Análisis y optimización del diseño de dirigibles con aumento de estabilidad basado en empuje
Autores: Riboldi, Carlo E. D.; Rolando, Alberto
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Análisis y optimización del diseño de dirigibles con aumento de estabilidad basado en empuje
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Dirigibles
Maniobrabilidad
Propulsores
Simplicidad de diseño
Rendimiento de control
Disposición óptima
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 31
Citaciones: Sin citaciones
A pesar de ofrecer a menudo ventajas significativas con respecto a otras máquinas voladoras, especialmente en términos de resistencia de vuelo, los dirigibles son típicamente más difíciles de controlar. Se han experimentado en gran medida soluciones tecnológicas tomadas del ámbito de la construcción naval, como los propulsores de proa, para aumentar la maniobrabilidad. Más recientemente, también ha aparecido la vectorización de empuje como una solución efectiva para mejorar la maniobrabilidad. Sin embargo, con un interés creciente por los dirigibles de gran altitud (HAAs) y el vuelo autónomo y la necesidad consiguiente de reducir el peso y el rendimiento de elevación, la simplicidad en el diseño es un objetivo deseable. Además de ahorrar peso, reduciría la complejidad y aumentaría el tiempo entre revisiones, lo que a su vez permitiría misiones más largas. Desde esta perspectiva, un diseño de dirigible basado en un conjunto de propulsores no inclinables, colocados de manera óptima para ser empleados tanto en propulsión como en control de actitud, parece particularmente interesante. Si es suficientemente efectivo, tales configuraciones reducirían la necesidad de superficies de control en los estabilizadores aerodinámicos y los actuadores correspondientes. Claramente, desde una perspectiva de diseño de dirigibles, la adopción de muchos propulsores más pequeños en lugar de unos pocos más grandes permite un alejamiento potencialmente significativo de los diseños de dirigibles más clásicos. Si bien por un lado es atractivo, esta solución desbloquea una serie de variables de diseño, por ejemplo, el número de propulsores, así como su posicionamiento en el diseño general, ángulos de inclinación mutua, etc., que se pueden establecer simultáneamente de acuerdo con los objetivos de propulsión y control de actitud. En este documento, exploramos el efecto de un conjunto de parámetros de configuración que definen un diseño de tres propulsores y uno de cuatro propulsores, tratando de capturar su impacto en una medida agregada del rendimiento de control. Para este fin, primero se diseña un sistema de aumento de estabilidad (SAS) para estabilizar el dirigible utilizando propulsores en lugar de superficies aerodinámicas. Luego, se emplea un modelo no lineal del dirigible para probarlo en un conjunto de escenarios de simulación virtual. El análisis se lleva a cabo de manera parametrizada, cambiando los valores de los parámetros de configuración relacionados con el diseño de los propulsores para entender sus respectivos efectos. En una etapa posterior, la elección de los valores de diseño óptimos (es decir, el diseño óptimo) relacionados con los propulsores se encomienda a un optimizador. El documento concluye mostrando los resultados de un caso de prueba numérico completo, sacando conclusiones sobre la relevancia de ciertos parámetros de diseño en el rendimiento considerado y comentando las características de una configuración óptima.
Descripción
A pesar de ofrecer a menudo ventajas significativas con respecto a otras máquinas voladoras, especialmente en términos de resistencia de vuelo, los dirigibles son típicamente más difíciles de controlar. Se han experimentado en gran medida soluciones tecnológicas tomadas del ámbito de la construcción naval, como los propulsores de proa, para aumentar la maniobrabilidad. Más recientemente, también ha aparecido la vectorización de empuje como una solución efectiva para mejorar la maniobrabilidad. Sin embargo, con un interés creciente por los dirigibles de gran altitud (HAAs) y el vuelo autónomo y la necesidad consiguiente de reducir el peso y el rendimiento de elevación, la simplicidad en el diseño es un objetivo deseable. Además de ahorrar peso, reduciría la complejidad y aumentaría el tiempo entre revisiones, lo que a su vez permitiría misiones más largas. Desde esta perspectiva, un diseño de dirigible basado en un conjunto de propulsores no inclinables, colocados de manera óptima para ser empleados tanto en propulsión como en control de actitud, parece particularmente interesante. Si es suficientemente efectivo, tales configuraciones reducirían la necesidad de superficies de control en los estabilizadores aerodinámicos y los actuadores correspondientes. Claramente, desde una perspectiva de diseño de dirigibles, la adopción de muchos propulsores más pequeños en lugar de unos pocos más grandes permite un alejamiento potencialmente significativo de los diseños de dirigibles más clásicos. Si bien por un lado es atractivo, esta solución desbloquea una serie de variables de diseño, por ejemplo, el número de propulsores, así como su posicionamiento en el diseño general, ángulos de inclinación mutua, etc., que se pueden establecer simultáneamente de acuerdo con los objetivos de propulsión y control de actitud. En este documento, exploramos el efecto de un conjunto de parámetros de configuración que definen un diseño de tres propulsores y uno de cuatro propulsores, tratando de capturar su impacto en una medida agregada del rendimiento de control. Para este fin, primero se diseña un sistema de aumento de estabilidad (SAS) para estabilizar el dirigible utilizando propulsores en lugar de superficies aerodinámicas. Luego, se emplea un modelo no lineal del dirigible para probarlo en un conjunto de escenarios de simulación virtual. El análisis se lleva a cabo de manera parametrizada, cambiando los valores de los parámetros de configuración relacionados con el diseño de los propulsores para entender sus respectivos efectos. En una etapa posterior, la elección de los valores de diseño óptimos (es decir, el diseño óptimo) relacionados con los propulsores se encomienda a un optimizador. El documento concluye mostrando los resultados de un caso de prueba numérico completo, sacando conclusiones sobre la relevancia de ciertos parámetros de diseño en el rendimiento considerado y comentando las características de una configuración óptima.