DIRIGIBLE NO TRIPULADO: EL REY DE LA AUTONOMÍA Y DEL VUELO EN INTERIORES-FUTURO DE LA CARGA AÉREA ULTRA PESADA
El dirigible es una de las aeronaves más fantásticas que existen por su vuelo estable, tranquilo y extremadamente lento si se requiere.
Pueden tener autonomías entre 4, 6, 8 horas o más; con estas enormes autonomías creo que ya depende es el estado de ánimo y conciencia situacional del piloto para seguir operando esta aeronave remotamente.
Estas aeronaves están diseñadas y construidas a partir de tres estructuras:
Rígido, Semirrígido y No Rígido (blandos).
Dirigibles rígidos se caracterizan por tener una estructura interna sólida, generalmente construida con un armazón de metal o materiales compuestos, que mantiene la forma del dirigible independientemente del gas que contenga. Dentro de esta estructura se alojan varias bolsas de gas, normalmente hidrógeno o helio. Gracias a su armazón, estos dirigibles pueden alcanzar grandes tamaños y transportar cargas pesadas.
Dirigibles semirrígidos combinan elementos estructurales con la presión del gas para mantener su forma. No poseen un armazón completo como los rígidos, pero sí cuentan con una quilla o estructura inferior que soporta el peso de la góndola, los motores y la carga. La envoltura se mantiene tensa gracias a la presión interna del gas, lo que les da estabilidad sin necesidad de una estructura pesada. Este tipo de dirigible resulta más ligero y económico que el rígido, aunque con menor capacidad de carga.
Dirigibles no rígidos (blandos), el estándar de hoy para dirigibles micro y medianos, también conocidos como blimps, no tienen ninguna estructura interna sólida. Su forma se mantiene únicamente gracias a la presión del gas en su interior, que mantiene la envoltura inflada. Son pequeños, fáciles de operar y más baratos, pero su tamaño y capacidad de carga son limitados.
La plataforma no rígida (blanda) es la que usan los dirigibles no tripulados y es la que usa el dirigible de Goodyear y muchos en la actualidad. En estos dirigibles grandes, internamente en su estructura poseen unas bolsas de aire (se inflan y desinflan) para mantener y regular la presión del helio, pero como la escala de nuestros dirigibles remotos es muy pequeña, aquí podemos prescindir de este sistema.
Aquí no estás aplicando velocidad a un ala o a un rotor para generar sustentación. Esta aeronave es muy estable, estás “flotando” literalmente.
Se los puede encontrar de muchos tamaños, los más pequeños que son como el de una pelota de handball incluso menos, y los de tamaño mediano utilizados para avisos o propagandas aéreas, que se ven mucho a las afueras de las empresas o centros comerciales, ya sea operados por un piloto remoto o solo vuelos cautivos (anclados o amarrados a la tierra), y están los más grandes del tamaño de canchas de fútbol o más; son los que en las próximas décadas llevarán docenas de contenedores marítimos.
Nosotros lo utilizaremos para toma de datos aéreos, vigilancia extendida, inspección en exteriores e interiores, lugares en espacios confinados, inspecciones internas dentro de edificios, fábricas, construcciones, ductos de alcantarillados y aires acondicionados, esta plataforma es la mejor para estos trabajos.
El poder de elevación de estas aeronaves lo otorgan los gases de elevación He (helio) y actualmente el hidrógeno (H) solo usado en casos específicos y en industrias experimentales o militares.
SUSTENTACIÓN EN DIRIGIBLES
Cualquier vehículo operando en un medio fluido (gas o líquido) puede obtener fuerzas de sustentación de tres fuentes primarias: sustentación estática, sustentación dinámica (como nuestras aeronaves de alas y rotores) y sustentación por potencia estática.
La más económica de estas fuerzas desde el punto de vista de la producción de sustentación es indudablemente la sustentación estática, en donde la fuerza boyante es generada por el desplazamiento de una porción del medio ambiente por el cuerpo.
El principio de la sustentación estática es que un cuerpo desplaza un volumen del medio circundante en el cual el peso es igual o mayor que el peso total del cuerpo sumergido.
Si el peso es igual, se dice que el cuerpo tiene flotabilidad neutra, mientras que si el peso del cuerpo es menos que el del aire desplazado, el cuerpo tiene una flotabilidad positiva.
La sustentación estática más grande es obtenida por el gas de elevación hidrógeno. El peso de un volumen dado de helio es aproximadamente dos veces el de un volumen igual de hidrógeno; como la sustentación es la diferencia entre el peso del gas y el peso del aire, la capacidad de sustentación del hidrógeno es por el orden del ocho por ciento más grande que la del helio.
La sustentación de los gases de elevación se incrementa al diseñar la estructura de la aeronave en formas alargadas y circunferenciales; la forma de diseño doble elipsoidal provee alta resistencia estructural y buena aerodinámica.
ESTABILIDAD Y CONTROL DE VUELO
El control de vuelo se logra mediante varios sistemas que permiten dirigir, estabilizar y regular la altura.
Aquí solo mencionaré los dos métodos más usados y sencillos para dirigibles pequeños para dirigibles a radio control. Hay varias configuraciones de sus motores y superficies de control para el sistema de maniobra en los dos ejes yaw (guiñada) y pitch (cabeceo). En los dirigibles no se utiliza el movimiento del roll (alabeo), ya que son muy estables en ese eje longitudinal y ninguno hasta el día de hoy no necesitan ese tipo de movimiento.
Este dispositivo al no necesitar fuerzas aerodinámicas para elevarse, muchos fabricantes y entusiastas se dieron cuenta de que podían vectorizar el empuje del motor hacia la dirección que desearan; esto abrió un abanico de posibilidades en cuanto a maniobrabilidad.
En la entrada anterior en este blog hablamos sobre eficiencia energética en drones aéreos; mencioné que entre menos motores y hélices es mejor. Bueno, aquí en el dirigible no te ves limitado en ese aspecto: la sustentación te la está dando el helio o el hidrógeno, tus motores y hélices solo te brindarán el empuje de la dirección de vuelo. En esta aeronave sí puedes poner más motores y hélices.
Aquí los motores no están en constante movimiento. Un ejemplo: si yo quiero ir hacia adelante, solo hago girar el motor que corresponde para ir en esa dirección, o si quiero girar a la izquierda, solo utilizo el motor para realizar este giro; los demás motores permanecen “apagados”, no giran, solo se habilitan cuando se requieran, permanecen siempre en espera para la siguiente orden del piloto.
CONFIGURACIÓN DE MOTORES Y MANIOBRABILIDAD
Dependiendo de la configuración de propulsión que se desee, un dirigible puede operar con un número mínimo de motores para realizar las maniobras básicas de control, principalmente yaw (guiñada) y pitch (cabeceo). Estas aeronaves no poseen control de roll (alabeo); como mencioné antes, no se utiliza y no es necesario.
Solo mencionaré las más extendidas y la que se usa en dirigibles tripulados, ya que de estos se adoptaron en menor medida y más simplificados en los dirigibles a radio control.
En dirigibles tripulados, ambos motores delanteros suelen ir ubicados uno al lado del otro en la parte inferior central del cuerpo o un poco más adelante, o en otros diseños se ubican en los laterales del cuerpo, un motor a la izquierda y otro a la derecha. Estos motores tienen la capacidad de rotar 360° en el eje transversal, para que el piloto dirija el empuje donde él lo necesite, incluso en otros diseños pueden rotar lateralmente o sea tenemos un movimiento total de 360° los motores van montados en una especie de Gimbal.
Hay otros dos motores en la sección de cola, ubicados uno de manera vertical y el otro en posición horizontal; uno efectúa el movimiento de Yaw (guiñada) y el otro el movimiento de pitch o cabeceo.
Adicionalmente, la estructura posee timones de Yaw (guiñada) y Pitch (cabeceo). Estos timones son efectivos y se utilizan cuando la aeronave posee una buena velocidad de avance, pero en velocidades súper lentas o en estacionario estas superficies de control no son efectivas por la poca velocidad de aire relativo pasando sobre ellas y es por eso que se ayudan de los motores. Las hélices de todos estos motores poseen inversión de empuje para tener mejor maniobrabilidad.
Bien, en los dirigibles no tripulados las configuraciones anteriores son las mas utilizadas y obviamente, se tiene que diseñar y hacer de una manera más sencilla. No vamos a tener 3 ó 4 hélices con sistema de inversión de empuje o reversible porque haría muy pesada y compleja nuestra aeronave; pues bien, nada más fácil que sea el propio motor el que posea inversión de giro y si se requiere también se puede efectuar algunos movimiento con empuje diferencial de los motores delanteros, como el sistema total posee poca masa y bajo peso, tampoco necesitaríamos timones ni elevadores, solo implementar estabilizadores fijos, unas aletas en la sección de cola, para dar estabilidad.
En este ultimo diseño hay dos motores ubicados (nariz y cola) para la traslación y las maniobras, están montados en una especie de gimbals, donde el empuje se puede dirigir hacia donde el piloto desee, y se puede controlar ya sea los dos motores a la vez, utilizar empuje diferencial o controla los motores individualmente.
Este enfoque de control mediante múltiples propulsores y empuje diferencial es conceptualmente muy similar al utilizado en drones acuáticos tipo submarino (ROV), donde la estabilidad y maniobrabilidad se logran combinando la fuerza de varios motores distribuidos alrededor del vehículo.
El diseño convencional del dirigible no rígido posee una membrana o recubrimiento exterior que es la encargada de la sustentación estática junto con el gas de sustentación helio o hidrógeno.
Esta aeronave, al ser tan liviana y quedarse suspendida sin fuerzas externas, da la opción para la propulsión electrostática, sin hélices, sin motores girando, y ya se están experimentando con este sistema de propulsión.
Hay diseños híbridos estructurales que hacen que el cuerpo tenga la forma de un fuselaje de sustentación, como los estudiados por la NASA en las décadas del 60 y 70. El fuselaje de estas aeronaves creaba la sustentación y carecían de alas: M2-F1, M2-F2, M2-F3, HL-10, X-24A, X-24B.
Estos dirigibles híbridos dicen analistas y fabricantes aeronáuticos, que en las próximas décadas serán los encargados de transportar los contenedores de algunos puertos marítimos en el mundo. Airlander 10, Loockeed Martin P-791.
Se debe recalcar que estas aeronaves serán autónomas y semi-autonomas y gracias al gas de Hidrogeno es el que se piensa utilizar, pueden levantar las cargas mas pesadas en aviación superando con creces a los aviones pesados de carga actualmente, no hay nada igual.
Dejare varios el links para que lean sobre estas aeronaves sin alas:
Cuerpo de Sustentación, Wingless Flight: Lifting Body, M2-F2, HL-10
Algunos consejos si quieres poner un negocio de drones aéreos del tipo Blimps (dirigibles no tripulados) para inspecciones técnicas es viable y tiene ventajas claras frente a los drones multirrotor, y helicópteros sobre todo en espacios confinados y misiones de larga duración.
Un Dirigible se basa en flotabilidad, no en sustentación aerodinámica, lo que te permite volar muy despacio, permanecer estacionario largos periodos y consumir muy poca energía. En espacios confinados como ductos de alcantarillado, túneles, minas, galerías técnicas o grandes tanques, esto se traduce en mayor seguridad, ya que incluso ante una falla eléctrica el equipo no cae bruscamente, "cae con estilo".
CONCLUSIONES FINALES
A continuación comparto mi análisis y recomendaciones personales para cualquier persona interesada en montar un negocio de micro-dirigibles RC basándome en investigación técnica, observación del mercado y comparación con otras tecnologías aéreas, para trabajos indoor(interiores) y outdoor(exteriores).
Desde
mi punto de vista, los micro-dirigibles representan una
alternativa real y poco explorada frente a los drones aéreos
tradicionales, especialmente en entornos donde la autonomía
prolongada, la estabilidad y la seguridad
son más importantes que la velocidad o la agilidad.
Al ser aeronaves más ligeras que el aire, su principio de vuelo reduce enormemente el consumo energético, permitiendo misiones largas con baterías pequeñas estamos hablando de autonomías de 3-5-6 horas o más. Esto los hace muy interesantes para inspecciones en interiores grandes como naves industriales, centros logísticos, recintos feriales o estructuras altas, donde un dron aéreo convencional puede resultar ruidoso, peligroso o limitado en tiempo de vuelo.
Ahora
bien, el tema importante el Helio
es el eje central de este modelo de negocio y también su principal
punto crítico. Es un gas inerte, seguro y no inflamable, ideal para
sustentación, pero no es barato ni infinito. El costo del helio
depende del proveedor, la región y el volumen, y en la práctica
supone un gasto operativo recurrente, ya que ningún dirigible es
completamente estanco o
sellado para evitar que el helio se vaya fugando por la membrana del
dispositivo.
Aquí en mi país Colombia, un cilindro de Helio 6 m³, esta en el orden de USD 700 a USD 800, un poco más depende de la pureza del Helio y otros distribuidores de la zona.
El helio se escapa lentamente a través de los materiales, incluso en
envolturas de buena calidad. Esto obliga a planificar recargas
periódicas y a considerar el helio como un “consumible”, no
como una inversión puntual.
En
términos de costes
generales,
montar este tipo de negocio no es excesivamente caro comparado con
otras soluciones aéreas profesionales, pero tampoco es trivial. A la
inversión inicial del dirigible hay que sumarle equipos de inflado,
almacenamiento adecuado, baterías, electrónica de control, sensores
de inspección y, por supuesto, formación para el pilotaje.
Un error
común es pensar solo en el vehículo y no en todo el ecosistema que
lo rodea. La ventaja es que el mantenimiento mecánico suele ser
menor que en drones aéreos complejos, ya que los motores trabajan con menos
carga y las estructuras no están sometidas a vibraciones constantes.
Con esa cantidad de 6 m³, si tu dirigible necesita unos 20 litros, que son los pequeños para vuelos en interiores, esa botella podría inflar más de 150 veces tu dirigible desde cero, o mantener uno o dos dirigibles indoor durante años con recargas periódicas. En ese caso, el helio deja de sentirse como un coste diario y pasa a ser un gasto anual o semestral. Pero en operación real no inflas desde cero cada vez, sino que haces recargas parciales, es igual cuando revisas diariamente o semanalmente la presión de las llantas de tu carro o de tu moto, si las notas algo bajas, les haces una recarga parcial, no dejas que se desinflen del todo.
En uso indoor (interiores) normal, con una envoltura decente, el dirigible puede perder alrededor de 1%, 3 % de helio por semana. Eso significa que cada semana solo necesitas reponer 0,3 a 1 litro, no 30 litros. En la práctica, con una botella pequeña podrías hacer decenas de micro-recargas, suficientes para varios meses de operación, siempre que el dirigible no se dañe ni se vacíe por completo.
Mi opinión final para que el negocio tenga sentido hoy, sí o si, casi obligatoriamente se debe empezar con dirigibles pequeños y principalmente para vuelos en interiores. No porque sea la única opción posible, sino porque es la única combinación donde el helio deja de ser un problema y el dirigible tiene una ventaja clara frente a otras tecnologías.
En interiores, un dirigible pequeño juega en su mejor escenario. No hay viento, no hay turbulencias fuertes, no hay cambios bruscos de presión ni temperatura, y el espacio está controlado. Esto reduce muchísimo el desgaste, las fugas de helio y el riesgo operativo. Además, el cliente suele valorar más la seguridad pasiva: un dirigible pequeño, lento y flotante es mucho menos peligroso que un drone aéreo con hélices girando cerca de personas, maquinaria o estructuras. Esa percepción de seguridad es clave para que las empresas acepten el servicio y paguen por él.
El tamaño pequeño también es fundamental para la viabilidad económica. Cuanto más grande es el dirigible, más helio necesita, más superficie tiene para perder gas y más complicado es almacenarlo y transportarlo. Un micro-dirigible bien diseñado puede mantenerse operativo semanas con pequeñas recargas, mientras que uno grande empieza a generar costes y logística que solo se justifican en publicidad o proyectos muy grandes.
Además, en vuelos para interiores el dirigible no necesita levantar todo su peso con helio. Se puede hacer una recarga (por ejemplo, el 70–80 %) y el resto lo manejen los motores. Esto reduce el volumen de gas, mejora el control y baja el coste operativo. En exteriores esto es mucho más difícil porque el viento obliga a sobredimensionar todo.
Les dejo algunas de las fuentes de la información brindada en esta sección:
Design, implementation and control of a UAV blimp for photography
Review of autonomous outdoor blimps and their applications - ScienceDirect
The Advantages Of Unmanned Blimps As Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)
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