que sea autosellable.
69
MIM-2000-I-07 4.6.1.3 Condiciones Dado que se mide el cambio en la fuerza de sustentación durante un lapso de tiempo es importante mantener las condiciones de temperatura
y
presión
lo
más
constante
posible,
para
que
su
efecto en el resultado sea el mínimo. El globo será inflado a 8 kP (1,2 psig) presión que se encontró como presión interna de trabajo en los dirigibles.
4.6.1.4 Procedimiento Debe
medirse
el
cambio
de
la
fuerza
sustentadora
del
globo,
directamente relacionada con la cantidad de helio en el interior usando el principio de Arquímedes. La manera de medir el cambio en la sustentación se hace por medio de una cuerda larga y de densidad suficiente que cuelgue del globo. A medida que pase el tiempo su longitud será medida, relacionando la disminución de longitud con la pérdida de helio. En este punto es donde se advierte la importancia de mantener las condiciones de la prueba lo más estable posible. La
duración
de
la
prueba
se
anticipa
de
acuerdo
a
datos
experimentales de otras membranas, cercanos a (laminado de Mylar ® (DuPont), Dacron ® (DuPont) y Tedlar ® (DuPont) con Hytrel ® (DuPont) como adhesivo): Permeabilidad = 1,14 litros/(m2)(24h)(atm) Con lo cual, un globo de 0.5 metros de diámetro hecho con una membrana similar, inflada a 8 kPa
(0.08 atmósferas) el total
contenido de helio duraría en salir 914 días (si las uniones fuesen perfectas). La prueba durará lo suficiente para dar un resultado confiable.
70
MIM-2000-I-07 4.6.1.5 Resultados El
resultado
será
la
permeabilidad
al
helio
en
las
unidades
respectivas, especificando el tipo de unión y el grosor de la membrana. Así mismo se debe dar un coeficiente de pérdida de permeabilidad por causa de las uniones que será:
C perdida = La
Permeabilidad uniones Permeabilidad material
unión
que
posea
el
coeficiente
más
cercano
a
1
será
la
seleccionada.
4.7 CONCLUSIONES El material de la membrana debe, ante todo,
evitar las fugas de
helio. La resistencia a los esfuerzos durante el vuelo no son un factor
determinante
alternativas exigencias
para
contempladas
la
selección,
todos
los
pues
materiales
dentro
de
las
satisfacen
las
de resistencia. El mejor material será aquel que, por
sus características propias y comportamiento en la unión, sea confiable frente a las fugas. El foil de aluminio es la mejor
opción estudiada, presenta una
permeabilidad
su
máquina
de
tan
pruebas
pequeña
que
(C.I.T.E.C);
valor
además
indetectable
presenta
un
por
la
excelente
termosellado. El bajo nivel de esfuerzos que puede soportar están todavía por encima del nivel del dirigible a radio control. Para una aplicación de mayores exigencias se podría laminar con una capa de esfuerzo, tal como polipropileno. La
prueba
de
permeabilidad
se
dejará
para
un
futuro
en
especímenes pequeños. El procedimiento se seguirá en el dirigible ya construido, una vez verificadas y selladas todas las fugas.
71
MIM-2000-I-07
5. CONSTRUCCIÓN DE LA MEMBRANA: CORTE Y PEGADO
Este capitulo se centra en la selección del proceso adecuado para el corte, laminado y pegado de la membrana, de tal manera que sea impermeable al helio y resistente a los esfuerzos inherentes al funcionamiento del dirigible.
5.1 PROCESO DE CORTE El diseño del proceso de corte radica en el desarrollo geométrico que se plantee para la membrana. Los cortes y el orden de pegado deben ser tales que la calidad óptima de las uniones sea garantizable. En otras palabras, el proceso de ensamble debe facilitar el pegado, no pueden existir uniones complicadas, ni extremos ciegos. En todo momento debe tenerse en mente que la membrana es cerrada y aísla el helio, gas que por su tamaño molecular tiene una constante de difusión alta y tratará de escaparse por cualquier mala unión. En el capitulo pasado la geometría elegida para la membrana fue un elipsoide, cuyo desarrollo para ser armado es el siguiente:
71
MIM-2000-I-07
Figura 20.
Desarrollo del elipsoide
El corte de cada parte se hizo para un modelo pequeño de 70 cm de largo, mostrado en la foto 1 del Anexo 5: ”Material Fotográfico”. Durante el proceso de pegado se notó un alto nivel de complejidad por varios motivos (el pegado se realizó por termosellado del polipropileno): •
Numerosas partes que inciden en la complejidad de la unión. Entre mayor número de uniones haya, mayor es la probabilidad de encontrar una fuga causada por una junta defectuosa
•
Las partes del desarrollo tienen bordes curvos, que aumentan la complejidad del pegado, dado que no hay una estructura guía ni nada que facilite este tipo de uniones. La unión más sencilla es aquella donde se unen a tope dos laminas con bordes rectos, se puede realizar sobre un plano.
•
Los conos de punta y de cola requieren otro tipo de desarrollo aún más complejo y son los puntos críticos donde muy seguramente habrían fugas.
Por todas las razones expuestas, se determinó cambiar el desarrollo geométrico a uno más simple, donde los bordes de las laminas son rectos, el corte es sencillo y se 72
MIM-2000-I-07 disminuye el número de partes. En la siguiente figura se muestra el desarrollo resultante, junto con las partes extendidas para su pegado:
Figura 21. Desarrollo geométrico simplificado
Las nuevas dimensiones del dirigible fueron recalculadas, con la densidad por unidad de área del foil de aluminio y con base en la nueva geometría, pues el primer cálculo fue basándose en la geometría de un elipsoide. En las siguientes tablas se muestran las variables de entrada para los cálculos y los resultados del análisis, siendo R, H y D como se muestran en la figura superior. Se dan resultados para varias relaciones de esbeltez (longitud / diámetro):
VARIABLES AMBIENTALES Altura inicial de vuelo m (snm)
2600
Altura maxima de vuelo m (snm)
2800
73
MIM-2000-I-07 (snm) Temperatura inicial 'C
15
Temperatura de vuelo 'C
13.7
Presion atmosferica inicial kPa
74.53
Presion atmosferica vuelo kPa
72.74
VARIABLES FISICAS Densidad del helio kg/m3
0.125
Densidad del aire kg/m3
0.862
Densidad Membrana kg/m2
0.150
Masas kg Motores x2
0.5
Gondola
0.3
Servos x4
0.2
Baterias Receptor
0.1
Receptor
0.03
Combustible o Bateria
0.5
Carga Paga
0.37
Empuje Vertical Motores N
7
Tabla 19. Variables de entrada Medidas del dirigible R
D
m L/D
h
kg
kg
m3
m2
Longitud Fuerza de Carga Volumen Area superficial sustentacion He kg 2.2668 3.7780 4.3760 4.3753 4.9693 15.8350
0.7556
1.5112
2.5
0.7091
1.4182
3
2.8364
4.2546
4.5661 4.5658
5.2273
17.1053
0.6756
1.3512
3.5
3.3781
4.7293
4.7596 4.7594
5.4899
18.3957
0.6500
1.3000
4
3.9000
5.2000
4.9526 4.9523
5.7517
19.6822
0.6296
1.2592
4.5
4.4072
5.6664
5.1437 5.1435
6.0111
20.9567
0.6129
1.2258
5
4.9032
6.1290
5.3335 5.3330
6.2686
22.2200
0.5989
1.1978
5.5
5.3901
6.5879
5.5215 5.5205
6.5236
23.4702
Tabla 20. Variables de salida
Se elige una relación de 4 en esbeltez, desechando el 5.5 propuesto como ideal aerodinámico, debido a la necesidad de ahorrar gas; a mayor relación de esbeltez, se requiere más volumen para la misma carga (descontando el peso de la membrana). La densidad por unidad de área se toma 1.5 veces superior al valor medido (98 gr/m2), para introducir incrementos de peso por uniones y encintado. 74
MIM-2000-I-07
5.2 PROCESO DE UNIÓN El desarrollo geométrico de la membrana debe ser sencillo y la técnica
de
pegado
debe
facilitar
la
unión
durante
todo
el
proceso, principalmente al final, cuando se produce el cierre de la envoltura. En
capítulos
dirigibles
pasados
comerciales
se
expuso
modernos
la en
técnica las
usada
uniones.
por
los
Básicamente
recurrían a los adhesivos para unir laminados de películas de poliester. Con el laminado de polipropileno metalizado con Mylar® debe analizarse el uso de adhesivos. El primer paso es conocer las técnicas más difundidas para unir plásticos, luego comparar las alternativas para el laminado del dirigible para seleccionar la
mejor,
tanto
para el laminado como para la unión de las
partes.
5.2.1 Técnicas de unión y enlace para materiales plásticos [ref. 8]
5.2.1.1 Solventes y colas El solvente suaviza la superficie de un material termoplástico amorfo. La unión toma lugar con el cemento aplicado, luego de un tiempo
largo
de
evaporación
del
solvente
y
de
inicio
de
la
polimerización del adhesivo. Requiere además de una prensa para unir las partes. Como cemento se usan resinas especiales según el tipo de polímero. Para Polipropileno y Polietileno se usan los siguientes
solventes:
tricloroetileno,
etileno
diclorado,
cloroformo y metileno clorado. Puede verse que la mayoría de estos solventes y sus vapores son tóxicos y requieren personal capacitado para su aplicación. Son peligrosos y lentos, por lo
75
MIM-2000-I-07 que se relegan como alternativa secundaria para la membrana del dirigible.
5.2.1.2 Enlace térmico materiales termoplásticos •
Ultrasonido: Una fuente de sonido de alta frecuencia genera vibraciones en un elemento metálico, produciendo fricción en la zona de unión del material, fundiendo las partes justo para permitir el enlace. Los materiales que se soldan mejor con ultrasonido son: acetal, ABS, acrílicos, Nylon (® Dupont), PC (policarbonato), PS (poliestireno), SAN. Es también uno de los métodos recomendados por el ingeniero Rafael Paz (encargado del Mylar en Dupont Venezuela), para unir el Mylar (® Dupont) que es una película de poliester.
•
Termosoldado
con
pegar
calentadas
son
permitiendo
herramientas
que
calientes:
contra
haya
una
unión,
La
superficies
superficie
controlando
a
caliente,
la
presión,
temperatura y tiempo de exposición a la herramienta. Es una técnica muy rápida que requiere mordazas. No se recomienda para la membrana de Mylar, pero es el mecanismo ideal para la unión
de
la
membrana
de
polipropileno
laminado
con
polietileno(PE); uniendo por el lado del PE, que presenta una temperatura inferior a la del polipropileno. Igualmente para el foil de aluminio por el lado del polietileno. La unión con la
membrana
caliente
una
se
hace
plancha
actualmente casera,
que
usando ha
como
herramienta
presentado
una
buena
calidad de unión, más adelante se explica la técnica usada. Según ensayos realizados en el CITEC para la membrana de PPO laminado,
la
unión
de
mejor
apariencia
se
logra
bajo
las
siguientes condiciones:
76
MIM-2000-I-07 Presión entre mordazas Tiempo de unión
50 psi
3 segundos
Temperatura de mordazas •
325 ºF
Soldado con gas caliente: Las partes a soldar se unen usando aire o nitrógeno caliente disparado a través de una pistola. Requiere infraestructura especial, es lento.
•
Soldado por giro: las partes a soldar son llevada a alta velocidad de giro, generando fricción y calor en la parte de unión.
Es
aplicable
a
la
mayoría
de
los
termoplásticos
rígidos. •
Dieléctricos: Alto voltaje es aplicado a láminas y películas, generando
la
unión
por
fundición
de
los
materiales.
Esta
técnica es de uso generalizado en los vinilos. Requiere equipo especializado. •
Inducción: Un metal se introduce en la unión, se energiza con un campo electromagnético que genera calentamiento suficiente para unir las piezas. Presenta el inconveniente de dejar el metal dentro del plástico, por lo cual no es aplicable a dirigibles livianos.
5.2.1.3 Adhesivos •
Líquidos solventes, de base acuosa y anaerobios: Los adhesivos de
solventes
aplicaciones
y
base
desde
acuosa
presentan
laminación
hasta
una
amplia
uniones
gama
de
de
pares
específicos de plásticos diferentes. Se presentan en una y en dos partes (epoxy). Los de base acuosa son más económicos que los de solvente. Los anaerobios son un grupo de adhesivos que curan
en
ausencia
de
aire,
con
presiones
bajas
y
efecto
rápido, no sirven para unir ni PPO ni PE. La otra alternativa 77
MIM-2000-I-07 para unir la película de poliester, además del ultrasonido, es un adhesivo preferiblemente de base similar (en poliester). Para
la
película
adhesivo
con
de
base
PPO
de
laminado,
poliuretano
se
recomienda
(según
usar
recomendación
un del
ingeniero Miguel Prieto de DOW química). •
Hot Melts: Es un tipo de adhesivo sólido que al ser calentado se vuelve fluido y permite su aplicación. Es muy usado para usar
superficies
presentan
en
continuas.
forma
de
Es
de
películas
alto y
costo.
láminas,
También que
al
se ser
calentadas presentan el efecto adhesivo. •
Sensibles aplican
a
con
la
presión:
spray
para
Produce luego
enlaces
funcionar
poco con
fuertes.
acción
de
Se la
presión. Su campo de acción., dadas sus características, no abarca los dirigibles.
5.2.1.4 Técnicas usadas en la membrana del dirigible Para la membrana de PPO laminado con PE, se recomienda: Termosoldado con herramienta caliente, según las condiciones ya descritas de presión (50 psi), temperatura (325 ºF) y tiempo (3 seg.).
Se
experimentó
con
una plancha casera, protegiendo la
membrana de contacto directo con el metal a través de cinta de enmascarar. El resultado fue bueno, ya que la unión entre las dos capas de polietileno era mejor que la unión entre la película de Polipropileno y Polietileno. Al despegar la junta, primero se separaba el laminado que la unión termosoldada. Esto también deja al descubierto una débil unión interna del laminado. El manual de plásticos [ref. 8] recomienda los siguientes tipos de
unión
para
Polipropileno
y
Polietileno
cuando
se
usan
78
MIM-2000-I-07 adhesivos:
uniones
epóxicas,
resinas
polivinil-fenol
butiral,
algunos cauchos. Para el foil de aluminio, la unión resultante luego de aplicar la fuente de calor casera, es de buena calidad. A diferencia del laminado de polipropileno, el laminado no se despega
al romper
la unión, sino que se rompe el material cercano a la unión. La conclusión es que el nivel de esfuerzos para inducir falla en la unión es superior al de la membrana. Si hay falla se presentará en el material y no en Algunas
sugerencias
adhesivos,
fueron:
la unión.
de de
los 3M,
proveedores
locales,
en
cuanto
a
ingeniero Omar Arias, no recomendó
producto alguno para la aplicación de sellado de la membrana. Los adhesivos con base poliuretano no son fabricados por 3M, pues aunque no son tóxicos, el proceso de fabricación si lo es y esto va
en
contra
de la política de la empresa. En otra empresa
contactada,
Sika
Andina,
que
poliuretano
(ref.
SikaFlex
®),
fabrica el
sellantes
ingeniero
en
Ricardo
base
a
Quintero
afirmó que los productos en base a poliuretano no son adecuados para al aplicación de sellado de una membrana flexible, pues se resiniza la pieza, volviéndose dura y frágil la unión, restando adhesividad necesaria y con el menor movimiento de la unión se rompería. Para la membrana de poliester Mylar (® Dupont), ser recomienda ultrasonido plásticos
y
adhesivos
recomienda
para
en
base
a
poliester
poliester. los
El
siguientes
manual
de
adhesivos:
uniones epóxicas, nitrilos (elastómeros), resinas polivinil-fenol butiral, y resinas en base de poliester. La unión de la película de poliester no se puede hacer con calor, se investigó un
método
usando un adhesivo de resina de PVA suministrado por Pegaline
79
MIM-2000-I-07 Ltda. usada en la unión de etiquetas de papel a los envases de PET (poliester), para lo cual habría que utilizar un material intermedio de ‘‘substrato’’ como papel. Un buen complemento para la unión es el encintado superior, como se tratará más adelante. Finalmente
para
el
termosellado
se
construyó
una
herramienta
usando un cautín de soldadura eléctrica como base. En la punta se le acopló una pieza cilíndrica de aluminio para distribuir el calor en la superficie del material. Se realizaron pruebas con otras configuraciones en la punta, tal como se aprecia en la foto 9, anexo 5. El proceso de termosellado se muestra en la foto 10, anexo 5.
5.3 SELECCIÓN DE LA MEJOR UNIÓN TERMOSOLDADA La
técnica
de
unión
seleccionada
para
la
membrana
es
el
termosellado con herramienta caliente (foto 10, anexo5). Bajo esta determinación hay varias maneras geométricas de unir dos laminas de material, usando una herramienta continua como: la plancha casera, mordazas cilíndricas rotativas, etc. Se determino emplear dos configuraciones: unión en T y unión a tope usando material adicional de substrato. Para conocer el dato confiable de falla en la unión se decidió trabajar con el polipropileno metalizado laminado con polietileno, pues en él falla primero la unión y luego el material, contrario al foil de aluminio. En la foto 8, anexo 5, se pueden ver las diferencias entre los dos tipos de unión, pues se muestran las dos probetas usadas para determinar la resistencia de cada tipo de
junta.
80
MIM-2000-I-07 La comparación entre los dos tipos de unión involucra la presión interna que soporta y la facilidad de construcción.
5.3.1 Esfuerzos en la membrana según la presión interna En capítulos anteriores fueron desarrolladas las expresiones que relacionan los esfuerzos en sentido longitudinal con la presión interna, con la restricción de evitar deformaciones en la parte superior de la membrana por efecto de la carga. Estas expresiones determinaban la presión interna mínima que requería el dirigible así:
σ L, Pi − σ L ,Flexion ≥ 0 Pi * r Mx * r − ≥0 2 * t π * r3 * t La
solución
a
esta
restricción
implica
despejar
el
límite
inferior para la presión de llenado. El resultado es:
Pi ≥
2 * Mx π * r3
Siendo M el momento flector de la distribución de la fuerza de flotación a lo largo del eje longitudinal. El valor de esta presión encontrado de esta manera es, para el prototipo a radio control, de Pi > 95.96 Pa Se definió la presión interna de trabajo similar a la de los dirigibles de mayor tamaño, para garantizar la indeformabilidad del dirigible, en 8 kPa (1.2 psig). Ahora se pretende obtener la presión máxima de trabajo, el límite superior dado por la resistencia del material o de las uniones, lo que primero falle. El análisis de las uniones es importante, para evitar fallas catastróficas, en especial con la junta en T, 81
MIM-2000-I-07 que resiste mucho menos que el material. La geometría de las uniones en el dirigible es longitudinal, es decir, a lo largo del eje mayor del elipsoide. La expresión del esfuerzo perpendicular a la unión será la misma del esfuerzo transversal:
Pi * Area t * perimetro σ T ,Pi * t * perimetro Pi = Area
σ T , Pi =
Que se traduce en la siguiente expresión al tener en cuenta una geometría de elipse para el dirigible:
σ T , Pi =
Pi * b * (a1 + a 2 ) t * (a1 + a 2 + 2b + 2t )
Siendo a1 + a2 el eje mayor del elipsoide y b el eje menor (corresponde a la mitad del diámetro mayor del dirigible), t es el grosor de la membrana. Este es el esfuerzo límite. Despejando la presión interna, se tiene que:
Pi =
t * ( a1 + a2 + 2b + 2t ) * σ T , Pi b * ( a1 + a 2 )
El dato desconocido es el esfuerzo transversal σT,
Pi
que depende
del tipo de unión. Para encontrarlo se realizaron pruebas de tensión en el CITEC con cuatro configuraciones diferentes: Junta en T con longitud de pestaña de ½’’ Junta en T con longitud de pestaña de 1’’ Junta a tope con material de substrato, paralelo a la extrusión Junta a tope con material de substrato, perpendicular a la extrusión Adicionalmente, para corroborar la teoría se realizó una prueba de explosión de dos prototipos, midiendo la presión interna. El dirigible probeta usado se muestra en la foto
82
MIM-2000-I-07 2, anexo 5. La configuración para la medición de presión de estallido se muestra en la foto 3, anexo 5.
5.3.2 Prueba de tensión de las uniones La prueba fue diseñada con el propósito de obtener el σT,
Pi
de las
cuatro uniones descritas, usando el mismo procedimiento de prueba de tensión ASTM 882, pero modificando la velocidad de la prueba. Las probetas usadas se muestran en la foto 8, anexo 5.
El
conocimiento previo no experimental de la prueba indicaba que la unión en T fallaría a un nivel de esfuerzos muy inferior a la unión a tope. Los resultados fueron los siguientes.
5.3.2.1 Junta en T con longitud de pestaña de ½” Los resultados se exponen en la siguiente tabla: 6-Mar-00
Fecha Nombre Prueba
Tension junta en T. Longitud de la pestaña ½"
ASTM
D 882-81 modificada
Material
Polipropileno orientado, con capa de polietileno y capa metalizada
Fabricante
Karpak
Condiciones
Valor
Unidad
Humedad
50%
Temperatura Tipo prueba
23 C Tension
Velocidad prueba
51 mm/min
Velocidad muestreo
puntos/s
Numero de probetas
5 un
Separacion mordazas
2 in
Area seccion transv.
8.387E-07 m2
Dimension probeta
5 X 1/2
in
Probeta
Carga maxima carga
a Deformacion maxima carga
N
a Modulo tensil
MPa
MPa
Sct fuera union Mpa
Pestaña ½ "
0.005
0.05300
148.222
6.27
Pestaña ½ "
0.007
0.083
160.666
8.43
83
MIM-2000-I-07 Pestaña ½ "
0.005
0.064
181.322
6.28
Pestaña ½ "
0.005
0.101
187.890
6.53
Pestaña ½ "
0.006
0.101
176.202
6.84
Promedio
0.006
0.080
170.860
6.870
Desviacion estandar
0.001
0.022
16.159
0.903
Tabla 21. Unión pestaña ½’’, junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
Los resultados se ven en la gráfica: Prueba tension: Esfuerzo - deformacion JUNTA EN T LONGITUD DE PESTAÑA ½" Esfuerzo de tension en MPa
9 Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
Porcentaje de deformacion %
Figura 22. Unión pestaña ½’’, junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
El punto de interés es el Sct, donde se comienza a despegar al unión en T, que en el caso del dirigible sería el inicio de la falla
catastrófica
por
sobrepresión
de llenado. Luego que se
alcanza el esfuerzo de cedencia, la película de polietileno es la que soporta el esfuerzo, pero ya se ha separado la unión y es totalmente inútil.
5.3.2.2 Junta en T con longitud de pestaña de 1” La prueba es totalmente igual a la anterior, tan solo difiere en la extensión de la pestaña de la unión
T. En primera instancia 84
MIM-2000-I-07 se
esperaría
una
resistencia
mayor
a
la
tensión,
pero
el
resultado es totalmente opuesto. Los resultados se exponen en la siguiente tabla: Probeta
Carga maxima carga
a Deformacion maxima carga
N
a Modulo tensil
mm/mm x100%
MPa
Sct en pared fuera de la union Mpa
Pestaña 1"
3.770
4.60%
167.433
4.4950
Pestaña 1"
3.560
6.78%
197.385
4.2446
Pestaña 1"
3.510
6.19%
280.473
4.1850
Pestaña 1"
5.380
12.30%
153.352
6.4146
Pestaña 1"
3.150
5.27%
270.115
3.7558
Promedio
3.874
7.027%
213.752
4.619
Desviacion estandar
0.871
0.031
58.502
1.038
Tabla 22. Unión pestaña 1’’, junta T: Prueba de Tensión ASTM 882 En
la
siguiente
gráfica
se
ve
el
comportamiento,
un
poco
diferente del experimento anterior, especialmente en la magnitud del esfuerzo. Prueba tension: Grafico esfuerzo - deformacion JUNTA TIPO T - LONGITUD DE PESTAÑA 1" Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
Esfuerzo tension en Mpa
7 6 5 4 3 2 1 0 0%
10%
20%
30%
40%
50%
Porcentaje de deformacion %
Figura 23. Unión pestaña 1’’, junta T: Prueba de Tensión ASTM 882
5.3.2.3 Comparación de los dos experimentos de junta tipo T La manera correcta de conocer si es significativa la diferencia entre las medias de los dos experimentos es a través de una prueba t de comparación. En la siguiente tabla se muestra el análisis:
85
MIM-2000-I-07 Prueba t suponiendo igualdad de varianzas α = 0.05 Pestaña ½"
Pestaña 1"
Media
6.870
4.619
Varinanza
0.815
1.078
5
5
Observaciones Varianza comun
0.947
Diferencia hipotetica
0
grados libertad
8
t0
3.658
P(T<=t) una cola
0.003
t Critica una cola
1.860
P(T<=t) dos colas
0.006
t Critica dos colas
2.306
Tabla 23. Prueba T de comparación de
medias
Dado que t0 > t critico, en los dos casos (una cola y dos colas), puede afirmarse que hay diferencia significativa entre los dos tratamientos y que el esfuerzo medio de la pestaña de ½’’ es significativamente mayor al de 1’’, con una confiabilidad del 95%. En conclusión, si se va a emplear este método de unión , debe usarse la pestaña de ½’’ de longitud.
5.3.2.4 Junta a tope con material de substrato, paralelo a la extrusión Los resultados de este experimento se muestran en la siguiente tabla: Probeta
Carga a Deformacion maxima carga maxima carga N mm/mm x100%
a Modulo tensil MPa
Mpa
Junta a tope paralelo
56.392
107.06%
Junta a tope paralelo
57.417
107.65%
656.32
68.4590
Junta a tope paralelo
74.008
134.43%
1,535.97
88.2400
Junta a tope paralelo
62.732
106.66%
989.56
74.7960
Junta a tope paralelo
65.406
85.67%
838.44
77.9840
Promedio
63.191
108.293%
1120.889
75.343
7.101
0.173
418.259
8.466
Desviación estándar
1,584.16
Sct en pared
67.2370
Tabla 24. Unión a tope (paralelo laminado): Prueba de Tensión ASTM 882
86
MIM-2000-I-07 El punto donde falla la unión no es el de cedencia, a diferencia del
anterior.
Por
esta
razón
el
esfuerzo
es
mayor
que
el
calculado anteriormente como punto de cedencia del material. En la gráfica se muestra el comportamiento de las probetas:
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
160%
150%
140%
130%
120%
110%
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
0%
Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5 10%
Esfuerzo tension MPa
Prueba tension: grafico esfuerzo deformacion UNION TOPE SENTIDO EXTRUSION
Porcentaje deformacion %
Figura 24. Unión a tope
(paralelo laminado): Prueba de Tensión ASTM 882
Para una verdadera comparación con el material debe ser comparado con el esfuerzo último, en el caso de esta orientación es de 39.857 MPa, mucho menor de lo que soporta la probeta con unión a tope. Es una buena unión. Este
experimento
pone
de
manifiesto
un
hecho
importante,
el
sentido de la extrusión es perpendicular a la orientación del polipropileno, dado su comportamiento.
5.3.2.5 Junta a tope con substrato, perpendicular al laminado Los resultados se resumen en la siguiente tabla: Probeta
Carga a maxima Deformacion carga maxima carga N mm/mm x100%
a Modulo tensil MPa
Sct pared Mpa
en
Junta a tope paralelo
109.409
19.72%
2,617.14
130.4490
Junta a tope paralelo
110.568
23.08%
1,228.86
131.8310
Junta a tope paralelo
94.847
16.90%
1,913.37
113.0870
Junta a tope paralelo
81.874
13.47%
2,415.36
97.6190
Junta a tope paralelo
106.434
22.33%
1,080.12
126.9020
Promedio
100.626
19.101%
1850.969
119.978
12.194
0.040
687.512
14.539
Desviacion estandar
87
MIM-2000-I-07
Tabla 25. Unión a tope (perpendicular laminado): Prueba de Tensión ASTM 882
En este caso, la mayoría de probetas fallaron por el material, soportando la unión mayor esfuerzo que el resto de la probeta. El comportamiento se ve en la siguiente gráfica: Prueba de tension: grafica esfuerzo deformacion JUNTA TOPE PERPENDICULAR A LA EXTRUSION
Esfuerzo tension MPa
140 120 100 80 Carga probeta 1 Carga probeta 2 Carga probeta 3 Carga probeta 4 Carga probeta 5
60 40 20 0 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Porcentaje deformacion %
Figura 25. Unión a tope (perpendicular laminado): Prueba de Tensión ASTM 882
En esta prueba, que soporta mayor carga que la anterior, se nota que
la
dirección
de
laminado
(en
este
caso
paralelo
a
las
probetas) es perpendicular a la orientación del polipropileno. El polipropileno es entonces paralelo a las probetas, razón por la cual soporta mayor nivel de carga en tensión. Los pequeños baches que se observan son causados por el despegue de la cinta de enmascarar usada para evitar degradaciones con el calor en el termosellado, que no es retirada, buscando conservar las mismas características que tendría en el dirigible real; dado que en el proceso de construcción del prototipo a tamaño real no
88
MIM-2000-I-07 se piensa retirar la cinta adhesiva, pues generaría esfuerzos no deseados en la unión.
5.3.3 Prueba de explosión Los resultados anteriores deben ser confrontados con la operación de un dirigible, en cuanto a esfuerzos en la membrana por presión interna.
Para
esto
se
plantean
algunas
pruebas
con
pequeños
prototipos, que han sido ensamblados para ser sometidos a falla catastrófica
por
explosión.
La
geometría
de
la
‘‘probeta
-
dirigible’’ es similar al nuevo desarrollo geométrico, es decir un cilindro con
dos conos en las puntas.
Se realizaron dos prototipos sencillos con la unión tipo T de ½’’ de longitud de pestaña. Las medidas de las probetas - dirigible son las siguientes: Probeta 1 Area (al cortar) = (11.5 * 8.5) + 8.52 in2 2 0.10968 m Perímetro = 61.0131 in = Presión de falla de la unión = 52 mmHg
= 170 in2
=
1.55 m = 6932.765 Pa
Probeta 2 Area (al cortar) = (10.5 * 8) + 82 in2 = 148 in2 = 0.0955 2 m Perímetro = 66.777 in = 1.4421 m Presión de falla de la unión = 60 mmHg = 7999.344 Pa Los resultados se extrapolan
para un dirigible a radio control
de forma elíptica, cuyas uniones son igualmente con pestaña en T. Para
el
dirigible
a
radio
control
se
tienen
las
siguientes
medidas: a1+a2 = b =
6.82 m 0.62 m
Para los tres casos el grosor de la membrana es: t
=
26 mils
=
0.06604 mm
89
MIM-2000-I-07 En la siguiente tabla se relacionan los resultados obtenidos en las pruebas, para estimar la máxima presión permisible en el dirigible con el tipo T de unión: Descripcion
Probeta 1
Probeta 2
Dirigible
a1+a2 en mts
6.82
b en mts
0.62
t en mm
0.06604
0.06604
Area en m²
0.10968
0.0955
1.55
1.4421
6.870
6.870
6.870 864.83
Perimetro en m Sct limite para union T con ½" pestaña en MPa Pi limite segun teoria en Pa Pi limite segun experimento en Pa Factor experimento/calculo
6411.62
6851.029
6932.765
7999.344
1.08
1.17
Pi estimada dirigible en Pa
0.06604
1.12 972.453
Tabla 25. Resultados pruebas de explosión
La presión supuesta para el dirigible en psi es de 0.141 psi. Es una
presión
muy
baja,
que
difícilmente
da
la
forma
una
vez
colocada la góndola, teniendo en cuenta singularidades como la catenaria que acopla la góndola con la membrana. Es necesario otro tipo de unión con mayor resistencia: la unión a tope.
5.3.4 Conclusiones sobre el tipo de unión de la membrana Todas
las
pruebas
revelan
un
mensaje
claro,
es
preferible
aumentar la complejidad de la unión, para reforzar las paredes de la membrana. Se selecciona el tipo de unión a tope, que usa una tira
de
material
de
soporte,
mediante
termosellado.
En
la
siguiente tabla se consolidan los datos, para notar la magnitud de la diferencia entre los tipos de unión: Probeta Junta en T pestaña ½" Junta en T pestaña 1" Junta a tope paralela Junta a tope perpendicular
Resitencia ultima Sut [Mpa] 6.87 4.62 75.34 119.98
90
MIM-2000-I-07
Tabla 26. Consolidado de datos tipo unión
5.4 PASOS DE UNIÓN DEL DIRIGIBLE El diseño de los pasos de pegado de las partes es el punto central
de
todo
este
capítulo,
dado
que
involucró
un
gran
esfuerzo mental del autor. Cada paso fue planeado con el objetivo de evitar al máximo las fugas de gas. El material usado es foil de aluminio laminado con polietileno. El material de las cintas de unión es el mismo de la membrana. Fue necesario idear una herramienta para el termosellado que se adecuara
a
las
termoselladoras
necesidades, no
permitían
dado el
que
manejo
la de
mayoría laminas
de de
las estas
dimensiones. La herramienta ideada debía ser portátil, liviana, con generación de calor, con distribución del calor en la zona de termosellado y cautín
económica. La solución fue encontrada al unir un
(resistencia
electrónicos)
para
puntos
de
soldadura
en
circuitos
a una punta de aluminio debidamente maquinada,
para la distribución de calor, tal como se muestra en la foto 9, anexo 5. Los pasos del pegado son:
5.4.1.1 Primero: Corte de las tiras Tal como se dedujo anteriormente, el mejor tipo de unión es aquel donde hay una tira de material que une dos laminas colocadas a tope. Deben entonces cortarse las tiras respectivas a cada unión, como se ve en la figura:
91
MIM-2000-I-07
Figura 26. Primer paso: Unión tiras
5.4.1.2 Segundo: Unión a tope de las partes centrales Una vez están listas las tiras se procede a pegar las secciones centrales
rectas,
cuya
longitud
corresponde
al
diámetro
del
dirigible. En la unión a tope de las tiras centrales debe tenerse en cuenta cada intersección de tiras, pues una vez aplicado el calor, ya pierde la capacidad de adhesión. Sólo se puede pegar una vez. En la figura se aprecia la disposición de las partes centrales:
Figura 27. Segundo paso: Unión partes centrales
5.4.1.3 Tercero: Unión de la cola y la nariz La unión de la punta y la nariz al cuerpo central del dirigible debe hacerse de manera descentrada, para evitar que la costura
92
MIM-2000-I-07 central coincida con la costura de las puntas. Se realizó un experimento donde se notó que al estar alineadas las dos costuras era común una fuga en la intersección; se evita esto desalineando las costuras. Esto se aprecia en la siguiente figura:
Figura 28. Tercer paso: Unión puntas En la foto 14, anexo 5 se puede ver el material extendido previo al cerrado.
5.4.1.4 Cuarto: Cierre de las puntas El cierre de las puntas es delicado. La tira que une cada punta debe ser continua, para que no haya fugas, además no es posible realizar la unión sobre una superficie plana, por lo cual se requiere doblar por la mitad la tira e introducir una tabla de separación que además ayuda como plano de apoyo. En cada vértice se realiza un doblez de la tira. Adicionalmente se deja una pestaña, para asegurar cero fugas; la función de esta pestaña no es estructural (pues ya se demostró que este tipo de unión es débil) sino de refuerzo contra fugas de Helio. En la figura se ve la tira de las punta doblada de acuerdo a la forma, esta es la manera como deben quedar la cola y la nariz:
93
MIM-2000-I-07
Figura 29. Cuarto paso: Cierre de las puntas
5.4.1.5 Quinto: Cierre de la costura central La costura central es la última costura del dirigible. Requiere una tabla como plano de apoyo interno. Dado que es el cierre de la membrana, debe dejarse interna e indefinidamente un trozo de tabla que será el apoyo de la costura final. En la figura está el dirigible cerrado con todas las uniones selladas por medio de las tiras de material:
Figura 30. Quinto paso: Cierre de la costura central
Debe tenerse en cuenta la colocación previa de las válvulas, antes de cerrar el dirigible. Son dos válvulas, una de llenado y la otra para medición de presión interna y para vaciado del aire luego de la verificación de fugas. En la foto 16, anexo 5, se ve el último cierre, con un detalle de las cintas de unión en la 94
MIM-2000-I-07 foto 17. Debajo de cada unión se colocó un cartón como aislante, para mejorar la calidad de la unión y para evitar que se pegaran las dos paredes del dirigible al aplicar calor.
5.4.1.6 Sexto: Refuerzo con cinta 3M Highland® (6969) en las uniones Como
refuerzo
adicional
contra
las
fugas
en
las
uniones,
se
dispone de una cinta adhesiva para cada unión, pegada a la capa externa del laminado. La cinta utilizada
es una cinta de tela
recubierta con polietileno plateado para el sellamiento de ductos y protector de humedad. Su información técnica está consignada en el anexo 7: Ficha Técnica Cinta Refuerzo. En la foto 19, anexo 5, se muestra el proceso de encintado. En
la
siguiente
figura
se
muestra
un
esquema
de
la
unión
resultante:
Figura 31. Esquema unión definitiva con foil de aluminio
5.5 CONCLUSIONES El
diseño
hermeticidad
del de
proceso la
ha
membrana
tratado frente
de a
asegurar las
fugas
la de
completa gas
de 95
MIM-2000-I-07 flotación. La no presencia de fugas es el principal parámetro de diseño en un dirigible. Tanto el corte como el pegado, además de tener en cuenta uniones fuertes, se han cerciorado de evitar posibles fugas. El tipo de unión usado, a tope, presenta mayor resistencia que la pestaña en T. En empaques de productos alimenticios se usa la unión a pestaña, pues permite un pegado en serie con mordazas rotativas y además garantiza que la apertura del paquete será por la unión y no por el material de envoltura. Se recomienda hacer un prueba DSS ó de temperatura diferencial, en la membrana de foil de aluminio, para determinar exactamente que tipo de recubrimiento tiene en la parte externa (en la parte interna es polietileno para el termosellado). Aparentemente es un recubrimiento
de
poliester.
Según
el
resultado
se
puede
determinar que tipo de adhesivo epóxico se puede utilizar, para mejorar la operación de pegado y sellado.
96
MIM-2000-I-07
6. CONSTRUCCIÓN DE LA MEMBRANA: LLENADO FINAL
El presente capitulo muestra el proceso, posterior al corte, para llegar al llenado definitivo del dirigible con Helio. Para que el llenado definitivo sea exitoso hay que hacer algunos prototipos donde
se
capítulo
verifique se
que
muestran,
el
proceso
además
del
es
el
adecuado.
dirigible,
los
En
este
prototipos
previos al definitivo, que fueron llenados con aire.
6.1 PROTOTIPOS PREVIOS Se realizaron tres prototipos de aproximadamente 1 m3 cada uno, buscando evaluar el proceso de corte y pegado. El material del primer prototipo fue el laminado de polipropileno metalizado con Mylar® DuPont. El material del segundo prototipo fue el laminado de foil de aluminio al igual que el tercero. En los tres se usó encintado posterior usando 3M Highland®. En el anexo 5, Material Fotográfico, se muestran imágenes de los tres prototipos.
6.1.1 Primer prototipo: laminado de Polipropileno con Mylar® DuPont El
material
empleado
es
laminado
con
capa
de
esfuerzos
de
polipropileno metalizado (Carpak) y capa de retención de Helio de 96
MIM-2000-I-07 Mylar® (DuPont). Su construcción se muestra en la foto 11, anexo5 ‘‘Material Fotográfico’’, y el prototipo terminado se ve en la foto 12, anexo 5. El proceso de fabricación de este pequeño globo fue el siguiente: •
Laminado
del
polipropileno
metalizado,
suministrado
por
Carpak, con el Mylar® DuPont usando Boxer®. •
3 Corte de las piezas, para un volumen de 1 m aproximadamente.
•
Corte
de
las
cintas
de
unión
interna
en
polipropileno
metalizado. •
Uniones
termoselladas
usando
el
lado
con
polietileno
como
material de junta. •
Encintado con 3M Highland®.
•
Inflado con aire.
•
Evaluación de fugas usando agua jabonosa.
6.1.1.1 Resultado Aunque el material presentó buenas propiedades mecánicas y de permeabilidad, mejoradas por el proceso de laminación, el sello de la unión termosoldada no era muy confiable. Presentó varias fugas, especialmente por desprendimiento de la cinta interna, lo que permitía una salida de aire. Una vez corregidas las fugas, debido al proceso de inflado y desinflado, se presentaban nuevos escapes. No fue posible formar una membrana confiable para ser llenada con Helio.
6.1.2 Segundo prototipo: foil de aluminio laminado El
material
empleado
es
foil
de
aluminio
laminado,
con
polietileno como material de junta termosoldada. El proceso de 3 fabricación de este pequeño globo de 1 m fue el siguiente:
97
MIM-2000-I-07 •
3
aproximadamente.
Corte de las piezas, para un volumen de 1 m
El corte se realizó sobre medidas en el material. •
Corte de las cintas de unión interna en foil de aluminio.
•
Uniones
termoselladas
usando
el
lado
con
polietileno
como
material de junta. Este paso quedó inconcluso.
6.1.2.1 Resultado No se pudo concluir el proceso de pegado. Las tolerancias en las medidas fueron muy grandes lo que conllevó a que el cierre no fuera posible pues las piezas no encajaban. La lección de este prototipo fue que para dos piezas que encajan y que una es imagen especular de la otra, es necesario hacer el corte por ‘‘calcado’’ de una pieza sobre la otra. La medición, usando métodos caseros como regla, metro y transportador, permite unas tolerancias que son inaceptables en el proceso. El corte debe ser exacto.
6.1.3 Tercer prototipo: foil de aluminio laminado El
material
empleado
es
foil
de
aluminio
laminado,
con
polietileno como material de junta termosoldada. El prototipo se muestra en la foto 13, anexo 5. El proceso de fabricación de este pequeño globo de 1 m3 fue el siguiente: •
3
Corte de las piezas, para un volumen de 1 m
aproximadamente.
El corte se realizó sobre medidas en el material. •
Corte de las cintas de unión interna en foil de aluminio.
•
Uniones
termoselladas
usando
el
lado
con
polietileno
como
material de junta.
98
MIM-2000-I-07 •
Encintado parcial con 3M Highland®. Sólo se realizó en las zonas consideras como críticas, por ejemplo en la unión de tres o más partes al tiempo.
•
Inflado con aire.
•
Evaluación de fugas usando agua jabonosa.
6.1.3.1 Resultado El foil de aluminio presenta definitivamente la mejor calidad de unión. Una vez inflado permaneció con la presión durante mayor tiempo. Las primeras fugas que se presentaron fue por errores sutiles de construcción, principalmente falta de continuidad en las cintas internas. Posteriormente se presentaron fugas como consecuencia de no haber encintado todas las uniones desde el principio; también hubo una fuga por maltrato del material contra el suelo abrasivo. Como conclusión de este tercer prototipo se plantea
la
necesidad
de
encintar
todas
las
uniones
antes
de
inflar el dirigible, así como la importancia de la continuidad en las cintas internas y por último el buen trato del material, especialmente cuando descansa en el suelo.
6.2 CONSTRUCCION DE LA MEMBRANA DEFINITIVA El material finalmente usado es foil de aluminio laminado con polietileno.
El
proceso
de
construcción se realizó según los
parámetros descritos en capítulos pasados. Se presentaron dos puntos no considerados con anterioridad: •
El gran área de construcción necesaria para extender todo el material, aproximadamente de 5 mts. x 4 mts., no permite un ensamblaje casero. 99
MIM-2000-I-07 •
El
transporte
del
dirigible
terminado
es
imposible
en
vehículos terrestres. Por estas razones se debe construir el dirigible en el mismo sitio de inflado con helio, en un sitio con un área considerable, para
el
ensamblaje
final.
Se
optó
por
construirlo
en
las
instalaciones del C.I.T.E.C. Los principales pasos de construcción se ilustran en el anexo 5, Material Fotográfico, así: •
Foto 14: Despliegue del material antes del cerrado.
•
Foto 15: Detalle de las puntas, donde se aprecian las cintas de unión.
•
Foto 16: Cerrado de las partes, usando cartón interior como aislante.
•
Foto 17: Detalle de la disposición de las cintas en el cerrado de las partes, donde se referencia con un metro de medida.
•
Foto 18: Válvula de helio.
•
Foto 19: Proceso de encintado luego del cierre total.
•
Foto 20: Dirigible antes del inflado.
•
Foto 21: Dirigible lleno con aire para estudio de fugas con agua jabonosa, vista frontal.
•
Foto 22: Dirigible inflado con aire, vista lateral.
•
Foto 23: Dirigible inflado con aire, vista general.
6.3 LLENADO El
conjunto
para
llenado
del
helio
consta
de
las
siguientes
partes: •
3 Cilindro a 2000 psi, que contiene 6 m de helio
100
MIM-2000-I-07 •
Regulador CGA 380 para gases inertes. Presión de entrada de 2000 psi y de salida de 40 psi.
•
Conjunto válvula dispensadora con manguera, del mismo tipo del empleado
para
manejo
de
aire
comprimido
en
estaciones
de
servicio, es adecuado para helio y económico (según concepto del ingeniero Juan Castilla de AGA Fano S.A. -ref.9-) •
Válvula del dirigible
•
Sistema de control de presión interna de la membrana
La válvula de helio representa un punto crítico para la membrana. Es un punto de posibles fugas, debe soportar la presión interna y debe
ser
liviana.
Según
recomendación
del
ingeniero
Juan
Castilla, con experiencia en el manejo de helio en la empresa AGA Fano
S.A.,
una
buena
solución
es
la
válvula
usada
por
los
neumáticos de automóviles. En la foto 18, anexo 5 se muestra la válvula usada. Entre los prototipos que se realizaron, se emplearon dos tipos de válvulas, la de neumático de bicicleta y la de moto. La presión de operación de estas dos válvulas es bastante superior a la de trabajo en el dirigible, establecida en principio para mantener la forma, sin presentar dobleces en la parte superior. Se presentaron problemas serios de fuga de aire en la válvula de bicicleta, pues la presión interna no alcanzaba a realizar el autosellado, es decir, no accionaba el mecanismo de selle. En la válvula de moto, las fugas son mínimas, dado que el sellado se da por un resorte y no por acción de la presión interna. Se
recomienda
para
la
aplicación
final
el
uso
de
productos
especializados de sellamiento para gas, fabricados por la empresa de adhesivos Loctite.
101
MIM-2000-I-07 La
unión
de
la
aprisionamiento
membrana de
la
con
la
película
válvula
entre
dos
se
realiza
arandelas,
con que
el van
atornilladas a la válvula. Entre las arandelas y la membrana hay empaques de caucho. También para esta parte se recomienda el uso de productos químicos para sellamiento. En
la
construcción
de
los
cuatro
prototipos
se
notó
la
importancia del adecuado control de la presión interna durante el llenado de la membrana. Una excesiva presión puede provocar falla explosiva y una presión baja permite deformaciones. Por ello la membrana del dirigible debe tener dos válvulas, una para llenado con
y posterior sellamiento, y otra para el control de presión.
La presión no se puede medir usando la misma válvula de llenado, dado que el gas sale del regulador a 40 psi y la presión interna del dirigible es del orden de 1 psi (hay un proceso de expansión del gas dentro de la membrana durante el llenado). Para
efecto
manómetro
de
de
pruebas
mercurio
en
de U;
laboratorio pero
para
es
suficiente
el
prototipo
con a
un
radio
control es necesario un medidor de presión que pueda ser elevado y
sea
parte
integral
de
la
membrana.
El
medidor
de
presión
electrónico Motorola MPX12DP con un rango entre 1 y 1.5 psi es liviano y de funcionamiento sencillo. Tiene una membrana interna que detecta diferencia de presión entre los dos lados de la membrana. Una salida va al medio ambiente y la otra al interior del
dirigible.
diferencia
de
La
deformación
potencial
de
eléctrico
la que
membrana puede
ser
genera medido
una y
traducido a una diferencia de presión. En el anexo 3 se muestra un folleto del fabricante sobre este transductor de presión.
102
MIM-2000-I-07
6.4 COMENTARIOS DEL LLENADO DE LA MEMBRANA Una vez el dirigible está lleno con aire, se debe realizar el estudio de fugas. Se dejó inflado por tres días, encontrándose la necesidad de revisar a temperatura estable la presencia de fugas. La temperatura juega un papel fundamental, pues si uno de los parámetros de determinación de fugas es la perdida de tensión superficial de la membrana (reflejado en pequeñas deformaciones y arrugas) debe aislarse el efecto de la temperatura exterior. Con un
leve
calentamiento
por
radiación
solar,
la
membrana
se
tensionaba de manera significativa.
6.5 ACOPLE FINAL DEL DIRIGIBLE Una vez finalizada la membrana, sólo resta unir esta con la góndola, la cual contiene el receptor, las baterías y los motores. La góndola fue el resultado de un proyecto de grado conjunto, realizado por José Andrés Cabrera, estudiante de pregrado. En la foto 24, anexo 5, se muestra la góndola con todos sus componentes descritos más adelante.
6.6 BREVE DESCRIPCIÓN DE LA GÓNDOLA La góndola consta de dos motores eléctricos encargados de dar propulsión, sustentación y dirección. Se eligieron los motores eléctricos por encima de los de combustión interna principalmente porque el uso de los motores permite un control preciso del empuje usando los controladores de velocidad modernos. Aunque el motor
de
combustión
interna
ofrece
mejor
relación
peso
-
103
MIM-2000-I-07 potencia, no es fácilmente graduable en el ajuste fino, además que presenta el inconveniente de la reducción de peso durante el vuelo
por
el
consumo
de
combustible.
Esto
trae
variaciones
indeseadas de la sustentación durante el vuelo. El cálculo de los motores, arroja una potencia requerida de 15.84 W (fórmula de la NACA TN194) y tomando un Cd de 0.3 la potencia requerida es de 33.88 W. Una potencia estimada de 90 W por cada motor otorga el sobredimensionamiento necesario para el vuelo en exteriores. En el radio control se usan tres canales distribuidos así: •
Un canal que controla la inclinación del plano de giro de las hélices, con el cual se gradúa la parte del empuje que va a sustentación y la parte que va a propulsión.
•
Un canal que controla el motor derecho, con dos posiciones básicas: en avance y en retroceso.
•
Un canal similar para el motor izquierdo. De esta manera, usando coordinadamente los dos motores es posible efectuar giros.
El peso de la góndola es de 2093 gramos distribuidos así: •
Góndola: baterías (x2), receptores y servos
1347 gramos
•
Motores (x2)
746 gramos
6.7 ACOPLE DE LA GÓNDOLA CON LA MEMBRANA Las tres principales funciones del acople entre la góndola y la membrana son: transmitir el empuje de las hélices propulsoras a la aeronave, distribuir el peso de la góndola adecuadamente sin concentrar esfuerzos, fijar el centro de gravedad de la aeronave. Al
tener
en
cuenta
estas
tres
condiciones,
se
opta
por
una
‘‘red’’ que envuelva la membrana a la cual este fija la góndola. Esta red esta hecha con cinta 3M Highland® que presenta una alta 104
MIM-2000-I-07 resistencia
a
la
tracción
(Anexo
7:
Ficha
Técnica
Cinta
3M
Highland®) de 16 MPa, además de una adhesión cercana a los 3 MPa, lo que equivale a 3.6 kg. colgados de un sólo trozo de cinta.
6.8 COSTOS GENERALES DEL APARATO El costo de un dirigible a radio control (sin tener en cuenta los costos de estudios de materiales y prototipos)
se resume en la
siguiente tabla: Componente
Costo $/unit
Membrana: foil aluminio
$
un.
Cantidad Costo total Comentario
500 m²
60 $
30,000 Incluye tiras de material y material sobrante 60,000
Cinta 3M Highland®
$
30,000 rollo
2 $
Gas: Helio
$
30,000 m³
6 $ 180,000 Cilindro viene con 6 m³ a 2100 psi 2 $ 50,000
Gondola: Baterias
$
25,000 un
Gondola: Motores
$
100,000 un
2 $ 200,000
y $
400,000 un
1 $ 400,000
Gondola: Radio control servos Trabajo: Hora/hombre Energia: termosellado
$ $
3,000 hr/h 100 kWh
90 $ 270,000 9 dias de trabajo, algunas labores dos operarios 3.6 $ 360 Herramienta de 40 W
TOTAL
$1,190,360
Tabla 27. Costo dirigible a radio control
6.9 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El
comportamiento
del
dirigible
durante
el
vuelo
y
futuras
proyecciones son estudios que deben hacerse. Es recomendable que sean un futuro proyecto de grado. Es
aconsejable
mejorar
las
condiciones
de
trabajo
para
la
construcción de la membrana, tanto en el diseño de herramientas como
en
el
área
de
pegado,
para
disminuir
el
tiempo
de
fabricación y facilitar la labor de los constructores, evitando lesiones de espalda o rodillas por posiciones incómodas y poco
105
MIM-2000-I-07 saludables. El diseño de una línea de producción, junto con las herramientas adecuadas es un proyecto de estudio interesante a futuro. El proceso de construcción del dirigible no garantiza un sellado 100% hermético, para lograrlo sería ideal un método diferente para trabajar las puntas, ya sea con estructura interna, con elementos cóncavos fabricados en fibra de vidrio o polietileno de alta densidad. En caso de no poder eliminar todas las fugas, es necesario optar por
la
alternativa
de
dirigible
modular
con
globos
meteorológicos, definida en el siguiente capítulo.
106
MIM-2000-I-07
7. DIRIGIBLE CON DISEÑO MODULAR
Este es un capítulo complementario del trabajo total, donde se busca otro tipo de solución para un dirigible a radio control, que sea más confiable frente a las fugas y más versátil ante los cambios de condiciones de carga. La idea general del capítulo es mostrar la alternativa de usar globos
meteorológicos
como
módulos
de
sustentación
para
un
dirigible, teniendo en cuenta los costos, para compararlo con el dirigible realizado. La
presencia
presentarse,
de a
fugas
de
helio
de
todas
las
pesar
es
un
factor
precauciones
que
que
pude
han
sido
tomadas,
por lo que se debe tener acceso a
una alternativa
viable
económica
el
y
que
permita
continuar
con
estudio
sin
traumatismos. Esta es la importancia del presente capítulo.
7.1 GLOBOS METEOROLÓGICOS [REF. 10] En
el
mercado
hay
varias
empresas
que
fabrican
globos
meteorológicos. Según recomendación del profesor Sam Siewert, de la Universidad de Colorado (contactado por Internet), la empresa Edmund
Scientifics
[ref.
10]
fabrica
globos
económicos
107
MIM-2000-I-07 accesibles
a
proyectos
científicos
universitarios.
Las
referencias son las siguientes:
7.1.1 Globo de 3 pies La referencia es CR41-755 (3-Foot Professional Weather Balloon). El costo de dos globos de este tipo es US$25.95. Está fabricado de neopreno gris o blanco, un material que sirve para retención del gas; pero no presenta buena durabilidad a la intemperie. Lleno de 4.2 pies cúbicos (120 litros) sustenta ¼ libra (125 grm.) - a condiciones estándar - o en Bogotá 100 gramos. Su diámetro es de 24’’ (61 cms.). Su denominación aparentemente es de acuerdo al diámetro máximo permisible que
alcanza en
vuelo.
Se puede inflar con un tanque de helio o bomba de vacío. En la siguiente figura se aprecia el globo:
Figura 32. Globo meteorológico
Se requerirían 20 globos para sustentar la góndola (4 libras - 2 kilogramos), sin tener en cuenta el peso de la envoltura, que puede
ser
una
polipropileno radiación
malla
sencilla
metalizado,
ultravioleta.
El
para peso
de
Nylon®,
proteger de
la
o al
la
película
neopreno
membrana
y
la
de
de la
góndola
alcanza los 4 kilogramos, con lo cual se requieren 40 globos de esta referencia.
108
MIM-2000-I-07 7.1.2 Globo de 8 pies La
referencia
de
este
globo
es
CR60-568
y
su
costo
es
de
US$18.95. Cuando se llena con 33.5 pies cúbicos de helio (0.95 m3) el poder de sustentación es de 1 kg. (2 libras) a condiciones estándar, ó en Bogotá 750 gramos. Su diámetro es de 48’’ (1.2 m). Esta
hecho
de
neopreno.
Su
denominación
acuerdo al diámetro máximo permisible que
aparentemente
alcanza en
es
de
vuelo.
En este caso se requieren entre 5 y 6 globos de esta referencia. El diámetro del dirigible sería idéntico al de radio control construido en el proyecto.
7.1.3 Globo de 16 pies La
referencia
de
este
globo
es
CR72-151
y
su
costo
es
de
US$72.95. Cuando se llena con 268 pies cúbicos de helio (7.6 m3) el poder de sustentación es de 3 kg. (6 libras) a condiciones estándar, ó en Bogotá 2250 gramos. Su diámetro es de 96’’ (2.44 m). Esta hecho de neopreno. Su denominación aparentemente es de acuerdo al diámetro máximo permisible que
alcanza en
vuelo.
Con un sólo globo sin envoltura sería suficiente, pero la forma aerodinámica
no
levantar
envoltura,
la
estaría
asegurada.
Con
dos
globos
otorgándole
una
forma
más
se
logra
cercana
a
dirigible, aunque lejos de la esbeltez ideal de 5.5.
7.2 CONCLUSIONES El dirigible a radio control se puede construir modularmente, teniendo en cuenta el aumento en peso por la envoltura. El globo recomendado es el de 8 pies, que sustenta 750 gramos en Bogotá,
109
MIM-2000-I-07 pues se logra una forma aerodinámica con esbeltez entre 5.0 y 6.0. La envoltura es de gran importancia para impedir la degradación del globo por radiación ultravioleta. Una presión interna de la envoltura puede ayudar a preservar la forma,
para
lo
cual
se
requeriría
cierta
hermeticidad
en
la
es
un
con
su
construcción. El
costo
aumento
de de
mejorar peso
confiabilidad
(la
membrana
de
frente los
a
las
globos
fugas pesa)
consiguiente aumento de volumen para la misma carga paga y un aumento de costo, tanto por el gas de flotación como por los globos de neopreno. Si se lograra construir una membrana sin necesidad de globos meteorológicos sería lo ideal, tal como se planteó en el presente trabajo. Aún así la alternativa con globos internos
llenos
de
gas
es
muy
llamativa,
pues
puede
ahorrar
dinero por ausencia de fugas.
110
MIM-2000-I-07
CONCLUSIONES GENERALES
El
proceso
de
construcción
de
un
dirigible
a
radio
control
incursiona numerosos campos de la ingeniería mecánica. Durante el estudio llevado a cabo fue necesario dominar cierto vocabulario relativo
a
esfuerzos
plásticos,
adhesivos,
variables,
desarrollos
inducidos, diseño
de
aerostática, experimentos,
geométricos
y
diseño
de
materiales medición
de
procesos
y
herramientas. El principal punto en el diseño de una membrana para dirigible a radio control es evitar las fugas de helio. Tanto el material como el proceso de corte y pegado deben idearse de acuerdo la anterior premisa. El
adelanto
membrana
en
materiales
permiten
hoy
poliméricos
acceder
a
para
laminados
tecnología
de
punta
en
la
para
aplicaciones caseras como un dirigible a radio control. Para un dirigible de pasajeros es necesario el uso de material laminado pero
en
el
presente
estudio
el
estado
de
esfuerzos
presente
durante el vuelo de un dirigible pequeño no hace necesaria una capa resistente, con la capa de retención de gas es suficiente para las cargas.
111
MIM-2000-I-07 El campo de acción de un dirigible a radio control es bastante amplio: publicidad, vigilancia, entretenimiento entre otras. La tecnología que se maneja es lo suficientemente elemental como para montar una microempresa en Colombia. Esta es una alternativa que debe ser estudiada en futuros proyectos, donde se incluya estudio
de
mercadeo,
diseño
de
la
línea
de
producción
y
proyecciones financieras. Finalmente el paso inmediato a este proyecto es el estudio del comportamiento del dirigible a radio control durante el vuelo, evaluándolo
frente
a
variables
como
temperatura,
presión,
velocidad de viento, radiación solar, humedad, etc. comenzando en vuelo en interiores y luego en exteriores. El presente diseño puede presentar fugas de helio, por lo cual se debe profundizar en el estudio del dirigible a radio control modular, que es más seguro en el manejo del gas y es más versátil frente a la carga paga.
112
MIM-2000-I-07
REFERENCIAS
1. RIVERA LOPEZ, Luis Alonso. Evaluación Técnica del Uso de Dirigibles en Colombia. Bogotá: Universidad de los Andes, julio 1999. 2. IVCHENKO, B.A. Selección de la geometría de la membrana de un dirigible con esquema flexible. http://www.augur.com2com.ru/airship/index_e.htm 3. West Coast Blimps. http://www1.rigecrest.ca.us 4. SIMON: Blimp Design and Construction. http:// www.demon.co.uk/net.html/ 5. KHOURY,G.A; GILLET, J.D. Airship Technology. United Kingdom: Cambridge University Press: 1999. 6. www.dupont.com 7. CASTILLA, Juan. Contacto en AGA Fano para Helio. 8. SOCIETY OF PLASTICS INDUSTRY. Plastics Engineering Hand Book. New York: Michael L.Berins, 1991. 9. DUPONT FILMS. Mylar® Atención: Rafael Paz.
polyester
film.
Chemical
Properties.
10. EDMOND Scientific. Weather ballons. http://www.edsci.com
113
