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En el artículo de hoy daremos protagonismo a una tecnología pionera en el ámbito de la aeronáutica: los dirigibles de alta altitud más ligeras que el aire, conocidas también como LTAHAP por sus siglas en inglés (Ligther Than Air High Altitude Platform). Se trata de dirigibles autónomos especialmente diseñados para volar muy alto y que, con esa altura, pueden realizar funciones de observación y telecomunicación; suponen pues una alternativa interesante a los satélites artificiales.

Historia de los dirigibles de alta altitud

La palabra dirigible viene de «globo dirigido» y hace referencia a un globo aerostático clásico al que se le ha dado forma alargada para poder penetrar mejor en el aire; a este globo deformado, se le añaden motores para mover una/s hélice/s que propulsarán el vehículo así como unas superficies aerodinámicas para estabilizarlo y controlarlo. Sin embargo las LTAHAP no se quedan en simples dirigibles, sino que se diseñan para aguantar volando durante un largo periodo de tiempo y no tengan que ser llevados por un piloto: es decir, estos aparatos son autónomos; la clave final para estos vehículos tan peculiares está en la zona de la atmósfera en la que operan: la estratosfera, concretamente en torno a los 20 km de altitud, donde los vientos son más suaves y la altitud es suficiente para dar cobertura a una zona amplia. Es obvio que en una aeronave de estas características, que va a navegar sola a tanta altitud, requiere de una estabilidad y control tremendos: ésa es la parte que nos ocupa en las presentes líneas.

La estabilidad de cualquier aeronave se define más precisamente como la capacidad que tiene ésta para mantener sus movimientos dentro de unos márgenes adecuados en torno al movimiento deseado: un vuelo ideal que se toma como referencia. El control es la capacidad que tiene el piloto (o el autopiloto) para cambiar dicho vuelo de referencia o para mantenerse en el mismo ante injerencias externas como una ráfaga de viento. Así pues, para estudiar la estabilidad y el control de un dirigible hay que seguir los siguientes pasos.

1. Definir el vuelo de referencia de los dirigibles de alta altitud

No resulta muy difícil imaginarse el vuelo ideal idóneo para un dirigible. Se toma un vuelo estacionario, simétrico y rectilíneo en plano vertical; esto es, el centro de masas del vehículo moviéndose según la dirección de alargamiento del dirigible (para la cual, éste penetra mejor en el aire) de forma recta, en ascenso o descenso; el vehículo hace este movimiento sin rotar sobre sí mismo, sin escorar ni balancearse, sino que su plano de simetría coincide con el plano del movimiento.

Dirigibles de alta altitud

Dirigible cualquiera en vuelo de referencia.

2. Plantear las leyes físicas que determinan la desviación respecto a este vuelo en los dirigibles de alta altitud

Sobre el vuelo de referencia previamente establecido, definimos un vuelo perturbado, es decir, añadimos un sumando desconocido a todos los parámetros que cambian cuando el vehículo sale del vuelo de referencia: de esta forma definimos también un vuelo general pero sin perder de vista tal vuelo de referencia. Con estas variables generales desarrollamos las leyes naturales (la ley de cantidad de movimiento y la ley de momento angular) y aplicamos el método de pequeñas perturbaciones, esto es, hacemos que los sumandos introducidos sean pequeños (como debe ser si queremos que el dirigible sea estable); llegamos así a un sistema diferencial y lineal de ecuaciones que hay que resolver, donde las incógnitas son los pequeños sumandos que hemos introducido.

Mención especial merece este paso, pues en ese sistema de ecuaciones aparecen unos términos que a priori desconocemos: la variación de las fuerzas y momentos aerodinámicos con las incógnitas de nuestro problema. Es aquí donde hace su aparición la mecánica de fluidos computacional, más conocida como CFD por sus siglas en inglés (Computational Fluid Dinamics) y gracias a la cual podemos, mediante distintos análisis informáticos, averiguar el comportamiento físico del objeto que nos ocupa. El planteamiento requiere una gran comprensión de conceptos aeromecánicos así como una buena dosis de ingenio para poder obtener los números que queremos con esta poderosa herramienta.

Las fuerzas propulsivas también se ven modificadas cuando el dirigible sale de su vuelo de referencia. En el análisis de estabilidad que estamos describiendo se toma, de forma preliminar, una hélice equivalente ideal; en el futuro, sin embargo, habrá que hilar más fino e implementar el comportamiento de la/s hélice/s estratosférica/s que deben llevar estos vehículos.

Dirigibles de alta altitud

Tratamiento ideal de la hélice

3. Interpretar el resultado de la aplicación de las leyes físicas en los dirigibles de alta altitud

Finalmente y una vez tenemos nuestro sistema totalmente definido, toca reinterpretar la información matemática que obtenemos con dicho sistema. El empleo de matrices y el análisis de Laplace nos dicen que, para que el dirigible sea estable, no hay más que cerciorarse de que los autovalores de la matriz que gobierna el movimiento sean negativos. Así de sencillo.

Los tres pasos descritos conforman un método que resulta coherente, esto es, da resultados iniciales que concuerdan con las leyes físicas y entre sí; es además versátil, porque resulta válido para cualquier dirigible que cumpla unas pocas características geométricas (que por otra parte suelen ser típicas en este tipo de vehículos); y basa su carga de trabajo en la mecánica de fluidos computacional. Concluimos pues que nuestro trabajo constituye un método numérico prometedor para el estudio de estabilidad y control en estas interesantes plataformas.

Carlos Velasco

Autor: Carlos Velasco

Experiencia en el departamento de I+D, inicialmente como estudiante en prácticas y luego como trabajador titulado. Adscrito al proyecto EcoSat: dirigible estratosférico, solar y autónomo; encargado de la estabilidad de vuelo y de los estudios aerodinámicos analíticos y computacionales.

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