"Dios Sol" quiere ganar el Premio del Concurso de Energía Humana_Premio Helios Car
En junio de 1997, en la Quinta Competencia Internacional de Submarinos celebrada en Bethesda, Maryland, Estados Unidos, se presentó el submarino de propulsión humana "Omer 3" construido por un equipo de desarrollo de la Escuela Politécnica Superior de Montreal, Quebec. , Canadá, establece un récord mundial de velocidad y gana el campeonato. Este submarino de propulsión humana está pilotado por Francos Messonev y tiene una velocidad de 12,929 km/h en un radio de 10 metros y de 12,138 km/h en un radio de 100 metros. El equipo de desarrollo tardó casi tres años en diseñar y fabricar los submarinos de propulsión humana "Omer 3" y "Omer 2". Este submarino de propulsión humana utiliza un casco compuesto avanzado y una hélice avanzada de paso variable. Su éxito cautivó a la comunidad de sumergibles de propulsión humana en ese momento.
Ahora, el equipo de desarrollo está trabajando en el diseño y fabricación de helicópteros de propulsión humana, intentando ganar el concurso de helicópteros de propulsión humana de Sikorsky establecido hace 20 años. El helicóptero de propulsión humana que diseñaron se está construyendo actualmente en una cervecería abandonada en el centro de Montreal. Este helicóptero de propulsión humana se llama Helios, que proviene de la figura de la mitología griega que surgió de las profundidades del océano para convertirse en el dios del sol. El significado metafórico de este nombre es: el equipo de desarrollo pasará de ser el campeón de la competencia de submarinos de propulsión humana al campeón de la competencia de helicópteros de propulsión humana.
En busca del premio de la competencia
El propósito de la competencia de helicópteros de propulsión humana Sikorsky es similar al históricamente famoso premio de la competencia de aviones de propulsión humana Kramer. El Premio Kramer se creó en 1959 para promover el desarrollo de aviones de propulsión humana. La creación de este premio condujo a los vuelos muy exitosos de los aviones de propulsión humana "Buitre con alas de cigarra" y "Albatros con alas de cigarra" en los años 1970 y 1980. El premio del concurso de helicópteros de propulsión humana Sikorsky fue establecido en 1980 por la Sociedad Estadounidense de Helicópteros. La sociedad otorgará un premio de 20.000 dólares al ganador del primer vehículo flotante maniobrable de propulsión humana capaz de realizar un vuelo sostenido propulsado por humanos. Las reglas de la competencia estipulan que un helicóptero más pesado que el aire propulsado por una o más personas debe tener un tiempo de vuelo en "planeo persistente" de 60 segundos, una altura mínima de vuelo sobre el suelo de 3 metros y siempre debe mantener el vuelo dentro de un rango de 10- metro cuadrado de área. Además, al menos un miembro de la tripulación no debe girar con el helicóptero durante el vuelo, es decir, hay partes de la estructura del helicóptero que no deben girar durante el vuelo.
En los 20 años transcurridos desde el establecimiento del Premio de Competencia de Helicópteros Humanos, nadie ha ganado este premio. Esto es suficiente para ilustrar los desafíos de los helicópteros de fuerza humana en términos de fuerza física humana y tecnología de ingeniería. Según Robert Sophie, coordinador de helicópteros de propulsión humana de la Sociedad Americana de Helicópteros, se han construido 17 helicópteros de propulsión humana en el mundo para participar en esta competición, pero sólo dos de ellos han volado. El primero fue el "Da Vinci III", construido por la Universidad Politécnica de California en San Luis Obispo a finales de los años 1980. Durante su vuelo en diciembre de 1989, permaneció suspendido sobre el suelo durante sólo 7,1 segundos. El segundo avión es el "Yuri I", que fue construido a principios de los años 1990 por un equipo de la Universidad de Nihon dirigido por el profesor Higashi Naito. "Yuri I" voló en marzo de 1994, estableciendo un récord mundial oficial con un tiempo de vuelo de 19,46 segundos y una altitud de sólo 0,2 metros sobre el suelo. En vuelos posteriores, estableció un récord no oficial de un tiempo de vuelo de 24 segundos y una altitud de 0,7 metros sobre el suelo.
El profesor Higashi Naito es un diseñador y fabricante de helicópteros de propulsión humana muy respetado que ya se ha jubilado. Fue responsable del diseño y fabricación de cinco helicópteros de propulsión humana, el quinto de los cuales fue el "Yuri I". Todavía está trabajando en la construcción del sexto helicóptero de propulsión humana, llamado "Yuri II". Desde los dos vuelos del Yuri I, los helicópteros de propulsión humana en realidad han avanzado poco, por lo que el Premio del Concurso de Helicópteros de propulsión humana Sikorsky todavía "cuelga en lo alto del aire".
Sin embargo, hay indicios de que pronto habrá un nuevo impulso para el premio del concurso de helicópteros de propulsión humana. Actualmente se están diseñando o en las primeras etapas de fabricación varios helicópteros de propulsión humana.
Estos helicópteros de propulsión humana son: el Yuri II, construido por Higashi Naito; un helicóptero de propulsión humana construido por John Nobile de Fairchild, Connecticut y un helicóptero de propulsión humana llamado Phoenix, que está siendo desarrollado por la Universidad de Michigan en; Ann Arbor. Desarrollado por un equipo dirigido por Dan Patt. El helicóptero de propulsión humana "Helios" ha sido cuidadosamente diseñado y fabricado desde enero de 1998. Es la fuerza principal y la vanguardia en la reciente competencia por helicópteros de propulsión humana.
Equipo de Desarrollo Estudiantil
El proyecto del helicóptero de propulsión humana "Helios" comenzó a implementarse a principios de 1998. El equipo de desarrollo está formado por 15 estudiantes de posgrado y universitarios, y varios estudiantes de posgrado participan en el trabajo. Sus miembros principales son: el líder del equipo Simon Jonkas, el líder del equipo mecánico Alexis Michaud, el líder del equipo eléctrico Christian Belieu, el experto en diseño y fabricación asistidos por computadora y analista de elementos finitos Daniel Kotter, el experto en diseño electrónico Joan Francos Boland y el experto en materiales compuestos Sage Rust. Todos ellos son antiguos miembros del equipo que desarrolló el submarino de propulsión humana "Omo". Junto a ellos trabajan estudiantes con experiencia en diseño mecánico y electrónico, procesamiento de metales y fabricación de compuestos.
La Escuela Politécnica Superior de Québec ha brindado un apoyo sustancial al programa de helicópteros de propulsión humana, incluida infraestructura, financiación y materiales. Además del apoyo brindado por las escuelas técnicas superiores, los estudiantes también trabajaron arduamente para encontrar apoyo de la industria para el proyecto, con resultados evidentes. Por un lado, esto se debe a que el plan es muy significativo y, por otro lado, también al impacto del excelente desempeño del equipo en el desarrollo del submarino de propulsión humana "Omer". Los patrocinadores del plan de la industria incluyen: Bell Helicopter, Bombardier, Kannada, Pratt & Whitney, 3M, DuPont y Aerotech Advanced Materials. Hasta la fecha, el programa es el programa dirigido por estudiantes más grande de la escuela técnica, con premios de aproximadamente $100,000.
Pensando en el diseño general
"Da Vinci III" y "Yuri I" representan dos ideas de diseño diferentes para helicópteros de propulsión humana, y "Helios" es la tercera idea. Pero también tienen las mismas características, es decir, todos son conducidos por una sola persona, son extremadamente ligeros y maximizan el aprovechamiento del efecto suelo. La principal diferencia es que se utilizan soluciones diferentes para el control de rotación de helicópteros de propulsión humana. Además, existen diferencias en los métodos de fabricación y los materiales utilizados.
El helicóptero de propulsión humana "Da Vinci III" de la Universidad Politécnica tiene un diámetro de rotor de 30 metros y dos palas, que son impulsadas por una hélice de punta. Las palas del rotor tienen una estructura de vigas y nervaduras hechas de fibra de carbono y núcleos de espuma envueltos con una película de poliéster. El peso corporal es de 43,55 kg. Durante el primer vuelo del "Da Vinci III", debido a la fricción en el complejo mecanismo de accionamiento, se produjo una rotación residual después de despegar del suelo, causando daños a una pala. El vuelo duró sólo 7 segundos.
El "Yuri I" impartido por Higashi Naito utiliza cuatro pares de rotores de dos palas con un diámetro de 10 metros. Durante el vuelo, dos pares giran en el sentido de las agujas del reloj y los otros dos en el sentido contrario. La estructura de la carrocería que soporta los rotores y el piloto está hecha de fibra de carbono y tubos de aleación de aluminio. Toda la máquina pesa sólo 38,56 kg. "Yuri I" es fácil de volar y tiene una excelente estabilidad, pero es difícil de controlar. Después de que el avión despegue del suelo, debido a la influencia del flujo de aire formado por la rotación de los cuatro rotores, el helicóptero se desplazará lateralmente de manera inalterable. El vuelo terminó no por fatiga del piloto, sino porque el helicóptero se desvió hacia un lado y chocó contra el muro del campo.
"Da Vinci III" y "Yuri I" no pueden elevarse a una altura alejada del efecto suelo porque el mecanismo de accionamiento es demasiado complejo y la fricción consume mucha energía. Para estos diseños de helicópteros propulsados por humanos ya en vuelo y otros fallidos, especialmente el diseño de doble rotor desarrollado por Higashi Naito en las primeras etapas de desarrollo, el equipo de desarrollo de "Helios" realizó estudios cuidadosos y llegó a dos conclusiones importantes. En primer lugar, un mecanismo de propulsión simple y eficiente es el criterio principal para fabricar un helicóptero de propulsión humana que pueda volar; en segundo lugar, se debe minimizar la estructura no aerodinámica de un helicóptero de propulsión humana; En base a esto, creen que un diseño de helicóptero de propulsión humana de doble rotor similar al desarrollado por Higashi Naito en las primeras etapas de desarrollo tiene más posibilidades de éxito.
El fallo del helicóptero de propulsión humana diseñado originalmente casi siempre se debía a la interferencia aerodinámica de los dos rotores porque la distancia entre ellos era demasiado pequeña. El equipo de desarrollo de "Helios" cree que si un rotor se coloca encima del cuerpo del piloto y el otro debajo del cuerpo, la distancia vertical entre los dos rotores será lo suficientemente grande y se resolverá el problema del flujo de aire del rotor. Existe un problema de interferencia mutua de la dinámica. No sólo eso, este diseño también permite que un rotor esté en efecto suelo. Dado que el rotor es más eficiente en efecto suelo durante el vuelo, esto es muy valioso para los helicópteros de propulsión humana.
El principal problema que hay que resolver para el vuelo en helicóptero de propulsión humana es minimizar la potencia necesaria para el vuelo. Desde los primeros días de los vuelos propulsados por humanos, los fisiólogos han señalado que la potencia máxima de una persona fuerte y bien entrenada es inferior a 2 caballos de fuerza. Los pilotos de pruebas del equipo de desarrollo de "Helios" confirmaron una vez más este hecho. Además, las personas sólo pueden mantener este nivel de condición física durante un corto período de tiempo. En 1 minuto, una persona fuerte sólo puede producir aproximadamente 1 caballo de fuerza (aproximadamente 750 vatios) en promedio. Un minuto es el tiempo de vuelo requerido para el premio Sikorsky Human Helicopter Competition, lo cual es un objetivo difícil de lograr.
Por supuesto, también es posible diseñar un helicóptero de propulsión humana propulsado por una tripulación de varias personas. El equipo de desarrollo de "Helios" también realizó experimentos en esta área, pero sorprendentemente, los experimentos mostraron que la potencia producida por un equipo de varias personas era aproximadamente un 15% menor que la suma de la potencia producida por cada persona. Esto se debe a la incapacidad de todos de hacer que sus movimientos estén completamente sincronizados y consistentes cuando están impulsados por un equipo de varias personas.
Aunque el análisis teórico muestra que los rotores más grandes pueden producir una mayor sustentación, los rotores más grandes inevitablemente traerán más peso estructural, más el peso corporal de un piloto de varias personas, lo que hará que el peso de todo el helicóptero aumente. Junto con una pérdida de potencia del 15%, estos factores harán que las ventajas de un helicóptero humano con varias personas sean menos visibles.
En cuanto al tamaño geométrico del helicóptero de propulsión humana "Helios", el equipo de desarrollo cree que desde un punto de vista aerodinámico, cuanto mayor sea el diámetro del rotor de un helicóptero de propulsión humana ideal, mejor. y debería ser más pequeño en vuelo. Gira a baja velocidad, pero desde el punto de vista de la ingeniería mecánica, cuanto más grande es la estructura del rotor, más grande es el cuerpo, más pesado es y más difícil es de fabricar. Por lo tanto, ambos deberían considerarse juntos para lograr el mejor compromiso en el tamaño del helicóptero de propulsión humana. Por supuesto, también se debe tener en cuenta la limitación de que la mano de obra sólo puede producir 1 caballo de fuerza en 1 minuto. Su conclusión es que para un helicóptero de doble rotor de propulsión humana, la relación elevación-peso es mayor cuando el diámetro del rotor es de unos 30 metros.
Helicóptero de propulsión humana "Helios"
La exitosa tecnología del submarino de propulsión humana "Omo" también se utilizó en el diseño del helicóptero de propulsión humana "Helios". Su exitosa tecnología se refleja principalmente en la hélice y el mecanismo de propulsión. Las palas de la hélice adoptan el clásico perfil aerodinámico Waterman, que es una pala cónica y retorcida. Lo más importante es que el barco está equipado con un sistema de paso variable controlado por un microprocesador y adaptado a la velocidad de rotación. Además, "Helios" también se basa en la experiencia del uso de materiales de revestimiento livianos y de alta resistencia para el casco del submarino "Omer 3", es decir, la experiencia del uso de núcleo de panal de Fenlon y materiales de carbono Kevlar/resina, así como como esta experiencia de producción de materiales. Además, el rotor todavía utiliza palas largas con una gran relación de aspecto y una estructura de viga y nervaduras. La estructura de viga y nervaduras ha sido la estructura estándar utilizada en componentes relacionados de aviones de propulsión humana, como alas y palas de rotor, desde el vuelo de los aviones de propulsión humana "Buitre con alas de cigarra" y "Albatros con alas de cigarra". Esta estructura no sólo es muy sencilla de fabricar y fácil de reparar después de un daño, sino también más fácil de modificar después de la fabricación.
Aunque las palas del rotor de esta estructura tienen una alta resistencia a la flexión, su resistencia a la torsión es pobre y es necesario colgarlas con cables para mantener la forma de torsión necesaria. Las palas del "Helios" son largas y delgadas. El mantenimiento de la forma torsional es muy importante. Por este motivo, el equipo de desarrollo eligió un revestimiento resistente para las palas. De esta manera, la carga de flexión y la carga de torsión de la pala son soportadas simultáneamente por las partes estructurales principales y el revestimiento interior de la pala, lo que puede mantener mejor la forma de torsión requerida.
Las cuatro palas de los rotores superior e inferior del helicóptero "Helios" están hechas de material preimpregnado de fibra de carbono/resina con una alta relación resistencia-peso.
El helicóptero de propulsión humana "Helios" está equipado con dos pares de rotores contrarrotativos de doble pala de 30 metros de diámetro, uno superior y otro inferior, con una estructura de pilotaje del piloto. entre. Las palas están hechas de espuma plástica de baja densidad y fibra de carbono de alta resistencia, que pueden mantener fácilmente el perfil aerodinámico y la forma del avión requeridos. El sistema de control es similar al sistema de control del rotor de paso variable de un helicóptero convencional. El peso objetivo de toda la máquina es de 54,43 kg.
En la segunda mitad de 1998 y principios de 1999, el equipo de desarrollo demostró todos los aspectos del diseño mecánico y completó por completo el diseño aerodinámico de las palas del rotor. Durante el proceso de diseño, los miembros del equipo Simon Jonkas y Christian Belieu escribieron un software para predecir cómo se comportaría la pala en condiciones con y sin efecto suelo. En el laboratorio de computación, Jonkas y Belliu pasaron varios meses utilizando el software para realizar extensas pruebas de selección en palas de rotor, probando aproximadamente 3 millones de formas de palas. Concluyeron que una pala de rotor con perfil aerodinámico "Daedalus" 31 y una longitud de pala de 17,5 metros era óptima a una velocidad de 7 rpm.
La serie de perfiles aerodinámicos "Daedalus" fue diseñada especialmente para aviones de propulsión humana por el Dr. Mark Drela del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Estos perfiles se utilizaron en el avión de propulsión humana "Daedalus", que ostenta el récord mundial, y en el helicóptero de propulsión humana "Yuri I".
Las palas del helicóptero de propulsión humana "Helios" tienen una gran relación de afilado (0,1) y un ángulo de torsión (10 grados). Cada pala pesa unos 10 kilogramos, pero las palas del rotor superior e inferior lo son. ligeramente diferente.
Según cálculos de simulación por ordenador, cuando el "Helios" vuela a una altitud de 3 metros sobre el suelo, la potencia total necesaria es de unos 0,8 caballos. En base a esto, se puede esperar que si el helicóptero de propulsión humana "Helios" no puede ganar el premio Sikorsky Competition, al menos podrá volar.
El equipo de desarrollo utilizó un software de análisis de elementos finitos para calcular la tensión y la resistencia máxima de la estructura de la pala. Además, todos los componentes clave se verificaron utilizando este software. El propósito era determinar la resistencia de cada componente únicamente. Se acaban de cumplir los requisitos para reducir el peso estructural del fuselaje tanto como sea posible.
La estructura interna de la pala está compuesta por segmentos aerodinámicos de espuma Dow Cramer XL de baja densidad. Las secciones del perfil aerodinámico se mecanizan utilizando una herramienta de corte de alambre caliente y un juego de encofrados de fórmica, que se cortan a mano a partir de bloques sólidos de espuma en estructuras casi huecas con formas complejas. Cada pala tiene 22 segmentos de perfil aerodinámico de espuma que se ensamblan con material de revestimiento en moldes de fibra de vidrio.
La piel de la pala está fabricada con película de poliéster y material preimpregnado de fibra de carbono no direccional, con una masa de 100 gramos por metro cuadrado y un contenido de resina del 33%. El material es lo suficientemente resistente como para soportar una fuerza de tracción de 44.996 kilogramos por centímetro cuadrado.
El componente estructural central de la pala es una viga de tubo de fibra de carbono con una sección transversal aproximadamente rectangular. El eje del rotor es un tubo de fibra de carbono con un diámetro de 10 cm y una forma ligeramente cónica que conecta las palas al cuerpo. El paso está controlado por un conjunto de cojinetes, engranajes y un pequeño motor.
Antes de fabricar una pala a partir de material preimpregnado de fibra de carbono, primero se debe fabricar un conjunto de moldes formadores. A lo largo de la primavera de 1999, el equipo de desarrollo fabricó cuatro juegos de moldes de fibra de vidrio de 18 metros de largo y otras herramientas. Al hacer un molde, primero use una pieza de yeso para darle forma y luego use una plantilla de aluminio para pulir la pieza de yeso hasta darle la forma requerida, que es el molde positivo. Luego, el molde macho de yeso se utiliza para crear un molde de fibra de vidrio para formar las hojas de fibra de carbono y espuma.
Al fabricar paletas, el material preimpregnado primero debe cortarse en la forma requerida, colocarse en un molde de fibra de vidrio y luego calentarse a 80 grados Celsius y mantenerse durante 4 a 5 horas. Se utiliza resina epoxi como base. el adhesivo esté curado. Hacer la primera hoja fue más difícil de lo esperado, pero una vez que domines las habilidades de elaboración, podrás hacer una en aproximadamente 2 semanas.
Dos problemas importantes que se encuentran en la fabricación de palas de hélice son que los materiales utilizados tienen diferentes características de expansión térmica y se deformarán después del conformado.
Porque la fibra de carbono, la resina, la espuma, la película de poliéster y los moldes muy largos tienen diferentes cantidades de expansión cuando se calientan a 80 grados Celsius durante el proceso de curado. Por ejemplo, el molde se expande 2,54 cm a 80 grados Celsius en comparación con la temperatura ambiente. La hoja de estructura compuesta de longitud larga formada se deformará y se volverá más delgada debido a la gran tensión interna. Este problema no es evidente en aquellas piezas de prueba de tamaño pequeño. El equipo de desarrollo de "Helios" consultó a los desarrolladores del avión de propulsión humana "Raven" de Seattle sobre este tema. Debido a que los materiales compuestos utilizados en este avión son similares a los del "Helios", fue mejor resolverlo.
El 6 de diciembre de 1999 es un día importante para el proyecto "Helios". Ese día, unas 40 personas del equipo de investigación y desarrollo y de la Escuela Técnica Superior presenciaron la escena de la apertura del molde de la pala y la extracción de la primera pala completa totalmente curada.
Aunque esta primera espada tenía algunos defectos, originalmente no estaba pensada para volar. Una semana más tarde fue sometido a pruebas de carga hasta su falla, tras lo cual fue cortado para comprobar su integridad estructural, y los resultados fueron alentadores. El equipo de desarrollo planea fabricar siete palas más y utilizar las cuatro mejores para volar.
El grupo mecánico del equipo de desarrollo completará el diseño de la estructura del avión y el dispositivo de transmisión, y otro grupo será responsable de completar el diseño de un banco de pruebas de rotor totalmente instrumentado para probar las palas. El banco de pruebas del rotor probará las palas a una altitud de 0,3 a 3 metros y recogerá datos sobre el consumo de energía, la sustentación total y el par en función del ángulo de ataque. Estos datos son muy importantes para controlar la altitud del helicóptero, la velocidad del rotor y desarrollar sistemas de control de cabeceo.
Según el plan, a finales de 2000, el helicóptero de propulsión humana "Helios" volará en el Estadio Olímpico de Montreal para ganar el Premio del Concurso de Helicópteros de propulsión humana Sikorsky.