DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DIRIGIBLE A RADIO

MIM-2000-I-07

i

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

MIM-2000-I-07

ii

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DIRIGIBLE A RADIO CONTROL


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

MIM-2000-I-07

iii

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

MIM-2000-I-07

iv

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,


Código 199927804

MIM-2000-I-07

v

A mis padres,

hermanos

y sobrinos.

MIM-2000-I-07

vi

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 de AGA Fano, quien suministró información importante acerca del gas de flotación Helio y facilitó su adquisición. 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.

MIM-2000-I-07

vii

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

MIM-2000-I-07

viii

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® DuPont [ref. 9] 53

4.2.2.2 Absorción de Humedad del Mylar® DuPont [ref. 9] 54

4.2.2.3 Prueba de tensión del Mylar® DuPont 55

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

MIM-2000-I-07

ix

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

MIM-2000-I-07

x

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


6.1.3 Tercer prototipo: foil de aluminio laminado 98


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



7.2 CONCLUSIONES 109

8. CONCLUSIONES GENERALES 111

9. REFERENCIAS 113

10. ANEXOS 114

MIM-2000-I-07

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Comparación varias tecnologías transporte carga Llanos

Orientales 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

MIM-2000-I-07

xii

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

MIM-2000-I-07

xiii

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 6. Factor de seguridad de diseño con varios materiales 37

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

MIM-2000-I-07

xiv

Tabla 22. Unión pestaña 1", junta T: Prueba de Tensión ASTM 882 85

Tabla 23. Prueba T de comparación de medias 85

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

MIM-2000-I-07

xv

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 material estudiado 119

Anexo 7. Ficha técnica cinta 3M Highland 6969 120

MIM-2000-I-07

1

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 de tener industria de

dirigibles en Colombia.

MIM-2000-I-07

2

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

MIM-2000-I-07

3

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 posibilidades económicas y técnicas de su

introducción para el transporte 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

MIM-2000-I-07

4

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. En Colombia hay deficiencias de transporte de

carga y pasajeros, 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 es eficiente económicamente donde se manejen

volúmenes de carga bajos, con rutas entre poblaciones

distanciadas y preferiblemente que no tengan infraestructura

previa para otros modos de transporte. Estas conclusiones son el

fruto de un análisis económico comparativo entre varios modos de

transporte en Colombia, donde se tomaron aeronaves grandes

(Fokker 50), medianas (Twin Otter) y pequeñas (El 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

MIM-2000-I-07

5

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 Factible (si/no)

Araracuara caq 14.6 SI Arauca ara 302.4 NO Barranco Minas guai 241.8 SI Caruru vau 264 NO El Tapón vic <1.0 SI El Yopal cas 98.5 SI Florencia caq 12.2 SI P. Carreño vic 155.6 SI P. Inirida guai 196.8 SI La Chorreta ama 4 SI Villavicencio met <1.0 SI Leticia ama 4.9 SI S. Juan Arama met 1242.7 NO La Pradera ama 134.2 SI P. Leguizamo put <1.0 SI S. Martín met 75.7 SI Miraflores guav 2490.8 NO Mitu vau 3383.8 NO Pacoa vau 107.3 SI S. Martín met 497.9 NO P. Carreño vic 256.9 NO La Primavera vic 277.1 NO Paz Ariporo cas 3.6 SI Cravo Norte ara 36 SI Rondon ara <1.0 SI S. José Guaviare

guav 1265.6 NO

Saravena ara <1.0 SI S. Vicente Caguan

caq <1.0 SI

Tame ara 56 SI Uribe met <1.0 SI P. López met 1.9 SI P. Asís put <1.0 SI Sta. Rosalia vic 1.3 SI Villa Nueva vic 7.9 SI Orocue cas <1.0 SI Tauramena cas <1.0 SI Trinidad cas <1.0 SI Maní cas <1.0 SI Orocue cas 2.6 SI Otras rutas 827 NO TOTAL 11965.1 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

MIM-2000-I-07

6

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:

P I C V er g

f er

r g T r t

= + −−

+ −

− − −

* * *( )* ( * )

01 1

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 el impacto ambiental y las posibilidades

significativas de otras aplicaciones (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:

MIM-2000-I-07

7

Valor presente para distintos modos de transporte en Llanos OrientalesPRIMER ESTIMATIVO

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

0 100 200 300

Volumen inicial Vo (toneladas/año)

Co

sto

to

tal p

rese

nte

des

con

tad

o (

US

D)

Twin OtterGavilan

Dirigible

Fokker 50

Fluvial

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

MIM-2000-I-07

8

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.

MIM-2000-I-07

9

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 incluyendo el caso de los Llanos Orientales (-2% en

aéreo). Si se 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 mástil y el equipo necesario para cualquier

eventualidad; mientras que una aeronave requiere 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-

MIM-2000-I-07

10

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 dirigible AT-04 no es al azar. Posee las

características óptimas, encontradas al 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 UnitariosDIRIGIBLES REALES

10

100

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Peso TotalCarga Paga

Co

sto

Un

itar

io (

US

D/k

g c

arg

a p

aga)

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 Hamilton TAC (r)4.75 AT-04 (sr)5.5 AHA Hornet Hy (sr*)

Rigido inf

semir infblimp sup

semir supblimp inf

curvas iso Esbeltez Volumen gas unitario

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).

MIM-2000-I-07

11

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 del dirigible: la membrana, el gas de

flotación, los balonets y 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

MIM-2000-I-07

12

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 Kevlar ® (DuPont)-colmena de abeja

Motores Diesel air

Potencia 2x450 HP

Costo 5.5 millones USD

Tabla 2. Caracterísiticas del dirigible AT-04

MIM-2000-I-07

13

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 el auge mundial alrededor de este medio de

transporte, se incorporen avances tecnológicos que hagan

verdaderamente amplias las diferencias económicas frente a las

demás tecnologías, especialmente en los campos de oportunidad

detectados: transporte de carga y pasajeros entre pequeñas

poblaciones distanciadas entre si. En Colombia los Llanos

MIM-2000-I-07

14

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.

MIM-2000-I-07

15

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:

( * ( ) * ) *V g th M gG a g sρ ρ− + =

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

MIM-2000-I-07

16

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:

DVVV

KKG

g h

t

= = −−11

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.

K DTTt =

Dt es el cambio de temperatura durante el vuelo y T la temperatura promedio del vuelo.

K p Tp Thh o

o h

= −1 **

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).

MIM-2000-I-07

17

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):

( * ( ) * ) *V g th M gG a g sρ ρ− + =

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 M M M M MS K pl const pl= + = + +var

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 k Aen en= * *γµ

k = 1.2 a 1.5 Coeficiente de aumento de masa para las uniones.

γµ Masa de 1 m2 del material de la membrana.

MIM-2000-I-07

18

El area de la envoltura, Aen, el autor (ref. 16) lo aproxima asi:

A Ven =

+

255 4 1234

2 1 6 1 32 3. * . * * * *λ

π ψπ λ ψ

λ = LD

Relación de esbeltez

ψ = VVL

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 K Ven en= * 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 k k Ab en= 1 2* * *γµ

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:

K k k Kkb

en= 1 2* *

Entonces

M K Vb b= * 2 3

MIM-2000-I-07

19

2.1.3 Masa de reforzamiento delantero, de cordaje y de empenaje

La masa de reforzamiento delantero Mne:

M K Vne ne= * 2 3

Kne entre 0.1 y 0.15, valores típicos.

La masa de cordaje Mt

M K Vt t= * 2 3

Kt entre 0.18 y 0.22, valores típicos.

La masa de empenaje Mem

M K Vem em= * 2 3

K Aem em= γµ *∆

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:

∆A AVemem= 2 3

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 M M M Men ne t emvar = + + +

Lo que equivale a decir que

M K Vvar *= 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:

MIM-2000-I-07

20

( * ( ) * * ) ( * * ) (( ) * )DV g V K g V M M g thG a g cte plρ ρ− − − + + =2 3 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.

MIM-2000-I-07

21

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 15 Temperatura de vuelo 'C 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

MIM-2000-I-07

22

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 5.48

Area de la membrana m2 19.06

MIM-2000-I-07

23

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 Esbeltez Membrana M Mpl Vel Motor Rango Costo m3 m 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

MIM-2000-I-07

24

WCoast 6' gb 0.28 1.83 3.00 Mylar ® (DuPont)

0.13 0.14 4.47 1 240.0

WCoast 7' gb 0.45 2.13 3.50 Mylar ® (DuPont)

0.16 0.17 4.47 1 250.0

RD1,5 9.00 6.05 3.38 6.20 2.80 4.47 2x80 1.5 RD2 17.00 8.08 4.00 11.90 5.10 3.58 2x90 2 RD2,5 24.00 7.44 3.00 15.60 8.40 3.58 2x120 3 Simon 3.42 4.80 4.36 Mylar ®

(DuPont) 3.20 0.00 6.00 2x110

PROTOTIPO 5.75 5.2 4 Foil aluminio laminado

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.

MIM-2000-I-07

25

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

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8Radio del dirigible en m

Fu

erza

su

sten

taci

on

en

N

Peso verdadero en NFuerza Sustentacion Helio (con motores)

Peso incorrecto en N

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.

MIM-2000-I-07

26

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.

MIM-2000-I-07

28

3. DISEÑO DE LA MEMBRANA: ESFUERZOS

El presente capítulo muestra un desarrollo teórico para el

cálculo de los esfuerzos en un dirigible simplificado. 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

MIM-2000-I-07

29

centro de flotación actúa como el centro de masa de la aernoave,

su ubicación se encuentra fácilmente si el contorno de la

membrana se expresa como un sólido de revolución generado 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:

xxy dx

Vol= ∫π 2

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:

12

12

2

2

22 2

12

= +

= −

xa

yb

y b b xa*

Donde a1 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 b b xa

= −22 2

22*

Estas dimensiones se muestran en la siguiente figura:

Figura 5. Dimensiones del elipsoide

MIM-2000-I-07

30

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 y dx= ∫π 2

Luego de reemplazar y evaluar, el volumen puede definirse asi:

( )Vol b a a= +23

2

1 2π *

El centro de flotación calculado con su ecuación, situando el

origen en el centro de la elipse es:

( ) ( )xb a a

Vola a

=−

=−π * *

**2

22

12

2 1

43

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

MIM-2000-I-07

31

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 y dxdF g dVoldM dF x x

Lift aire Helio

x Lift

== −

= −

πρ ρ*( )* *

*( )

2

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:

MIM-2000-I-07

32

M x dF

M x g y dx

M x g b b xa

dx

x Liftx

a

x aire Heliox

a

x aire Heliox

a

=

= −

= − −

∫

∫

∫

*

*( )* * *

*( )* * * *

2

2

2

2

22 2

22

ρ ρ π

ρ ρ π

Y el resultado es:

( ) ( )M g b a xxax aire Helio= − − +

( )* * * *ρ ρ π 222

24

222 2 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. Se define también la dirección transversal,

perpendicular a la longitudinal, entonces σT es 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.

MIM-2000-I-07

33

• 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 PiiP rt,**

=2

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:

MIM-2000-I-07

34

Figura 8. Corte esfuerzos transversales

El análisis llevado a cabo lleva a la siguiente ecuación:

( )( )σ T PiiP b a a

t a a b t,

* **

=+

+ + +1 2

1 2 2 2

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:

σπL Flexion

xM rI

M rr t,

* ** *

= = 3

Se puede apreciar claramente que es un estado de esfuerzos

principales, dado que no hay cortante al conjugar todos los

esfuerzos.

Esfuerzos por efectos aerodinámicos afectan la membrana en el

sentido perpendicular a la superficie y son básicamente

diferencias de presiones que ayudan a la presión interna a

mantener la forma del dirigible. Aunque el efecto de 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

MIM-2000-I-07

35

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 σ

π

L Pi L Flexion

i xP rt

M rr t

, ,

**

** *

− ≥

− ≥

0

203

La solución a esta restricción implica despejar el límite

inferior para la presión de llenado. El resultado es:

P Mrix≥ 2 3

**π

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

MIM-2000-I-07

36

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 σ σ σ σ σ σ

σ σ σ σ σ σ σ

VM alt L Palt L Flexion T Palt L Palt L Flexion T Palt

VM medio L Pmed L Flexion T Pmed L Pmed L Flexion T Pmed

, , , , , , ,

, , , , , , ,

*

*

= + + − +

= + + − +

2 2

2 2

Las presiones alternante y media son:

Palternante Pmax Pmin

Pmedia Pmax Pmin

ii i

ii i

= −

= +2

2

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

MIM-2000-I-07

37

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 σ σ σ σ σ σVM L Pi L Flexion T Pi L Pi L Flexion T Pi= + + − +, , , , , ,*2 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 Esfuerzo de Von Mises punto

critico MPa Esfuerzo ultimo a la tension MPa

Factor de seguridad

Foil de aluminio laminado [3] Isotropico 5.766 30.8 5.31 Polipropileno laminado metalizado [3]

Perpendicular 5.766 39.86 6.91

Polipropileno laminado t li d [3]

Paralelo 5.766 143.01 24.80

MIM-2000-I-07

38

metalizado [3] Tedlar ® (DuPont) [1] NA [4] 5.766 55.15-110.30 9.56-19.13 Poliester (Mylar ® (DuPont)) [1]

NA [4] 5.766 187.00 32.43

Poliuretano [2] NA [4] 5.766 48.26 8.37 Nylon [2] NA [4] 5.766 93.07 16.14 PVDC Copolimero (Saran) [2]

NA [4] 5.766 79.28 13.75

Polietileno baja densidad NA [4] 5.766 11.38 1.97 PVC NA [4] 5.766 13.79 2.39 [1] Fuente DuPont [2] Ref. KHOURY, GILLETT, Airship Technology [3] Pruebas realizadas en laboratorio [4] No se encontro el dato

Tabla 6. Factor de seguridad de diseño con varios materiales

En el dirigible por radio control los esfuerzos no son

determinantes en el diseño y selección de la 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 a la superficie y son básicamente

diferencias de presiones que ayudan a la presión interna a

mantener la forma del dirigible. Aunque el efecto de 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:

P P Velpunta aire− =∞12

2* *ρ

Para el dirigible a radio control, a una velocidad de 11.7 m/s,

en Bogotá:

MIM-2000-I-07

39

∆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 de esfuerzos en un dirigible a radio control se

encuentra en una zona segura de diseño, para la 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.

MIM-2000-I-07

39

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

MIM-2000-I-07

40

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.

MIM-2000-I-07

41

• 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 usado es Hytrel ® (DuPont), Poliester Elastómero

hecho por DuPont. La experiencia de los constructores de

dirigibles lo confirma como la mejor alternativa para las

uniones. Cabe resaltar que no existe un método para la detección

MIM-2000-I-07

42

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.

MIM-2000-I-07

43

4.2 PRIMERA ALTERNATIVA: MATERIAL LAMINADO

La primera alternativa para el material de la membrana del

dirigible a radio control es un laminado de dos capas, una de

retención de helio y la 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 los valores de las principales propiedades

mecánicas del material que inciden directamente en el

funcionamiento del dirigible. Se deben realizar pruebas bajo

estándares internacionales que permitan comparar distintos

MIM-2000-I-07

44

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, donde la carga y la falla ocurren

catastróficamente. La máquina donde fueron 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

MIM-2000-I-07

45

las fibras. Se anticipa un buen comportamiento en cuanto a

permeabilidad al helio y a las uniones termoselladas. Sus

principales características, previas a la experimentación,

medidas en el laboratorio 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/m2

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 paralelo a la extrusión y a las fibras.

Adicionalmente se calculó el esfuerzo de cedencia al 2%,

parámetro con el cual se calcula el factor de seguridad.

Fecha 5-nov-99 Nombre Prueba Tensión

MIM-2000-I-07

46

ASTM D 882-81 Material Polipropileno orientado,

con capa de polietileno y capa metalizada Fabricante Karpak

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 en sentido paralelo a las fibras. El

comportamiento tiende a ser elástico hasta el punto de

rompimiento, por lo que el punto del esfuerzo de cedencia (Sct)

corresponde al mismo esfuerzo último (Sut).

MIM-2000-I-07

47

Prueba de tension probetas paralelas a las fibras

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%Porcentaje de deformacion

Es

fue

rzo

en

MP

a

Carga probeta 1Carga probeta 2Carga probeta 3Carga probeta 4Carga probeta 5

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

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Porcentaje de desplazamiento

MP

a


Figura 11. Polipropileno metalizado: tensión perpendicular

Los valores obtenidos en estas pruebas permiten calcular el

factor de seguridad en el dirigible a radio control usando

MIM-2000-I-07

48

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:

Fecha 5-nov-99 Nombre Prueba Rasgado ASTM D 1004-66 Material Polipropileno orientado, con

capa de polietileno y capa metalizada Fabricante Karpak

Condiciones Valor Unidad Humedad 50% Temperatura 23 C Tipo prueba 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 en

maxima carga Max carga Esfuerzo max

carga

% kN 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

MIM-2000-I-07

49

6 paralelo 14.123 0.013 16.015 Promedio 14.781 0.013 16.065


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


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:

Fecha 5-nov-99 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 Despl en max Max carga

mm kN 1 11.775 0.149

MIM-2000-I-07

50

2 11.225 0.148 3 11.670 0.15 4 13.926 0.143 5 10.826 0.133 6 11.862 0.15

Promedio 11.881 0.146

Desviacion estandar 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 de tiempo. La

sustancia puede estar en fase líquida, de vapor o gaseosa (se

comporta como gas ideal). En el presente estudio se analiza

solamente el caso relativo a los gases pues se maneja Helio.

La permeabilidad es una característica de las membranas que

depende directamente del área expuesta y de la presión; e

indirectamente del grosor de la membrana. Las unidades con que se

trabaja la permeabilidad de cualquier gas son:

cm3 * mil m2 * 24h * atm

Dado que en el C.I.T.E.C (Centro de innovación tecnológica) no

hay sensor para determinar la permeabilidad con helio, se decidió

MIM-2000-I-07

51

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 Mylar (6 mil)

Un Test

Permeabilidad al Oxigeno

74.99 (*) 74.99 (*) 49.60 64.04 (*) cc/(m2)(24h)(atm)(mil)

ASTM D 3985-80

Permeabilidad al Helio

3118.65 (**) 3118.65 (**)

2325.00 2325.00 cc/(m2)(24h)(atm)(mil)

ASTM D 1434-75

Valor conocido, fuente

DuPont [ref. 6] y [ref. 9]

(*) Valor hallado con prueba de laboratorio

MIM-2000-I-07

52

(**) 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

MIM-2000-I-07

53

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)



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

1

10

100

1000

10000

0 25 50 75

Temperatura en ºC

Per

mea

bili

dad

al G

as e

n

cc/1

m²/

24 h

r/at

m/m

il

Helio

Hidrogeno

Sulfuro de Hidrogeno

Oxigeno

Nitrogeno

Medicion CITEC con Oxigeno

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

MIM-2000-I-07

54

metalizado al vacío. En el dirigible se usa Mylar® transparente,

suministrado por DuPont, aunque sería recomendable usarlo

metalizado.

Una conclusión importante es la relación 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 el proceso de pegado de la membrana (que se

describe más adelante), la capa de retención de gas 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

MIM-2000-I-07

55

Grosor, mil Tiempo requerido para alcanzar el 90% de equilibrio en contenido de humedad en min

½ 15 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

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 20 40 60 80 100Humedad Relativa en %

Co

nte

nid

o d

e h

um

edad

en

%

pes

o

5 mil1/2 mil

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.

MIM-2000-I-07

56

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:

Prueba de tension: grafica esfuerzo deformacionMYLAR PERPENDICULAR AL ROLLO

020406080

100120140160180200

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Porcentaje deformacion %

Esf

uer

zo t

ensi

on

MP

a


Prueba de tension: grafica esfuerzo deformacionMYLAR PARALELO AL ROLLO

020406080

100120140160180200

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%


Esf

uer

zo t

ensi

on

MP

a


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 mayores, pero con muy poca

confiabilidad en la elongación máxima. La tabla de resultados es

la siguiente:

Probeta % Elongacion Ultima

Sut Modulo tensil

Sct (2%)

mm/mm x100%

MPa MPa Mpa

Perpendicular 1 54% 155.22 1695.78

90.00

Perpendicular 2 33% 135.84 2139.05

95.00

Perpendicular 3 91% 178.04 1226.65

90.00

Perpendicular 4 59% 166.22 1352.37

98.00

MIM-2000-I-07

57

7 Perpendicular 5 21% 103.49 1037.2

8 82.00

Promedio 52% 147.76 1490.23

91.000

Desv. Estándar 27% 29.217 434.99 6.083


Sut Modulo tensil

Sct (2%)

mm/mm x100%

MPa MPa Mpa

Paralelo 1 10% 90.60 1833.05

82.00

Paralelo 2 80% 124.78 1988.36

95.00

Paralelo 3 10% 94.35 2902.06

95.00

Paralelo 4 26% 101.16 2328.11

97.00

Paralelo 5 10% 95.86 1620.93

95.00

Promedio 27% 101.35 2134.50

92.800

Desv. Estándar 30% 13.635 500.65 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:

MIM-2000-I-07

58

Prueba de Rasgado: Grafica Esfuerzo DeformacionMYLAR PARALELO ROLLO GRUESO (6mil)

0

5

10

15

20

25

30

35

0% 5% 10%Desplazamiento mm/mm x 100%

Esf

uer

zo e

n M

Pa


Prueba de rasgado: esfuerzo - deformacionMYLAR PERPENDICULAR LARGO (6 mil)

0

5

10

15

20

25

30

35

0% 5% 10%Desplazamiento mm/mm x 100%

Esf

uer

zo e

n M

Pa


Prueba de rasgado: grafica esfuerzo deformacionMYLAR PARALELO AL ROLLO DELGADO (5.5 mil)

0

5

10

15

20

25

30

35

0% 5% 10%Porcentaje deformacion %

Esf

uer

zo t

ensi

on

MP

a


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 carga

Deformacion a maxima carga

Esfuerzo a max carga

N mm/mm x100% MPa

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

MIM-2000-I-07

59

Promedio 3.6 2.165% 17.73

Desv. estandar 1.34 1.173% 7.64

ROLLO GRUESO 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

Desv estandar 0.84 1.239% 3.77

ROLLO DELGADO 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

Desv estandar 0.45 0.308% 2.02

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 se muestra en las siguientes dos figuras,

correspondientes al rollo delgado y al rollo grueso, es muy

similar, tanto en carga como en desplazamiento:

Prueba de Punzonamiento: Grafico Carga - Desplazamiento

MYLAR® ROLLO GRUESO (6 mil)

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12 14

Desplazamiento en mm

Car

ga

en N


Prueba de Punzonamiento: Grafico Carga - Desplazamiento

MYLAR® ROLLO DELGADO (5.5 mil)

0

10

20

30

40

50

60

0 2 4 6 8 10 12 14

Desplazamiento en mm

Car

ga

en N


Figura 15. Mylar® DuPont: Prueba de punzonamiento ASTM 4833

En la siguiente tabla se dan los resultados:

MIM-2000-I-07

60

Probeta Carga maxima en N

Deformacion a maxima 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 Promedio 49.400 9.137


ROLLO DELGADO 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 Promedio 49.600 8.990


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

MIM-2000-I-07

61

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 escape de Helio, por la degradación del

polipropileno. En estos puntos es fundamental la acción 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 Valor Un Grosor 0.08104 mm 32 mil Densidad / area 79.10 g/m2 Permeabilidad al Oxigeno (en 32 mil grosor)

2.27 cc/(m2)(24h)(atm)

Permeabilidad al Helio (en 32 mil grosor)

91.60 cc/(m2)(24h)(atm)

MIM-2000-I-07

62

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, aunque no presenta una buena adherencia. El

laminado resultante no presenta gran adherencia, pero 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

MIM-2000-I-07

63

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:

MIM-2000-I-07

64

Figura 16. Unión usando el laminado polipropileno y Mylar® DuPont

4.4 SEGUNDA ALTERNATIVA: FOIL DE ALUMINIO

La segunda alternativa que se tuvo en cuenta fue un laminado de

foil 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)



Permeabilidad leída 0 cc/(m2)(24h)(atm)/mil

MIM-2000-I-07

65

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.

Prueba de Tension: grafica esf. - deformacionLAMINADO FOIL ALUMINIO

05

101520253035404550

0% 20% 40% 60% 80% 100%Porcentaje deformacion %

Esf

uer

zo t

ensi

on

MP

a


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:


Sut Modulo tensil Sct (2%)

mm/mm x100% MPa 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

MIM-2000-I-07

66

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 - DeformacionLAMINADO FOIL ALUMINIO

0

2

4

6

8

10

12

0% 5% 10% 15% 20%


Esf

uer

zo d

e ra

sgad

o e

n

MP

aCarga probeta 1Carga probeta 2Carga probeta 3Carga probeta 4Carga probeta 5

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 carga


Esfuerzo a max carga

ROLLO GRUESO N mm/mm x100% 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 10.000 4.30% 10.69 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 de la prueba de punzonamiento del foil de

aluminio son iguales a la realizada con polipropileno

metalizado. Sólo se reproducen los resultados finales de la

MIM-2000-I-07

67

prueba. El comportamiento al punzonamiento se muestra en la

siguiente figura:

Prueba de Punzonamiento: carga - deformacionLAMINADO FOIL ALUMINIO

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20

Deformacion en mm

Car

ga

en N


Figura 19. Foil de aluminio: prueba de punzonamiento ASTM 4833

Los datos de la prueba están consignados en la siguiente tabla:



ROLLO GRUESO N mm 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 Promedio 57.800 6.042


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 Polipropileno metalizado

Mylar® grueso Mylar® delgado

Foil aluminio laminado

Unidad Test

Direccion de la probeta

Paralelo Perp. Paralelo Perp. Paralelo No importa

Grosor 0.06604 0.06604 0.015 0.015 0.01375 0.0725 mm 26 26 6 6 5.5 29 mil Densidad / area 60.45 60.45 18.65 18.65 18.65 98.12 g/m2 Densidad /

l915.33 915.33 1241.78 1241.78 1241.78 1353.32 kg/m3

MIM-2000-I-07

68

volumen Resistencia punzonamiento

145.50 145.50 49.40 49.40 49.60 57.80 N ASTM D 4833

Deformacion punzonamiento

11.88 11.88 9.14 9.14 8.99 6.04 mm ASTM D 4833

Material Polipropileno metalizado

Mylar® grueso Mylar® delgado

Foil aluminio laminado

Unidad Test

Esfuerzo rasgado 16.065 12.977 26.071 17.725 23.909 9.516 MPa ASTM D 1004-66 Graves

Carga propagacion grietas rasgado

0.506 0.415 0.800 0.600 0.764 0.310 N/mil ASTM D 1004-66 Graves

Esfuerzo cedencia (2%) - Sct

143 25 92.8 91 91 30.8 MPa ASTM D 882-81

Esfuerzo ultimo tension - Sut

143.01 39.86 101.35 147.76 147.76 41.17 MPa ASTM D 882-81

Elongacion ultima (max)

34% 40% 27% 52% 52% 73% % ASTM D 882-81

Modulo tensil 1000 565 2134.50 1490.23 1490.23 978.72 MPa ASTM D 882-81

Permeabilidad al Oxigeno

74.99 74.99 64.04 64.04 64.04 0.00 cc/(m2)(24h)(atm)(mil)

ASTM D 3985-80

Permeabilidad al Helio

3118.65 3118.65 2325.00 2325.00 2325.00 N. D. cc/(m2)(24h)(atm)(mil)

ASTM D 1434-75

Tabla 18. Consolidado de pruebas para materiales propuestos

Luego de analizar las condiciones de la membrana, se puede

concluir que cualquier material de los arriba expuestos

presentará buen comportamiento en 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

MIM-2000-I-07

69

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 del globo será el mismo en todas las pruebas

realizadas. Se propone también hacer varias mediciones que

permitan medir la confiabilidad del resultado. El sistema de

válvula de cierre se procurará que sea autosellable.

MIM-2000-I-07

70

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.

MIM-2000-I-07

71

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 PermeabilidadPermeabilidadperdida

uniones

material

=

La 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 para la selección, pues dentro de las

alternativas contempladas todos los materiales satisfacen las

exigencias 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 tan pequeña que su valor indetectable por la

máquina de pruebas (C.I.T.E.C); además presenta un 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.

MIM-2000-I-07

71

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:

MIM-2000-I-07

72

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

MIM-2000-I-07

73

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

MIM-2000-I-07

74

(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 m kg kg m3 m2

R D L/D h Longitud Fuerza de sustentacion kg

Carga Volumen He

Area superficial

0.7556 1.5112 2.5 2.2668 3.7780 4.3760 4.3753 4.9693 15.8350

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.

MIM-2000-I-07

75

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 pasados se expuso la técnica usada por los

dirigibles comerciales modernos en las uniones. 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

MIM-2000-I-07

76

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 herramientas calientes: La superficies a

pegar son calentadas contra una superficie caliente,

permitiendo que haya unión, controlando 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 se hace actualmente usando como herramienta

caliente una plancha casera, que ha 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:

MIM-2000-I-07

77

Presión entre mordazas 50 psi

Tiempo de unión 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 y base acuosa presentan una amplia gama de

aplicaciones desde laminación hasta uniones 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

MIM-2000-I-07

78

para unir la película de poliester, además del ultrasonido, es

un adhesivo preferiblemente de base similar (en poliester).

Para la película de PPO laminado, se recomienda usar un

adhesivo con base de poliuretano (según recomendación 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 continuas. Es de alto costo. También se

presentan en forma de películas y láminas, que al ser

calentadas presentan el efecto adhesivo.

• Sensibles a la presión: Produce enlaces poco fuertes. Se

aplican con spray para luego funcionar con acción de 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

MIM-2000-I-07

79

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 la unión.

Algunas sugerencias de los proveedores locales, en cuanto a

adhesivos, fueron: de 3M, 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 fabrica sellantes en base a

poliuretano (ref. SikaFlex ®), el ingeniero Ricardo 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 y adhesivos en base a poliester. El manual de

plásticos recomienda para poliester los siguientes 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

MIM-2000-I-07

80

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.

MIM-2000-I-07

81

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 σ

π

L Pi L Flexion

i xP rt

M rr t

, ,

**

** *

− ≥

− ≥

0

203

La solución a esta restricción implica despejar el límite

inferior para la presión de llenado. El resultado es:

P Mrix≥ 2 3

**π

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,

MIM-2000-I-07

82

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:

σ

σ

T Pii

iT Pi

P Areat perimetro

Pt perimetroArea

,

,

*** *

=

=

Que se traduce en la siguiente expresión al tener en cuenta una

geometría de elipse para el dirigible:

( )( )σ T PiiP b a a

t a a b t,

* **

=+

+ + +1 2

1 2 2 2

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:

( )( )P

t a a b tb a ai

T Pi=+ + +

+* *

*,1 2

1 2

2 2 σ

El dato desconocido es el esfuerzo transversal σσσσT, 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

MIM-2000-I-07

83

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 σσσσT, 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:

Fecha 6-Mar-00 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 23 C Tipo prueba 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 a

maxima carga


Modulo tensil

Sct fuera union

N MPa MPa Mpa Pestaña ½ " 0.005 0.05300 148.222 6.27 Pestaña ½ " 0.007 0.083 160.666 8.43

MIM-2000-I-07

84

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


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"

0123456789

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

Porcentaje de deformacion %

Esf

uer

zo d

e te

nsi

on

en

M

Pa


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

MIM-2000-I-07

85

se esperaría una resistencia mayor a la tensión, pero el

resultado es totalmente opuesto. Los resultados se exponen en la

siguiente tabla:



Modulo tensil

Sct en pared fuera de la union

N mm/mm x100% MPa 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


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 - deformacionJUNTA TIPO T - LONGITUD DE PESTAÑA 1"

0

1

2

3

4

5

6

7

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Porcentaje de deformacion %

Es

fue

rzo

te

ns

ion

en

Mp

a


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:

MIM-2000-I-07

86

Prueba t suponiendo igualdad de varianzas α = 0.05 Pestaña ½" Pestaña 1"

Media 6.870 4.619 Varinanza 0.815 1.078 Observaciones 5 5 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:



Modulo tensil

Sct en pared

N mm/mm x100% MPa Mpa Junta a tope paralelo 56.392 107.06% 1,584.16 67.2370 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

Desviación estándar

7.101 0.173 418.259 8.466

Tabla 24. Unión a tope (paralelo laminado): Prueba de Tensión

ASTM 882

MIM-2000-I-07

87

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:

Prueba tension: grafico esfuerzo deformacionUNION TOPE SENTIDO EXTRUSION

0102030405060708090

0% 10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

130%

140%

150%

160%


Esf

uer

zo t

ensi

on

MP

a


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:



Modulo tensil

Sct en pared

N mm/mm x100% MPa Mpa 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


MIM-2000-I-07

88

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 deformacionJUNTA TOPE PERPENDICULAR A LA EXTRUSION

0

20

40

60

80

100

120

140

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30%


Esf

uer

zo t

ensi

on

MP

a


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

MIM-2000-I-07

89

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 = 170 in2 = 0.10968 m2 Perímetro = 61.0131 in = 1.55 m Presión de falla de la unión = 52 mmHg = 6932.765 Pa Probeta 2 Area (al cortar) = (10.5 * 8) + 82 in2 = 148 in2 = 0.0955 m2 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 = 6.82 m b = 0.62 m

Para los tres casos el grosor de la membrana es:

t = 26 mils = 0.06604 mm

MIM-2000-I-07

90

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 0.06604 Area en m² 0.10968 0.0955 Perimetro en m 1.55 1.4421 Sct limite para union T con ½" pestaña en MPa

6.870 6.870 6.870

Pi limite segun teoria en Pa 6411.62 6851.029 864.83 Pi limite segun experimento en Pa 6932.765 7999.344

Factor experimento/calculo 1.08 1.17 1.12 Pi estimada dirigible en Pa 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 Resitencia ultima Sut [Mpa]

Junta en T pestaña ½" 6.87 Junta en T pestaña 1" 4.62 Junta a tope paralela 75.34 Junta a tope perpendicular 119.98

MIM-2000-I-07

91

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 necesidades, dado que la mayoría de las

termoselladoras no permitían el manejo de laminas de estas

dimensiones. La herramienta ideada debía ser portátil, liviana,

con generación de calor, con distribución del calor en la zona de

termosellado y económica. La solución fue encontrada al unir un

cautín (resistencia para puntos de soldadura en circuitos

electrónicos) 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:

MIM-2000-I-07

92

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

MIM-2000-I-07

93

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:

MIM-2000-I-07

94

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

MIM-2000-I-07

95

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 del proceso ha tratado de asegurar la completa

hermeticidad de la membrana frente a las fugas de gas de

MIM-2000-I-07

96

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.

MIM-2000-I-07

96

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 verifique que el proceso es el adecuado. En este

capítulo se muestran, además del dirigible, los 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

MIM-2000-I-07

97

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®.

• Corte de las piezas, para un volumen de 1 m3 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

fabricación de este pequeño globo de 1 m3 fue el siguiente:

MIM-2000-I-07

98


El corte se realizó sobre medidas en el material.

• Corte de las cintas de unión interna en foil de aluminio.


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:


El corte se realizó sobre medidas en el material.

• Corte de las cintas de unión interna en foil de aluminio.


material de junta.

MIM-2000-I-07

99

• 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.

MIM-2000-I-07

100

• 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:

• Cilindro a 2000 psi, que contiene 6 m3 de helio

MIM-2000-I-07

101

• 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.

MIM-2000-I-07

102

La unión de la membrana con la válvula se realiza con el

aprisionamiento de la película entre dos arandelas, que 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 de pruebas de laboratorio es suficiente con un

manómetro de mercurio en U; pero para el prototipo a 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. La deformación de la membrana genera una

diferencia de potencial eléctrico que puede ser medido y

traducido a una diferencia de presión.

En el anexo 3 se muestra un folleto del fabricante sobre este

transductor de presión.

MIM-2000-I-07

103

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 -

MIM-2000-I-07

104

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

MIM-2000-I-07

105

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 un. Cantidad Costo total Comentario

Membrana: foil aluminio $ 500 m² 60 $ 30,000 Incluye tiras de material y material sobrante

Cinta 3M Highland® $ 30,000 rollo 2 $ 60,000 Gas: Helio $ 30,000 m³ 6 $ 180,000 Cilindro viene con 6 m³ a

2100 psi Gondola: Baterias $ 25,000 un 2 $ 50,000 Gondola: Motores $ 100,000 un 2 $ 200,000 Gondola: Radio control y servos

$ 400,000 un 1 $ 400,000

Trabajo: Hora/hombre $ 3,000 hr/h 90 $ 270,000 9 dias de trabajo, algunas labores dos operarios

Energia: termosellado $ 100 kWh 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

MIM-2000-I-07

106

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.

MIM-2000-I-07

107

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 de fugas de helio es un factor que pude

presentarse, a pesar de todas las precauciones que han sido

tomadas, por lo que se debe tener acceso a una alternativa

viable y económica que permita continuar con el 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

MIM-2000-I-07

108

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 malla sencilla de Nylon®, o la película de

polipropileno metalizado, para proteger al neopreno de la

radiación ultravioleta. El peso de la membrana y la góndola

alcanza los 4 kilogramos, con lo cual se requieren 40 globos de

esta referencia.

MIM-2000-I-07

109


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 aparentemente es de

acuerdo al diámetro máximo permisible que alcanza en 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.


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 estaría asegurada. Con dos globos se logra

levantar la envoltura, otorgándole una forma más 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,

MIM-2000-I-07

110

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

construcción.

El costo de mejorar confiabilidad frente a las fugas es un

aumento de peso (la membrana de los globos pesa) con su

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.

MIM-2000-I-07

111

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 inducidos, aerostática, materiales

plásticos, adhesivos, diseño de experimentos, medición de

variables, desarrollos geométricos y diseño 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 en materiales poliméricos para laminados en la

membrana permiten hoy acceder a tecnología de punta 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.

MIM-2000-I-07

112

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.

MIM-2000-I-07

113

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® polyester film. Chemical Properties. Atención: Rafael Paz. 10. EDMOND Scientific. Weather ballons. http://www.edsci.com

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DIRIGIBLE A RADIO

Documents

Transcript of DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DIRIGIBLE A RADIO