Ferran Lumbierres, estudiante de grado en Ingeniería de Vehículos Aeroespaciales en la Escuela Superior de Ingenierías Industrial, Aeroespacial y Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT) de la UPC, ha desarrollado un vehículo aéreo eléctrico no tripulado (UAV) que podría volar con autonomía infinita con una incidencia solar por encima del 70%.
Diseñado en el marco de su trabajo de fin de grado, el estudiante ha detallado el proceso de diseño y las consideraciones técnicas necesarias para poder construirlo y volar con garantías de éxito en misiones de larga duración. El coste de los materiales para fabricar este el UAV no superaría los 3.200 euros.
Explorar el límite de las capacidades tecnológicas y de diseño actuales, optimizar todos los sistemas que integran el funcionamiento de un UAV y conseguir que pueda volar con autonomía infinita es el objetivo del trabajo que ha sido tutorizado por Luis Manuel Pérez Llera, investigador del Departamento de Ingeniería de Proyectos y de la Construcción de la UPC.
Ferran Lumbierres ha proyectado un UAV que, con condiciones meteorológicas favorables podría volar los meses de abril a septiembre incluso durante la noche. En los meses con menos incidencia solar (otoño e invierno), con una previsión del 30% de reducción solar, el vuelo de autonomía infinita también sería posible, aunque si las condiciones meteorológicas fueran muy desfavorables, el avión debería aterrizar para recargar baterías.
Aspectos tecnológicos
Lumbierres ha centrado su trabajo en los aspectos más tecnológicos como la aerodinámica, la estructura, el control autónomo, la obtención de energía, la construcción y comprobación del primer prototipo, la optimización del sistema de propulsión y el diseño y el análisis estructural de la cola y el fuselaje. Pero, tal y como explica el estudiante, “el diseño de un UAV de autonomía infinita está basado en una serie de sistemas que deben funcionar en sintonía y deben estar dimensionados unos en función de otros. Busco la máxima eficiencia. Cada gramo y vatio consumido de más pueden marcar la diferencia entre el éxito o el fracaso del diseño“.
“Para lograr que mi UAV vuele con autonomía infinita, la clave reside en la densidad energética de las baterías, es decir, en la cantidad de energía que pueden almacenar por kilogramo de batería y, sobre todo, en cómo las ubicamos dentro de la aeronave “, explica Lumbierres. Por tanto, las baterías y su densidad energética son uno de los pilares fundamentales del diseño del UAV: las baterías que se utilicen para construir un UAV de autonomía infinita deben contar con la mayor capacidad energética posible. Esto implica una elevada potencia con poca masa.
Pero también es importante su ubicación dentro de la aeronave para evitar que su distribución requiera una estructura voluminosa que genere una elevada fricción con el aire. Por ello, Lumbierres ha pensado en un encapsulamiento de baterías de pequeño formato. Cuanto mayor es la batería, más necesario es un fuselaje de mayores dimensiones, que resulta menos eficiente. Si el encapsulado individual de las celdas que conforman la batería es menor, éstas se pueden distribuir por la aeronave sin aumentar las dimensiones del fuselaje. Así, el estudiante ha encontrado una solución ingeniosa para ubicar las baterías: encajarlas dentro de un tubo cilíndrico que a la vez haría la función de viga transversal de las alas. De esta manera se mantiene un diseño del fuselaje aerodinámico, esbelto, minimizando así la fricción con el aire.
Características técnicas
Las alas están fabricadas con fibra de carbono y fibra de vidrio. “Con materiales compuestos, la estructura del UAV tendrá buenas propiedades mecánicas con muy poco peso“, añade Lumbierres. También es necesario que las baterías dispongan de una vida útil larga y que puedan alternar ciclos de carga y descarga sin haber pasado por una descarga completa antes de la carga.
La batería por la que ha optado el estudiante de la UPC es Samsung, de iones de litio en formato de celda de 18 milímetros de diámetro y 650 milímetros de longitud, con una capacidad de 3.000mAh y con un ratio máximo de descarga de 5C, lo que implica una descarga máxima a 15A.
