MIM-2000-I-07 DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL LUIS ALONSO RIVERA LPEZ Universidad de los Andes Departamento de Ingeniera Mecnica Programa de Magister Sa ntaf de Bogot Julio 2000 i

MIM-2000-I-07 DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL LUIS ALONSO RIVERA LPEZ Tesis de grado para optar al Magister en Ingeniera Mecnica Asesor ALVARO PINILLA Ingeniero Mecnico, PhD. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniera Mecnica Programa de Magister Sa ntaf de Bogot Julio 2000 ii

MIM-2000-I-07 Santaf de Bogot, D.C., 27 de julio de 2000 Doctor CARLOS FRANCISCO RODRGUEZ Director Departamento Ingeniera Mecnica UNIVERSIDA D DE LOS ANDES La Ciudad Apreciado Doctor: Por medio de la presente someto a consideracin suya la tesis "D ISEO Y CONSTRUCCION DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL " ya que dicho Proyecto es un buen desarrollo en el campo de materiales y el diseo de aeronaves con fines inve stigativos. Certifico como asesor que la Tesis cumple con los objetivos propuest os y que por lo tanto califica como requisito para optar al Magister en Ingeniera Mecnica. Cordialmente, ALVARO PINILLA Profesor Asesor iii

MIM-2000-I-07 Santaf de Bogot, D.C., 27 de julio de 2000 Doctor CARLOS FRANCISCO RODRGUEZ Director Departamento Ingeniera Mecnica UNIVERSIDA D DE LOS ANDES La Ciudad Apreciado Doctor: Someto a consideracin de usted la tesis titulado "DISEO Y CONSTR UCCION DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL" que tiene como objetivo investigar en ma teriales y procesos de construccin de aeronaves de este tipo en Colombia. Conside ro que este proyecto cumple con sus objetivos plenamente y lo presento como requ isito parcial para optar al Magister en Ingeniera Mecnica. Cordialmente, LUIS ALONSO RIVERA LPEZ Cdigo 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 Mecni co PhD, M.Sc, Profesor Titular del Departamento de Ingeniera Mecnica y asesor en e ste proyecto. Miguel Prieto, Ingeniero Mecnico experto en polmeros, continuo colab orador del Departamento de ingeniera Mecnica, quien suministr gran parte del materi al empleado y gua constante durante el proyecto. Rafael Paz, representante de DuP ont Venezuela, quien mostr inters durante todo el proyecto, suministrando material e informacin vital durante el proyecto. Juan Castilla, representante informacin i mportante acerca facilit su adquisicin. de AGA Fano, quien suministr del gas de flo tacin Helio y Hector Vallecilla, gerente de Carpak, quien suministro material para el proyecto . Jaime Loboguerrero y Jorge Medina, profesores del Departamento de Ingeniera Mecn ica, quienes suministraron apoyo y gua durante el proyecto. Zaida Contreras, estu diante de pregrado, quien continuar con la investigacin; y quien colabor de manera radical en la construccin del dirigible. Pablo Andrs Ocampo, Alejandro Veloza y An drs Almonacid, quienes con su importante ayuda permitieron la construccin del diri gible a radio control. vi

MIM-2000-I-07 CONTENIDO 0. INTRODUCCIN 1. TRABAJO PREVIO Y MOTIVACIONES 1 2 1.1 RESUMEN DEL ESTUDIO "EVALUACIN TCNICA DEL USO DE DIRIGIBLES EN COLOMBIA" 1.1.1 ANLISIS COMPARATIVO FRENTE A OTRAS TECNOLOGAS 1.1.2 SELECCIN DEL DIRIGIBLE 1.1.3 C onclusiones del estudio 2. DETERMINACION DEL TAMAO DE UN DIRIGIBLE 3 4 9 13 15 2.1 DESARROLLO DE LA ECUACIN AEROSTTICA MODIFICADA PARA UN DIRIGIBLE 16 2.1.1 Masa de la membrana Men 2.1.2 Masa de los balonets Mb 2.1.3 Masa de reforzamiento de lantero, de cordaje y de empenaje 2.1.4 Ecuacin del volumen 2.2 APLICACIN DE LA EC UACIN EN EL DISEO 2.2.1 Variables de entrada 2.2.2 Variables de salida 2.3 DESARRO LLOS ANTERIORES PARA DIRIGIBLES PEQUEOS 2.3.1 Dirigible Simon [ref. 4] 2.3.2 Dife rencias y aciertos 3. DISEO DE LA MEMBRANA: ESFUERZOS 17 18 19 19 20 20 22 23 25 26 28 3.1 VERIFICACIN DE LA RESISTENCIA DEL MATERIAL: CLCULO DE ESFUERZOS EN LA MEMBRANA 28 vii

MIM-2000-I-07 3.1.1 Calculo del centro de flotacin del dirigible 3.1.2 Clculo del momento flecto r 28 30 3.1.3 Estado de esfuerzos en los puntos crticos inferior y superior32 3.1.3.1 Det erminacin de la presin interna 3.1.3.2 Estado de esfuerzos de la membrana con carg a no cclica 3.1.3.3 Distribucin de presiones por efectos aerodinmicos 3.2 CONCLUSIO NES 4. DISEO DE LA MEMBRANA: MATERIALES 4.1 MEMBRANA DE LOS DIRIGIBLES MODERNOS 4 .1.1 Material laminado 4.2 PRIMERA ALTERNATIVA: MATERIAL LAMINADO 4.2.1 Capa de esfuerzo: laminado de polipropileno 4.2.1.1 Prueba de tensin 4.2.1.2 Prueba de ra sgadura sin grieta inicial 4.2.1.3 Prueba de punzonamiento 4.2.1.4 Prueba de per meabilidad al oxigeno 4.2.2 Capa de retencin del gas: Mylar DuPont 4.2.2.1 Permeab ilidad del Mylar DuPont [ref. 9] 34 36 38 38 39 40 40 43 43 45 48 49 50 52 53 54 55 57 59 60 60 61 61 62 62 63 64 65 65 66 viii 4.2.2.2 Absorcin de Humedad del Mylar DuPont [ref. 9] 4.2.2.3 Prueba de tensin del Mylar DuPont 4.2.2.4 Prueba de rasgado del Mylar DuPont 4.2.2.5 Prueba de punzonamiento 4.3 PR OCESO DE LAMINACION: MYLAR Y POLIPROPILENO 4.3.1 Propiedades del laminado de poli propileno con Mylar 4.3.2 Consideraciones bsicas del adhesivo de laminacin 4.3.2.1 Adhesivo seleccionado 4.3.2.2 Reaccin entre el adhesivo y las capas del laminado 4.3.3 Pasos de laminacin 4.4 SEGUNDA ALTERNATIVA: FOIL DE ALUMINIO 4.4.1 Prueba d e tensin del Foil de aluminio 4.4.2 Prueba de rasgado del foil de aluminio 4.4.3 Prueba de punzonamiento del foil de aluminio 4.5 CONSOLIDADO DE DATOS

MIM-2000-I-07 4.6 PRUEBA DE PERMEABILIDAD DE LAS UNIONES AL HELIO 4.6.1.1 Alcance 4.6.1.2 Espe cmenes de prueba 4.6.1.3 Condiciones 4.6.1.4 Procedimiento 4.6.1.5 Resultados 4.7 CONCLUSIONES 5. CONSTRUCCIN DE LA MEMBRANA: CORTE Y PEGADO 5.1 PROCESO DE CORTE 5.2 PROCESO DE UNIN 68 68 68 68 69 69 70 71 71 75 5.2.1 Tcnicas de unin y enlace para materiales plsticos [ref. 8]75 5.2.1.1 Solvente s y colas 5.2.1.2 Enlace trmico materiales termoplsticos 5.2.1.3 Adhesivos 5.2.1.4 Tcnicas usadas en la membrana del dirigible 5.3 SELECCIN DE LA MEJOR UNIN TERMOSOL DADA 5.3.1 Esfuerzos en la membrana segn la presin interna 5.3.2 Prueba de tensin d e las uniones 5.3.2.1 Junta en T con longitud de pestaa de " 5.3.2.2 Junta en T co n longitud de pestaa de 1" 5.3.2.3 Comparacin de los dos experimentos de junta tip o T 75 76 77 78 80 80 82 83 84 85 5.3.2.4 Junta a tope con material de substrato, paralelo a la extrusin 86 5.3.2.5 Junta a tope con substrato, perpendicular al laminado 5.3.3 Prueba de explosin 5 .3.4 Conclusiones sobre el tipo de unin de la membrana 5.4 PASOS DE UNIN DEL DIRIG IBLE 5.4.1.1 Primero: Corte de las tiras 5.4.1.2 Segundo: Unin a tope de las part es centrales 5.4.1.3 Tercero: Unin de la cola y la nariz 5.4.1.4 Cuarto: Cierre d e las puntas 5.4.1.5 Quinto: Cierre de la costura central 87 88 90 90 91 91 92 9 3 93 5.4.1.6 Sexto: Refuerzo con cinta 3M Highland (6969) en las uniones94 ix

MIM-2000-I-07 5.5 CONCLUSIONES 6. CONSTRUCCIN DE LA MEMBRANA: LLENADO FINAL 6.1 PROTOTIPOS PREV IOS 95 96 96 6.1.1 Primer prototipo: laminado de Polipropileno con Mylar DuPont97 6.1.1.1 Resu ltado 6.1.2 Segundo prototipo: foil de aluminio laminado 6.1.2.1 Resultado 6.1.3 Tercer prototipo: foil de aluminio laminado 6.1.3.1 Resultado 6.2 CONSTRUCCION DE LA MEMBRANA DEFINITIVA 6.3 LLENADO 6.4 COMENTARIOS DEL LLENADO DE LA MEMBRANA 6.5 ACOPLE FINAL DEL DIRIGIBLE 6.6 BREVE DESCRIPCIN DE LA GNDOLA 6.7 ACOPLE DE LA GNDOLA CON LA MEMBRANA 6.8 COSTOS GENERALES DEL APARATO 6.9 CONCLUSIONES Y RECOM ENDACIONES 7. DIRIGIBLE CON DISEO MODULAR 7.1 GLOBOS METEOROLGICOS [REF. 10] 7.1.1 Globo de 3 pies 7.1.2 Globo de 8 pies 7.1.3 Globo de 16 pies 7.2 CONCLUSIONES 8 . CONCLUSIONES GENERALES 9. REFERENCIAS 10. ANEXOS 97 98 98 98 99 99 100 102 103 103 104 105 105 107 107 108 108 109 109 111 113 114 x

MIM-2000-I-07 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Comparacin varias tecnologas transporte carga Llanos 7 10 24 25 29 31 33 33 42 47 47 Orientales Figura 2. Comparacin dirigibles comerciales con tericos Figura 3. Dirig ible a radio control comercial. Figura 4. Sustentacin del dirigible contra radio mayor Figura 5. Dimensiones del elipsoide Figura 6. Diagrama de cuerpo libre sim plificado Figura 7. Corte esfuerzos longitudinales Figura 8. Corte esfuerzos tra nsversales Figura 9. Material laminado dirigible moderno Figura 10. Polipropilen o metalizado: tensin paralela Figura 11. Polipropileno metalizado: tensin perpendi cular Figura 12. Mylar DuPont: Permeabilidad frente a varios gases [ref. 9] 53 Figura 1 3. Mylar DuPont: Contenido de humedad Figura 14. Mylar DuPont: Prueba de tensin AST M 882 Figura 14. Mylar DuPont: Prueba de rasgado ASTM 1004 Figura 15. Mylar DuPont : Prueba de punzonamiento ASTM 4833 55 56 57 59 Figura 16. Unin usando el laminado polipropileno y Mylar DuPont 63 Figura 17. Foil aluminio: Prueba de tensin ASTM 882 Figura 18. Foil de aluminio: prueba de rasga do ASTM 1004 Figura 19. Foil de aluminio: prueba de punzonamiento ASTM 4833 xi 6 4 65 66

MIM-2000-I-07 Figura 20. Desarrollo del elipsoide 72 73 84 85 Figura 21. Desarrollo geomtrico simplificado Figura 22. Unin pestaa ", junta T: Prue ba de Tensin ASTM 882 Figura 23. Unin pestaa 1", junta T: Prueba de Tensin ASTM 882 Figura 25. Unin a tope (perpendicular laminado): Prueba de Tensin ASTM 882 Figura 26. Primer paso: Unin tiras Figura 27. Segundo paso: Unin partes centrales Figura 28. Tercer paso: Unin puntas Figura 29. Cuarto paso: Cierre de las puntas Figura 30. Quinto paso: Cierre de la costura central Figura 31. Esquema unin definitiva con foil de aluminio Figura 32. Globo meteorolgico 88 91 92 92 93 94 95 108 xii

MIM-2000-I-07 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Rutas factibles para el uso de dirigible Tabla 2. Caractersticas del dir igible AT-04 Tabla 3. Condiciones iniciales de diseo Tabla 4. Primeros resultados de diseo Tabla 5. Caractersticas de algunos dirigibles a radio control Tabla 6. F actor de seguridad de diseo con varios materiales 5 12 22 23 24 37 46 49 Tabla 7. Polipropileno metalizado: Prueba tensin ASTM 882 Tabla 8. Polipropileno metalizado: Prueba rasgado ASTM 1004 Tabla 9. Polipropileno metalizado: Prueba punzonamiento ASTM D4833 50 Tabla 10. Polipropileno metalizado: Estimacin permeabilidad al Helio 51 Tabla 11. Mylar DuPo nt: Ganancia de Humedad Tabla 12. Mylar DuPont: Prueba de tensin ASTM 882 Tabla 13 . Mylar DuPont: Prueba de rasgado ASTM 1004 Tabla 14. Mylar DuPont: Prueba de punz onamiento ASTM 4833 Tabla 15. Prueba de tensin ASTM 882 Tabla 16. Foil de alumini o : Prueba de rasgado ASTM 1004 Tabla 17. Foil de aluminio: Prueba de punzonamie nto ASTM 4833 Tabla 18. Consolidado de pruebas para materiales propuestos Tabla 19. Variables de entrada Tabla 20. Variables de salida Tabla 21. Unin pestaa ", jun ta T: Prueba de Tensin ASTM 882 54 56 58 59 64 65 66 67 74 74 83 xiii

MIM-2000-I-07 Tabla 22. Unin pestaa 1", junta T: Prueba de Tensin ASTM 882 Tabla 23. Prueba T de comparacin de medias 85 85 Tabla 24. Unin a tope (paralelo laminado): Prueba de Tensin ASTM 882 86 Tabla 25. Unin a tope (perpendicular laminado): Prueba de Tensin ASTM 882 Tabla 25. Resultad os pruebas de explosin Tabla 26. Consolidado de datos tipo unin Tabla 27. Costo di rigible a radio control 87 89 90 105 xiv

MIM-2000-I-07 LISTA DE ANEXOS Anexo1. Planos del dirigible Anexo 2. Tablas de resistencia qumica del Mylar DuPon t Anexo 3. Ficha tcnica medidor de presin Motorola MPX 12 Anexo 4. Documento dirig ibles para vigilancia Anexo 5. Material fotogrfico Anexo 6. Muestras material est udiado 114 115 116 117 118 119 120 Anexo 7. Ficha tcnica cinta 3M Highland 6969 xv

MIM-2000-I-07 0. INTRODUCCIN El presente trabajo muestra el proceso de diseo y construccin de un dirigible a ra dio control, centrndose en la seleccin de materiales y procesos para la aplicacin. En la primera parte del trabajo se estudia la informacin previa, la aplicacin de l os conocimientos en el tema y un primer proceso de diseo para el prototipo inicia l. Para las labores de diseo se dividi el dirigible en dos sistemas fundamentales: la gndola, que incluye motores, control, energa; y la membrana, que incluye el ma terial, la geometra y el gas de sustentacin. El nfasis del presente trabajo es sobr e la membrana, dado que las labores se estn realizando en grupo. El anlisis de la gndola se unir con la envoltura en el producto final. Se parte de un trabajo previ o donde se manifest la viabilidad del uso de dirigibles en Colombia para transpor te de carga. El objetivo del proyecto es distinguir los campos de oportunidad pa ra la ingeniera colombiana en el proceso de construccin de un dirigible, dado que es un medio de transporte totalmente aplicable al contexto nacional. Adems se busca incentivar nuevos proyectos en la misma rea de investigacin, con el objetivo final de materializar la posibilidad di rigibles en Colombia. de tener industria de 1

MIM-2000-I-07 1. TRABAJO PREVIO Y MOTIVACIONES La construccin de un dirigible es un propsito que surge con ciertas motivaciones p resentes en la realidad nacional actual. La hiptesis acerca de la utilidad del di rigible como medio de transporte en Colombia ha sido demostrada. Es una tecnologa que, en contextos cla ramente definidos, es viable econmicamente para transporte de carga y pasajeros. Podra ayudar al desarrollo de zonas alejadas y desconectadas, donde el transporte es totalmente ineficiente y no hay ni planes ni factibilidad econmica para reali zar proyectos en un corto plazo. El estudio previo, realizado por el autor, Eval uacin Tcnica del Uso de Dirigibles en Colombia, concluy que el dirigible es apto pa ra la zona de los Llanos Orientales de Colombia, ya que rene, entre otras, las ca ractersticas: bajo nivel de carga (sin llegar a valores mnimos) por trayecto, pobl aciones distantes entre si, poca o nula infraestructura para otros modos de tran sporte y trayectos sin mayores variaciones en la topografa. El dirigible es una s olucin de corto plazo y rene los atributos para ser el medio de transporte ms efici ente en el contexto mencionado. La tecnologa que maneja el dirigible est restringi da a los pocos fabricantes y aficionados al tema, no es muy profunda y es puede ser desarrollada en nuestro medio. La ingeniera colombiana tiene un campo de inve stigacin frtil e inexplorado en los 2

MIM-2000-I-07 dirigibles. Construir un dirigible es el primer paso para dominar los aspectos tecnolgicos ms importantes y poder entrar a proponer nuevas ideas y m ejoras, para adaptarlo exitosamente al entorno Colombiano. Entre las conclusione s del trabajo previo se tiene que si se lograra disminuir la estructura de costo s del dirigible, sus ventajas comparativas frente a los otros modos de transport e aumentaran, y su campo de accin crecera. Al hacer esta afirmacin, se debe entonces analizar la estructura de costos bsica: compuesta por los costos de inversin, los costos de operacin y mantenimiento y los costos de administracin. La construccin d el dirigible permite estudiar como disminuir los costos de inversin, aplicando in geniera local. La optimizacin de un desarrollo nacional, podra traer la disminucin e n los costos operativos y de mantenimiento; pero debe existir un primer prototip o. 1.1 RESUMEN DEL ESTUDIO "EVALUACIN TCNICA 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 "Ev aluacin Tcnica del Uso de Dirigibles en Colombia", en el que se hace una primera a proximacin introduccin a las posibilidades el transporte econmicas y tcnicas de su d e carga y pasajeros en el para territorio nacional. Su uso como modo de transporte es ms vigente que nunca pues resulta muy atractivo gracias al desarrollo de nuevos materiales y tecnologas. En el mundo moderno hay un auge creciente hacia 3

MIM-2000-I-07 este medio de transporte, presente en pases como Estados Unidos, In glaterra, Rusia, Holanda y Alemania. Este ltimo le dado un apoyo importante a niv el institucional, con polticas dirigidas a su desarrollo, que dar sus primeros fru tos con la presentacin del Cargo Lifter en la feria mundial del 2000 (ref. 28), u n 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 autonoma de vuelo de 10 .000 km. El estudio del dirigible como alternativa se hace interesante para Colo mbia, que tiene un vasto territorio sin infraestructura de transporte. y En Colo mbia de hay deficiencias de transporte de carga pasajeros, vigilancia, de industria turstica, de servicios bsicos de salud, entre otros, lo que ayuda a generar la problemtica soci oeconmica propias de regiones aisladas y subdesarrolladas. Las aplicaciones ms imp ortantes del dirigible son: transporte de carga y pasajeros, turismo ecolgico, publicidad, vigilancia, comunicaciones y hospital mvil. 1.1.1 ANLISIS COMPARATIVO FRENTE A OTRAS TECNOLOGAS El dirigible de y es eficiente bajos, econmicamente con que rutas no donde entre se manejen volmenes carga poblaciones distanciadas preferiblemente tengan infraestructura previa para otros modos de transporte. Estas conclusiones son el fruto de un anli sis econmico comparativo entre varios modos de transporte (Fokker en Colombia, me dianas donde se tomaron y aeronaves (El grandes Gaviln), 50), (Twin Otter) pequeas adems de analizar el transporte fluvial; junto con el dirigible ingls AT-04 (cuya seleccin se tratar ms adelante). En Colombia, estas caractersticas estn presentes en la regin de 4

MIM-2000-I-07 los Llanos Orientales. De las 40 rutas analizadas, en un primer es timativo, hay 30 donde el dirigible es atractivo econmicamente, tanto por distancia como por volumen de carga. El origen de los tr ayectos es Villavicencio, que acta como ncleo radial de las rutas areas en los Llan os Orientales; las rutas son: Poblacin Araracuara Arauca Barranco Minas Caruru El Tapn El Yopal Florencia P. Car reo P. Inirida La Chorreta Villavicencio Leticia S. Juan Arama La Pradera P. Legu izamo S. Martn Miraflores Mitu Pacoa S. Martn P. Carreo La Primavera Paz Ariporo Cr avo Norte Rondon S. Jos Guaviare Saravena S. Vicente Caguan Tame Uribe P. Lpez P. Ass Sta. Rosalia Villa Nueva Orocue Tauramena Trinidad Man Orocue Otras rutas TOTA L Depto. ton/ao 1998 caq ara guai vau vic cas caq vic guai ama met ama met ama pu t met guav vau vau met vic vic cas ara ara guav ara caq ara met met put vic vic cas cas cas cas cas 14.6 302.4 241.8 264