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Ultraligeros surcan el cielo con motores de diseño nacional

Una de las ventajas de los ultraligeros es que el piloto puede tomar decisiones en tiempo real y cambiar el plan de vuelo. En la imagen, el estudiante Gabriel Villegas (con casco) realiza pruebas con el profesor Eduardo Calderón (foto: Laura Rodríguez).

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Profesores y estudiantes de Ingeniería Mecánica trabajan para perfeccionar el funcionamiento de motores aeronáuticos eléctricos
8 nov 2018Ciencia y Tecnología

Una de las formas de investigar sobre las condiciones climáticas, medio ambiente y el comportamiento de la fauna y flora es hacerlo directamente desde el aire, mediante el uso de ultraligeros como parapentes y alas delta. Estos aparatos, gracias a un proyecto de la Escuela de Ingeniería Mecánica (EIM) de la Universidad de Costa Rica (UCR), tendrán características ecoamigables.

La iniciativa se basa en dos proyectos, el primero se denomina “Diseño, construcción e implementación de un motor eléctrico para propulsar ultraligeros” y el segundo se llama “Ultraligeros eléctricos: una propuesta para descarbonizar el transporte aéreo”.

Esta idea surge de la mano del profesor Eduardo Calderón Obaldía y en ella se han involucrado hasta el momento casi 30 estudiantes, así como profesores de la EIM y de la Escuela de Ingeniería Eléctrica (EIE). Igualmente, ha dado como resultado dos tesis de licenciatura y un curso libre en la Escuela de Estudios Generales.

En nuestro país, la Dirección General de Aviación Civil, entidad encargada de reglamentar el tráfico de aire, posee una sección dedicada a los ultraligeros, en la que los define como máquinas de transporte aéreo con un peso inferior a 750 kilogramos.

“Un parapente es una tela con forma aerodinámica que sujeta a un pasajero mediante un arnés y vuela utilizando motores o corrientes de aire, mientras que el ala delta es una estructura rígida tubular de aluminio aeronáutico (más resistente y liviano), compuesta por otro sistema aerodinámico que le permite volar con motores o corrientes de aire”, detalló Calderón.

Motores eléctricos innovadores

Los proyectos de la EIM pretenden crear ultraligeros impulsados con motores eléctricos, para no contaminar el ambiente y que sirvan como herramienta principal para llevar a cabo múltiples trabajos de investigación en diferentes campos.

Calderón aseveró que Costa Rica, por su biodiversidad, tiene una gran área de estudio en el ámbito del medio ambiente, vida silvestre y prácticas agroeconómicas. “La forma más rápida y eficiente de hacerlo es por aire, de esa forma se logra medir las emisiones de dióxido de carbono, radiación ultravioleta, oxígeno y variaciones en la temperatura”, explicó el ingeniero. Además, se puede analizar la migración animal, los cultivos o la tala de árboles.

Aunque lo anterior se realiza convencionalmente con aviones, helicópteros o satélites, es mejor utilizar aparatos de bajo costo y que no contaminen, añadió.

El estudiantado y Calderón han comparado el rendimiento de tres diferentes tipos de motores: combustión interna (usados regularmente en los ultraligeros), motores a reacción (turbina) y eléctricos. El objetivo es poder comprobar y afirmar con base científica que la eficiencia de estos últimos les otorga una gran ventaja sobre otras opciones.

“Nos dimos a la tarea de construir un motor de combustión interna y lo adaptamos a fin de que nos diera la suficiente potencia para sostener el ultraligero en el aire, pero sabemos que son ineficientes y contaminantes. También, construimos una turbina, como la de un avión, pero a menor escala y con menos potencia, aunque con suficiente empuje para hacernos volar. Como resultado tenemos que produce mucho ruido (120 decibeles), debido a la expulsión de aire comprimido para generar más impulso, además contamina el aire pues usa queroseno como combustible”, describió Calderón.

Así es como pasaron a la siguiente tecnología: motores eléctricos. Estos son implementados regularmente en el trasporte terrestre, pero poco a poco se están insertando en el aéreo, con un motor de última generación que no lleva carbones que producen fricción y calentamiento. Asimismo, es más eficiente, tiene poco peso y ofrece mucha más potencia, ya que está compuesto por tres motores eléctricos pequeños que producen tres caballos de fuerza cada uno (6 700 watts en total).

Este motor tiene una configuración triangular y se le adapta una propela o hélice hecha con fibra de carbono. Lo hemos probado con sensores para medir la temperatura que genera, su eficiencia mecánica, la emisión de sulfuros de hidrógeno y monóxido de carbono, así como el desempeño de las dos baterías de ion de litio”, indicó Calderón.

Conocimiento sobre aeronáutica

El conocimiento que adquieren los estudiantes al realizar este tipo de trabajos resulta invaluable, pues parten desde la concepción misma de cómo es un motor, hasta su diseño y la elaboración de sus partes, para desechar modelos ineficientes y probar propuestas innovadoras.

El estudiante Carlos Campos Ramírez trabajó en estos proyectos por iniciativa personal, “así aprendo cómo manejar las herramientas en el campo de la aeronáutica y cómo funcionan los aparatos. Saber que colaboré con una parte de esto es gratificante y puedo decir que estoy dándole algo a la carrera”, dijo.

Por su parte, Daniel Chacón García, también de la carrera de Ingeniería Mecánica, manifestó que su participación en los proyectos “representa la oportunidad de aprender sobre temas como el principio de sustentación, que es el que hace volar los aparatos, la parte mecánica al examinar y construir un motor, ver sus componentes y compararlos con otros modelos”.

“Me encantaría centrarme en el diseño mecánico de motores y análisis de perfiles aerodinámicos, pues son áreas que van a tener mucho impacto en el futuro”, agregó.

Junto con el profesor Calderón, trabajan en este proyecto los universitarios Edgardo Rivera Mattey, Brynner Arguedas López, Gabriel Villegas Campos, Samantha Tasara, Isaac Méndez, Fabián Vega y Carlo Trejos, además de Campos y Chacón.

Seguridad en el aire

En el apartado de la seguridad y licencias, en Costa Rica existen escuelas de ultraligeros para aprender a cómo manejar estos aparatos, estos centros buscan actualmente integrarse en asociaciones o una federación para, entre otros objetivos, poder conseguir seguros, reveló el Ing. Calderón, ya que éstos no existen para este tipo de actividad.

“Se puede obtener un seguro para aviones pero es demasiado caro, pues los ultraligeros se incluyen como aeronaves convencionales, por lo que para una actividad de lucro en la que se involucran a los ultraligeros ahora mismo no hay seguros; existen seguros contra terceros pero no para primera persona”, subrayó Calderón.

En cuanto a las licencias para pilotear un ultraligero, en país en este momento no son exigidas y cualquier persona que sepa maniobrarlos puede volar en ellos, “en el ámbito internacional sí se puede obtener una licencia de este tipo y eso da confianza, pero en Costa Rica no está regulado y eso es preocupante pues no hace falta estar a mil metros de altura para sufrir un accidente grave”, determinó Calderón, quien cuenta con licencia internacional para vuelo de ultraligeros obtenida en cursos que llevó en Estados Unidos y Alemania.

Para obtener piezas a partir del hierro utilizaron una cortadora de corte de plasma y a algunas de esas piezas les dieron un tratamiento térmico para aumentar su dureza y resistencia (foto Eduardo Calderón).

La aeronáutica y astronáutica en Costa Rica es muy incipiente, declaró el Ing. Calderón, pero con estas investigaciones se dan los primeros pasos en el desarrollo de la expertise necesaria para que empresas a generan trabajo en estas aéreas lleguen al país y encuentren que hay profesionales con la capacidad de resolver problemas aerodinámicos (foto Eduardo Calderón).

Los responsables de este proyecto diseñaron sus propios engranajes para hacer funcionar los motores eléctricos, para poder contar con prototipos de ultraligeros con mejor rendimiento y ecoamigables (foto Eduardo Calderón).

Para el desarrollo de este proyecto se han utilizado diferentes máquinas o dispositivos tecnológicos que están en diferentes laboratorios de la EIM, como en el Laboratorio de Materiales, Laboratorio de Transferencia de Calor (prueban prototipos aerodinámicos en el túnel de viento), Laboratorio de Metalurgia, Laboratorio de Mecatrónica (impresoras y scanners 3D para diseñar y crear piezas), Laboratorio de Procesos de Manufactura, y Hangar de Simulación Aerodinámica (foto Laura Rodríguez).

Los estudiantes Daniel Chacón y Gabriel Villegas ensamblan el motor eléctrico aeronáutico para ultraligeros, el cual es diseñado y construido en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la UCR (foto: Laura Rodríguez).

Los motores eléctricos fueron probados en el Laboratorio de Investigación en Robots Autónomos y Sistemas Cognitivos (ARCOS-Lab) de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, además en el Centro de Investigación en Ciencias del Movimiento Humano (CIMOHU) se han analizado diferentes posturas aerodinámicas para el piloto, y el Instituto de Investigaciones en Ingeniería (INII) también ha colaborado con este proyecto (foto Eduardo Calderón).

El motor eléctrico se puede accionar a control remoto, pero la idea es que sea un piloto el que viaje y conduzca el ultraligero para variar el plan de vuelo cuando así se necesite, acción que no se puede lograr con un vehículo aéreo no tripulado, que es programado previamente para que cumpla ciertas tareas (foto Eduardo Calderón).

El diseño de los ultraligeros incluye la construcción del chasis (hecho de aluminio y fibra de carbono), que es la parte central del aparato a la que se le adapta una malla protectora circular con un tubo de aluminio que le da forma y se le puede instalar cualquier tipo de motor (foto Eduardo Calderón).

Al chasis se le realizaron varias pruebas simuladas digitalmente para conocer la presión que podía experimentar en el aire y obtuvieron datos sobre los esfuerzos mecánicos que existen en ciertas configuraciones geométricas cuando se les aplica diferentes tipos cargas, así como las temperaturas que pueden soportar; de esa forma llegaron a concebir la forma particular del chasis para montar allí el motor eléctrico (foto Eduardo Calderón).

El parapente y el ala delta que se utilizan para este estudio fueron donados a la Escuela de Ingeniería Mecánica por parte del prof. Calderón (foto Eduardo Calderón).

Para volar parapentes y alas delta se necesita que existan condiciones meteorológicas favorables, por lo que el Ing. Calderón aseguró que han colocado estaciones de monitoreo en Caldera, Dominical, Jaco, Rivas de Pérez Zeledón, y en La Pastora de Turrialba, para documentar y caracterizar zonas de vuelo; de esta forma elaborarán una guía sobre sitios idóneos para llevar a cabo esta práctica en el país (foto Eduardo Calderón).

El viento puede comportarse de dos formas: regular (laminar) o irregular (turbulento), y para evaluar el desempeño de estructuras como edificios, puentes o perfiles aerodinámicos como las costillas de alas delta, en la Escuela de Ingeniería Mecánica los estudiantes pueden utilizar un túnel de viento para poder hacer este tipo de pruebas o simulaciones con maquetas e identificar su comportamiento para perfeccionar, en este caso, la forma de las alas para un vuelo más eficiente; aparecen en la foto (en orden usual): Brynner Arguedas López, Edgardo Rivera Mattey, Daniel Chacón García, Carlos Campos Ramírez y Gabriel Villegas Campos (foto Laura Rodríguez).

Para la evaluación del desempeño de algunas de las piezas del motor eléctrico se utilizaron impresoras 3D: primero hicieron el modelado de la pieza por medio de un software y después la enviaron a imprimir, de esta forma pueden elaborar el perfil de un ala o de una hélice, el siguiente paso es probarla y comprobar que esa estructura sea capaz de resistir y que no se quiebre; asimismo, con un escáner 3D se copia digitalmente el objeto para estudiarla y hacerle pruebas en computadora (foto Laura Rodríguez).

Estudiantes de Ingeniería Mecánica quienes trabajan en el proyecto de ultraligeros montan el motor de turbina en la estructura para realizar pruebas de desempeño del mismo (foto Laura Rodríguez).

Este prototipo pertenece a un trabajo final de graduación de la Licenciatura en Ingeniería Mecánica que se basó en la conceptualización de un fuselaje aerodinámico adaptable al ala delta y que utilice un motor eléctrico; esta tesis se llama: Diseño de un fuselaje tándem (para dos personas) tipo triciclo para ultraligero eléctrico (foto Eduardo Calderón).

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