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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
INGENIERIA AERONAUTICA
“Modelado de un Hovercraft ligero”
REPORTE FINAL DE INVESTIGACIÓN
ELABORARON:
Hernández Peréz Misael Salvador Bautista Ricardo
MEXICO D.F. FEBRERO 2006
Índice Introducción V
Glosario VII
Objetivo general VIII
Justificación VIII
Alcances VIII
Metodología VIII
Capitulo I Estado tecnológico 1
Capitulo II. Principio de funcionamiento 4 2.1 Fundamentos 5 2.1.2 Levantamiento. 5 2.2 Faldones 6 2.2.1 El faldón tipo oruga 6
2.2.2 El faldón tipo bolsa 7 2.2.3 El faldón segmentado 7
2.3 Altura de flotación 10 2.4 Diseño del faldón y del material 12
2.4.1 Oruga 12 2.4.2 Las bolsas 15 2.4.3 Segmentos 15
2.5 Suministro del aire de levantamiento 18 2.6 Flujo del ducto 21 2.7 Estabilidad 25 2.8 Equilibrio 28 2.9 Empuje 30
2.10 Efectos de entrada 36 2.11 Control 38 2.12 Dinámica 41 2.12.1 Curva de resistencia 41 2.13 Forma 44 2.14 Efectos dinámicos 45 2.15 Estructura del casco 50
III
2.16 Estructura de la maquinaria 52 2.17 Polvo y dispersión 53 2.18 Motores 54 2.18.1 Motor de gasolina de dos ciclos 54 2.18.2 Motores de gasolina de cuatro tiempos 56 2.18.3 Motores diesel 57 2.18.4 Motores de aviación 57
Capitulo III Principio del diseño del hovercraft 58
Capitulo IV Diseño y modelado del vehículo 61 4.1 requerimientos de diseño. 62 4.2 Determinación de la potencia del levantamiento 62 4.3 Diseño de las aletas para el timón 65 4.4 Diseño de la hélice para empujar el hovercraft 67 4.5 Diseño del mecanismo impulsor 68
Conclusiones 71
Bibliografía 72
Anexos 73
IV
Introducción
Este trabajo es en esencia un proyecto sobre la posible construcción de un
aerodeslizador (Hovercraft) impulsado mediante energía mecánica generada por
una persona. La potencia necesaria para mantener constante el flujo de aire que
infla el colchón, que es en sí el principio de funcionamiento del vehículo, se tomará
de un motor.
“Hovercraft” fue el nombre que le dio su inventor, Sir Christopher Cockerell.
Su significado ha variado con el tiempo, hasta ahora poder definirlo como una
versión anfibia para la mayoría de los vehículos que usan colchón de aire. Sin
embargo, no es precisamente ésta la mejor definición por lo que se usará para el
caso de su mejor comprensión la siguiente:
“Aerodeslizador, también llamado hovercraft, es un vehículo que se mueve
sobre la superficie del agua o sobre la tierra; se sostiene sobre un colchón de aire
de hasta 2,4 m de grosor. El colchón de aire se consigue gracias a un ventilador
de gran tamaño que empuja el aire hacia abajo en el interior de unas paredes
flexibles que rodean el perímetro del vehículo. El movimiento hacia adelante se
logra mediante propulsores montados sobre el vehículo o mediante el control de la
salida del aire a través de pequeñas aberturas que rodean las paredes. Los frenos
se controlan invirtiendo el paso del propulsor o cambiando el sentido del flujo de
aire que pasa por los respiraderos de las paredes.”
Los controles de mando son muy parecidos a los que se encuentran en un
avión. Hay una rueda de control que regula la altura del vehículo y los pedales del
timón controlan la guiñada (movimiento lateral). La velocidad sobre el agua está
limitada por la altura de las olas y la velocidad del viento. El principio de
funcionamiento es el mismo ya sea cuando transita sobre agua o tierra: el colchón
de aire impide que el casco choque contra la superficie cuando cambia el terreno.
V
El capitulo primero titulado “Estado Tecnológico” muestra una breve reseña
de cómo ha evolucionado la tecnología sobre los Aerodeslizadores pero sobre
todo hasta que punto se ha llegado en cuanto a investigación sobre ellos.
Para detallar más el funcionamiento de un Hovercraft, así como entender
las consideraciones que se tomaran para su diseño se presenta el capitulo
segundo “Principios de funcionamiento” en el cual se describe una pequeña
metodología de diseño para aerodeslizadores pequeños sin ser del todo técnica.
Las leyes físicas y expresiones matemáticas que rigen el funcionamiento
del vehículo son expuestas en “Principios de Diseño del aerodeslizador” que
conforma el tercer capitulo de este estudio. Se menciona la teoría de cantidad de
movimiento lineal y el efecto suelo que son claves para poder entender e iniciar el
diseño del vehiculo.
El cuarto capitulo titulado “Diseño y modelado del vehiculo” es el desarrollo
del diseño y los cálculos que se han hecho para poder definir las características
del prototipo del aerodeslizador y así crear el modelo ideado.
VI
Glosario de acrónimos
A Área de levantamiento del colchón As Área de salida del aire
α Angulo de ataque d Espacio entre la falda y el suelo
Peso del vehículo C
Cs Coeficiente de velocidad potencia D Diámetro de la hélice
Dm Resistencia producida debido al momento de levantamiento del aire Apertura de periodo de escape en grados E
FG Fuerza de giro de la pala η Eficiencia de la hélice H Altura de levantamiento h Altura de la falda
fuerza de gravedad g l longitud modifica
Longitud del hovercraft L n Rpm N revoluciones del motor Pc Presión del colchón Vs velocidad del sonido del gas V velocidad del hovercraft
Flujo de salida del lift fan *v W Ancho del hovercraft Z
Masa total debido a levantamiento del aire siendo succionada por el sistema de levantamiento de la maquina
VII
Objetivo general.
Diseñar un sistema de propulsión confiable para un hovercraft recreativo
que sea ecológico y de bajo costo.
Justificación
La idea de poder comprar o construir un aerodeslizador recreativo
muchas veces se ve frustrada debido a los costos, sin embargo estos pueden
verse enormemente reducidos al evitar la adquisición de un motor. El principal
motivo para crear este dispositivo es que al utilizar un motor de gasolina (que son
los que normalmente se utilizan) los desechos de este contaminan en gran medida
el ambiente donde se desplazan. Cabe señalar que los lugares donde mas se
utilizan este tipo de vehículos recreativos son en zonas donde la naturaleza ofrece
todavía bastantes atractivos. La disminución de contaminación por ruido, por
desechos tóxicos y emanación de gases es disminuida en gran medida sino es
que casi en su totalidad con la presente propuesta.
Alcances
• Diseño del prototipo
• Modelado del mismo
Metodología
• Investigación documental.
• Definición de los requerimientos del vehículo.
• Desarrollo del diseño. ® • Modelado del prototipo con auxilio del programa Unigraphics NX2
VIII
CAPITULO I. ESTADO TECNOLOGICO
1
Hacia finales de los años ’50 Sir Christopher Cockerell invento el hovercraft
(concretamente en 1956) y creó los primeros diseños de un hovercraft práctico.
Estos diseños fueron la guía para la construcción del primer hovercraft producido
comercialmente, el SRN1.
A finales de los años 60 la construcción a gran escala de estos vehículos se
llevo a cabo en Inglaterra y su finalidad fue la de transportar pasajeros y
automóviles a través del Canal de la Mancha. Los aerodeslizadores se empezaron
a utilizar al mismo tiempo para fines militares que para rescate, carreras, crucero y
carga. Los aerodeslizadores, hoy en día son utilizados para entretenimiento y
recreación, corte de césped, juegos de parques de diversiones, trenes, etc.
Fig. 1.1 SRN1 Primer Hovercraft construido comercialmente en cruzar el Canal de la Mancha
Actualmente, los aerodeslizadores prestan servicio en todo el globo, tanto
para usos civiles como militares. Sin importar sus dimensiones o su conformación,
son utilizados como transbordadores sobre ríos y estrechos; como herramientas
de trabajo en lagos, ríos, pantanos y mares; como vehículos de auxilio e incluso
como vehículos de desembarque de tropas militares. Son utilizados oficialmente
por dependencias gubernamentales de todo el mundo, como Guardias Costeras,
Forestales y de Incendios, Institutos de Geología, y ciencias del Agua,
Escuadrones de Salvamento, Desastres Naturales y Desinfección.
Hoy en día, existe un número cada vez mayor de compañías especializadas
en la construcción de aerodeslizadores haciendo uso de las mismas técnicas de
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construcción de las grandes compañías, lo cual garantiza su funcionalidad y
confiabilidad; también es creciente la cantidad de aerodeslizadores "hechos en
casa" y del tipo "para armar", con fines recreativos y para competencias. Asimismo,
en lugares como Europa, se están empezando a organizar carreras y
campeonatos, todavía no patrocinados, pero que cuentan con una afición
creciente y entusiasta; en los que se hacen demostraciones de verdaderas
máquinas de carreras que sobrevuelan las aguas a velocidades incluso mayores a
los 150km/h.
Su altísima velocidad, maniobrabilidad, gran capacidad de carga,
versatilidad, insensibilidad a la consistencia de la superficie sobre la que se
desplaza, invisibilidad al radar y al sonar (en las versiones militares), unido a su
bajo costo de mantenimiento, convierten a los aerodeslizadores en un medio de
transporte único e insustituible.
Actualmente los diversos sistemas de suministro de energía para los
aerodeslizadores varían desde los hovercrafts impulsados por motores eléctricos
que son silenciosos y no contaminantes hasta los hovercrafts con potencia diesel
que son fuertes, seguros y de fácil mantenimiento o impulsados con motores de
reacción con fines militares
3
CAPITULO II PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
4
2.1 Fundamentos
El hovercraft obtiene su levantamiento o sustentación del fluido presurizado
que actúa sobre la superficie del vehículo. La superficie de levantamiento es
definida por la longitud (L) y el ancho (W) de la maquina o por el diámetro en el
caso de los hovercraft circulares. Hoy casi sin excepción los hovercraft son mas
largos que anchos, su relación entre el largo y el ancho es aproximadamente de
dos. Las maquinas realmente rápidas llegan alcanzar una relación de tres o mas
L/W 2 para maquinas estándar ≤
L/W ≥3 para maquinas de alta velocidad
La longitud es una dimensión importante y probablemente una de las
formas más fáciles de clasificar los vehículos.
Si un hovercraft se despega demasiado de la superficie se caerá
literalmente. Es por eso que los vehículos normalmente se mantienen cerca del
suelo. La mayoría de los hovercraft de carreras no exceden los 4 pies de altura
máxima de levantamiento. Los hovercraft de crucero alcanzan los 8 pies.
2.1.2 Levantamiento
Los hovercraft son normalmente soportados por el flujo de aire. Para un
vehículo rectangular de longitud (L) y ancho (W), el área de la superficie de
levantamiento (A) es:
LxW= A
Cuando un hovercraft esta descansando en el suelo la presión del aire
dentro de las paredes es igual a la externa.
Sir Christopher Cockerell descubrió que añadiendo aire a presión bajo el
vehículo, y mediante una cortina de aire sellada alrededor del perímetro de éste
que evitará el escape, entonces se incrementa la altura de levantamiento. Una
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cortina de aire periférica cambia su momento cuando es inyectada bajo el vehículo,
con suficiente presión y volumen, se estabiliza y se mantiene presurizado el
colchón. Esta presión es llamada “presión del colchón” (Pc).
Pc x L x W =C
2.2 Faldones Los primeros investigadores y fabricantes en EE.UU. usaron faldas tipo
cepillo. En algunas maquinas la altura del cepillo podía ser ajustada por los
controles en la cabina del piloto. Una pieza del material flexible acoplada alrededor
del borde exterior del aparato era una variación sobre la falda tipo cepillo. Esta
faldas probaban ser inestables, tiesas e inefectivas y ya no están en uso.
2.2.1 El faldón tipo oruga
En 1959 un inventor e ingeniero francés, Jene Bertin inventó aparentemente
la más simple de todas las faldas, la jupe. En EE.UU. este ha sido llamado la falda
célula. El jupe es como un cono invertido. La pendiente es aproximadamente de 8
grados hacia el fondo y se infla en forma cónica.
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2.2.2 El faldón tipo bolsa Hasta hace poco la mas usada de todas las faldas era la tipo bolsa, que era como un tubo interno gigante alrededor del perímetro del vehículo. En la actualidad la falda tipo bolsa es encontrada en muchos vehículos hechos en casa en los EE.UU. pero no en Europa.
2.2.3 Faldón segmentado
El faldón segmentado o falda tipo dedo fue inventada en Inglaterra. El
concepto fue refinado a principios de los sesenta, por Hovercraft Development
Limited, una compañía Inglesa. Casi todas las maquinas europeas están ahora
hechas con segmentos y la producción en masa en los EE.UU. también usa este
tipo de falda sin excepción.
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Diferentes faldas pueden usarse en combinaciones. Por ejemplo la falda
segmentada y la falda jupe pueden ser unidas a la superficie inferior de bolsa de
la falda.
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Comparación entre tipos de faldas
Bolsa Segmento/ dedo Jupe/ célula
Costo Bajo Alto Bajo Trabajo Bajo Alto Medio Resistencia al avance Agua Iguales Iguales Iguales Agua áspera Alto Bajo Muy alto Fango Alto Bajo Bajo Pasto Alto Bajo Medio alto Hielo Iguales Iguales Iguales Nieve Medio Bajo Bajo Nieve áspera Alta Baja Media Reparabilidad Difícil Fácil Difícil Vida Buena Moderada Buena Durabilidad Buena Pobre Moderada Estabilidad Buena Pobre Excelente
Desplome Iguales Iguales Iguales
Capacidad de hacer un alabeo para poder virar
Leve
Excelente
Ninguna
Polvo y aerosol Pobre Buena Pobre Colores disponibles Limitada Ilimitada Limitada Facilidad del accesorio Moderada Fácil Moderada difícil Peso de la falda Baja Moderada Baja
Curva de desempeño Moderada Buena Pobre moderado
Velocidad alta Buena Moderado Moderada Volumen Pobre Pobre Buena Aspecto Moderado Bueno Moderado Balanceo Pobre Bueno Bueno Funcionamiento cuando está dañado Moderado Bueno Pobre Potencial para el desarrollo Bueno Bueno Bueno Habilidad para elevarse rápidamente del agua Pobre Bueno Excelente Capacidad de libramiento de obstáculo Pobre Bueno Pobre Complejidad Bajo Alta Moderada
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Cada tipo de hovercraft ha sido diseñado con un tipo particular de falda.
Puede ser difícil, si no imposible, para ajustar una falda diferente posteriormente.
La falda tipo bolsa es probablemente la mas adaptable.
2.3 Altura de flotación.
Es la altura medida del suelo hasta la parte inferior del casco de un
aerodeslizador en operación y es normalmente llamada “claro de la estructura
rígida”. Cuando se bombea aire hacia abajo del vehículo, la presión aumenta, el
faldón se infla, y el vehículo se eleva (a menudo uno de los bordes sube primero).
En el momento en que el faldón se infla completamente, el aire del colchón
empieza a escapar del boquete que hay entre la superficie inferior de la falda y el
suelo. Este espacio es llamado “separación de luz” (d) o “claro de aire”. La
cantidad de aire que escape depende de la cantidad de energía suministrada
dentro del colchón de aire por el fan. Casi todos los hovercraft ligeros usan cerca
de un tercio de su potencia total disponible para el levantamiento, sin embargo
sistemas de inflado muy eficientes pude utilizar tan poco como un décimo.
En resumen las maquinas mas eficientes usan un mínimo de 0.1
HP/(libras de peso total) para levantamiento:
HP/LB ≥0.01
Las maquinas de carrera pueden usar hasta 0.03 HP/(lb de peso total) para
levantamiento:
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HP/LB ≤0.03
En términos de la longitud del vehiculo, el mínimo HP para levantamiento es:
HP/Ft 0.45 ≥
y el máximo (usualmente para vehículos de carrera) es:
HP/Ft 2.2 ≤
Generalmente una gran potencia para levantamiento significa menos
resistencia de la falda porque el “claro de aire” es más largo y hay más aire para
lubricación entre superficies. Mas allá de una ventaja puede ser una desventaja,
un faldón bien inflado, como se ha dicho mejora mucho la estabilidad dinámica, sin
embargo lo áspero del terreno incrementa la resistencia de la falda y también
eleva el momento de resistencia.
La altura de elevación (H) es medida de la altura de la falda (h) y claro de
aire (d).
H=h+d
Si la altura de levantamiento para la relación de anchura es excesiva el
vehículo será inestable y posiblemente se caiga. Los vehículos que se sostienen
cerca del suelo son mas estables.
H/W<0.12
El claro de aire es difícil de medir. Las faldas tienden a ser desiguales a lo
largo de los bordes bajos y el hovercraft difícilmente se sostiene horizontalmente.
Las partes inferiores de la falda raramente rasgan la superficie del suelo. Para la
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mayoría de las máquinas pequeñas que se sostienen sobre la tierra lisa y llana, el
claro de aire (d) varía entre ½ y 1 pulgada. Si el claro de aire es demasiado
pequeño, la falda, especialmente la de tipo bolsa, se pega sobre el fango
salpicando la superficie además que se desgasta rápidamente.
La resistencia aerodinámica asociada al levantamiento está basada en la
siguiente ley empírica:
(Z/g) x V = Dm
Z puede ser difícil de determinar porque depende de la densidad del aire así
como también del fan del ducto y de las condiciones de entrada.
2.4 Diseño del faldón y selección de material.
Actualmente se ha acumulado bastante experiencia práctica disponible así
que las formulas para el diseño del faldón no es realmente necesario. Sin embargo
algunas consideraciones son necesarias para asegurar un sistema funcional del
faldón.
2.4.1 Oruga
Los faldones tipo oruga deben de estar en forma de cono hacia adentro con
8º de inclinación aproximadamente. De esta forma mientras la presión va
aumentando va generando una fuerza vertical sobre la pared que producirá que se
infle.
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Los faldones tipo oruga son difíciles de inflar sobre superficies porosas
como el pasto o cuando despega de una pendiente. Si los controles del vehículo
logran provocar que éste se mueva con un inflado parcial, ayudara a un mejor
inflado de las paredes de la falda. Esto no es un problema serio para pequeños
vehículos. La tensión del aro dentro del material de la oruga se debe oponer a la
fuerza de presión de la oruga y el sistema estará siempre en equilibrio. Es
importante que cuando se corte el material para la oruga, sea en la dirección de
donde va a recibir mayor tensión. Usualmente la deformación del material esta
alineado con la dirección del aro. Nótese que faldones tipo oruga muy largos
requieren más costuras verticales para regular la tensión del estiramiento.
Las orugas están usualmente en combinación de tres o más y tienen una
cubierta exterior rodeando la interior. Las orugas interiores deben ser cortadas
cerca de ½ pulgada (t) más altas que las orugas exteriores. El ajuste es muy
importante y puede ser una consideración no tomada en cuenta. Ello efectuará el
equilibrio de la presión y, por lo tanto, la estabilidad del sistema. Algunas veces las
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orugas interiores son ajustadas tanto que t aumenta hacia la parte posterior. Esto
minimiza la dispersión de agua. Esto es recomendable para el ajuste de orugas
interiores después de que las marcas de desgaste debidas al contacto con el
suelo empiezan a aparecer. La dispersión de agua sobre orugas largas puede
producir resistencia alta y debe ser evitado colocando aletas interiores. Esto no es
un problema usual en vehículos pequeños, excepto en agua turbia. El peso del
material para el faldón tipo oruga deber ser alrededor de 16 onzas /yarda
cuadrada. De todos los materiales el mejor es el neopreno revestido de nylon.
Estos materiales ligeros usualmente tienen suficiente estiramiento para prevenir
seria dispersión de agua.
La relación de presión entre las células interiores (Pj) y las exteriores (Pc) es
regularmente alrededor de 1.2:
Pj/ Pc=1.2
Para obtener la máxima estabilidad de amortiguamiento cada oruga debe
estar alimentada directamente del fan.
Una oruga gravemente rasgada reduce la velocidad y la estabilidad en
vehículos de crucero.
Las orugas están unidas a la parte inferior del casco del vehículo por
tornillos o remaches o pueden ser unidos por un diafragma hecho del material del
faldón el cual está estirado en la parte inferior del casco del vehículo. Las orugas
exteriores son usualmente unidas con pernos, tornillos, cuerda, o seguros ex
profeso diseñados para tal fin.
Un patín para el casco debe ser previsto para proteger las orugas cuando la
maquina se hunde o desliza a lo largo del suelo sin el colchón.
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2.4.2 Las bolsas
Los faldones tipos bolsas son populares en su uso y fabricación porque
usan una cantidad pequeña de material comparado con otros tipo de faldones.
Son fabricado usualmente con 16 onzas./ yarda cuadrada de neopreno cubierto de
nylon.
La base de nylon es fabricada usualmente de 0.237 kg/m2.
Hay dos tipos de bolsas: de fibra cruzada y no cruzada. El segundo tipo es
el más común. La presión de la bolsa PB no deberá exceder la presión del colchón
Pc.
2.4.3 Segmentos
Los faldones segmentados son a menudo referidos como faldones tipo
dedo porque parecen como dedos curvados cerrados. Los segmentos fueron
desarrollados por Hovercraft Development Limited en Inglaterra y fueron los
primeros en emplearlos en un hovercraft alrededor de 1962. Hoy día el mercado
mundial de producción es dominado por Europa.
Ofrecen menor resistencia cuando pasan por encima del pasto, suelo
liso, ondas y agua turbia. Es difícil que el aire del colchón escape de los
segmentos pues tienen buenas características de sellado. Mejor sellado
significa menos polvo, menos dispersión, menos ruido y menos caballos de
potencia. Los segmentos no rebotan como las bolsas. Los segmentos dan un
movimiento suave pero no son tan estables como las faldas tipo bolsa o jupe.
Los vehículos equipados con segmentos tienden a alabear y a cabecear. Tales
características son deseadas para las carreras porque ellos dan vueltas
generalmente más cerradas y ajustan su masa a ese movimiento (control
cinestésico). Los segmentos son hechos de materiales mas ligeros que las
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bolsas, tanto como 0.203 kg/m2 de neopreno cubierto de nylon o 0.212 kg/m2
nylón o treylene con una capa fina de uretano que cubre el exterior. Los
segmentos también pueden ser manufacturados de 0.542 kg/m2 de neopreno,
PVC, o materiales de uretano. Los bordes mas bajo del segmento, en contacto
con el suelo rápidamente se desgastan. Los materiales ligeros son mas fáciles
de sufrir daño que los pesados y los segmentos no son tan durables como las
bolsas. Algunos esfuerzos se están haciendo actualmente por desarrollar
segmentos que faciliten la reparación de las secciones de desgastes. El
desgaste esta usualmente confinado a una pequeña área, aquel que toca la
superficie.
Los segmentos tienden a erosionar el suelo . Debido a ello se rompen
con frecuencia los lazos plásticos del alambre que se utilizan para asegurarlos
debajo del casco. Los segmentos son unidos comúnmente al perímetro del
vehículo por plegamiento del material del segmento sobre el borde de la
máquina y asegurándolo usando clips de acero. Cuando la atadura de alambre
de plástico del segmento interno llega a pinchar el segmento, este explotará. Los segmentos adyacentes entonces se inflan y deberán aislarse
eficientemente para evitar el escape del aire del colchón. La atadura del
alambre de plástico es diseñada para ser el elemento débil y se rompa antes de
que se dañe el segmento.
Los segmentos usualmente van a 6 pulgadas de ancho. La mayoría de los
hovercrafts pequeños tienen entre 55 y 65 segmentos. Casi siempre todos los
segmentos del vehículo tienen entradas de suministro de aire en el casco del
vehículo, así como lo hace el flujo en el faldón tipo bolsa. Consecuentemente hay
entre 55 y 65 perforaciones. Algunas maquinas tienen perforaciones alargadas en
el frente, perforaciones regulares en la parte trasera, y ninguno a los costados.
Para el suministro de aire en el caso el diámetro que se utiliza es 7.62 cm, se hace
con dos tipos de segmentos. Hay dos tipos de segmento extendido y el segmento
bi-conical.
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El punto C deberá estar dentro de la línea vertical bajo A.- Un método para
desarrollar un patrón de seguimiento de segmento separado es hacer una pieza
de segmento de uretano.
La tolerancia de la costura debe ser agregada a ambas piezas del patrón
cuando se este haciendo el patrón maestro de cartulina.
El resultado de la apariencia de los patrones es el siguiente:
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En resumen, el faldón segmentado es el mas popular de todos los tipos de
faldones mencionados. Para velocidades cercanas a 85 MPH, la alta presión de
la falda parece trabajar. Los faldones son una tecnología en reciente desarrollo y
existen aún muchos puntos por mejorar. El futuro del hovercraft, en gran parte,
depende del resultado del continuo desarrollo de la falda.
2.5 Suministro del aire de levantamiento.
Se ha visto que hay al menos tres opciones de faldones para evitar que el
aire del colchón se escape. Ahora debemos saber que es lo que se requiere para
forzar a que el aire de elevación pase por debajo del aerodeslizador.
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Casi, sin ninguna excepción, los ventiladores de flujo axial son los
responsables de impulsar el aire a través de todos los aerodeslizadores ligeros
hoy en día. Los ventiladores de flujo axial son muy eficientes y capaces de
impulsar el aire a la presión requerida y al volumen requerido. Las características
del ventilador axial cumplen con los requerimientos de aire de los
aerodeslizadores ligeros. Además, estos ventiladores están disponibles a un costo
moderado (aproximadamente 1/40 a 1/80 del total del costo del vehículo). Todas
las máquinas europeas usan dos marcas de ventiladores: Multi-Wing y Breeza
(Multi-Wing es la marca preferida), lo mismo ocurre en Australia y Estados Unidos.
En la actualidad se usan con mayor frecuencia los ventiladores de madera de
cuatro aspas, especialmente para el suministro de aire del colchón en unidades
caseras.
Los catálogos de los fabricantes enlistan el diámetro del ventilador, el
número de palas, el ángulo de cada una de ellas, las RPM, la potencia, el aumento
en la temperatura y el volumen del flujo de aire. Los ventiladores de madera se
venden para ser compatibles con el motor de cuatro ciclos de una podadora de
pasto, el cual alcanza las 3600 RPM.
Un ventilador se selecciona para ajustarse a la máquina de elevación que
se está usando. El tamaño de la máquina está determinado por las
especificaciones del fabricante. Para la mayoría de los ventiladores pequeños el
diámetro varía entre 0.457 m y 0.762. El ventilador de elevación debe tener tres
aspas como mínimo y debe escogerse del catálogo de forma que absorba la
máxima potencia de salida de la máquina a las revoluciones (RPM) establecidas a
una presión y temperatura normales.
Se debe usar siempre el ventilador con el mayor diámetro posible. Se debe
usar la velocidad máxima recomendada por el fabricante la cual usualmente está
dada en ft/sec o en m/sec. Después se calcula el diámetro máximo (Dmax) en pies
de la siguiente forma.
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Dmax= 60 X Vel. Máx / π X Máx
Debido a que la potencia, el diámetro y el RPM son ahora conocidos, la
elección del ventilador puede proceder. Se debe tratar de escoger un ventilador
con tres o más aspas. El catálogo muestra la inclinación del ventilador, el aumento
en la presión y el flujo del volumen pero a un nivel de RPM más bajo. Cuando esto
sucede es necesario hacer uso de las leyes de los ventiladores para alcanzar el
rendimiento que indica el catálogo a otras velocidades y a otra potencia. Estas
ecuaciones se muestran a continuación.
1. El volumen varía directamente con la velocidad del ventilador
Cfm2 = Cfm1 X ( RPM2 / RPM1 )
2. La presión estática varía con el cuadrado de la velocidad del
ventilador
Ps2 = Ps1 X ( RPM2 / RPM1 )2
3. La potencia varía con el cubo de la velocidad del ventilador
HP2 = HP1 X ( RPM2 / RPM1 )3
Nota: el uso de estas ecuaciones está limitado a los ventiladores que
operan con la velocidad máxima que indica el fabricante.
Un mejor posicionamiento del ventilador de elevación se logra montándolo
al frente de la máquina e inclinándolo ligeramente hacia delante. Para aquellas
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naves con una entrada del ventilador de elevación hacia el frente, una vez que la
nave alcance las 60 MPH la mayor parte de la elevación vendrá del aire del
ventilador.
Debido a que es difícil conseguir máquinas estadounidenses estándar de
cuatro ciclos que funcionen con ángulos mayores a 12º, la mayoría de los
montajes de los ventiladores de elevación deben hacerse por debajo de este
ángulo. Es también recomendable inclinar los ductos del ventilador hacia atrás
para evitar que el agua rebote en el ventilador si la máquina se hunde al cruzar por
el agua a una velocidad alta.
2.6 Flujo del conducto
Debido a que se debe empujar el aerodeslizador a través del viento, el
alinearlo a la corriente de éste es importante. Dentro de los conductos, el aire es
empujado con velocidad por lo que los conductos deben ser lisos, las entradas
deben ser redondeadas y lisas y las obstrucciones de aire deben ser mínimas.
La siguiente gráfica muestra el efecto al incrementar la tolerancia del flujo
del volumen y la presión (tomada del catálogo de Multi-Wing).
Una entrada lisa de boca acampanada es recomendada. El efecto de las
diferentes condiciones de entrada se muestra en la siguiente gráfica tomada del
catálogo de Multi-Wing.
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El empuje de un ventilador es directamente proporcional al área de entrada
proyectada hasta dos veces el área del disco del ventilador. La forma
recomendada de la boca acampanada de entrada del ventilador debe ser de una
elipse con una razón de mayor a menor diámetro de aproximadamente 1:35. Una
fórmula para diseñar el perfil de una boca acampanada para un ventilador de 24”
de diámetro es la siguiente:
( Y2 / 6.772 ) + ( X2 / S2) =1
El catálogo Multi-Wing sugiere una fórmula más simple:
R = 0.12D
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La tolerancia de la punta del ventilador debe ser lo más cercana posible
a .0032 m aunque la mayoría de los constructores de naves sólo alcanzan
o.0127m. Las obstrucciones en la corriente de aire deben ser evitadas en lo
posible. El ventilador de elevación montado al frente se adapta mejor a los
aerodeslizadores con faldones de bolsa del tipo que “no fluye a través”. Para
aquellos “fluye a través” y para las naves de faldones segmentados el aire debe
ser conducido del ventilador hacia los conductos periféricos localizados dentro de
la máquina. Esto usualmente requiere que el aire fluya a través de los ángulos de
los conductos. Cada vez que el aire que fluye pasa por un ángulo cerrado en un
conducto se pierde presión lo cual se compensa incrementando la potencia.
El sistema de elevación menos complicado y más común es el del conducto
único. Este conducto está localizado en la parte trasera de la nave. 1/3 del área
del conducto se usa para el aire de elevación, mientras que los otros 2/3 es usado
para el aire de empuje.
Debido a que este tipo de sistema de conductos requiere más ángulos
cerrados que el sistema de conductos de elevación frontal, tiene más perdidas de
presión por lo que requiere de mayor energía para operar. De hecho, se necesita
aproximadamente 40% más potencia que en un conducto de elevación montado al
frente.
Es mejor tener más flujo de aire hacia el colchón frontal que hacia el
colchón trasero. Algunos constructores tratan de resolver este problema haciendo
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perforaciones de mayor diámetro que suministren aire hacia el colchón en la parte
frontal; otras de menor diámetro en la parte de atrás y ninguno en el costado. Este
sistema de conductos también funciona para los faldones y es el más popular
debido a su simplicidad. Prácticamente cada diseño tiene un divisor de conductos.
Los aerodeslizadores con faldones de tipo oruga no son de uso común. Sin
embargo, para su mejor funcionamiento cada oruga debe tener su propio conducto
alimentador directo del ventilador. Este es probablemente el sistema más complejo,
sin embargo, su ventaja es su alta estabilidad.
Los ventiladores y las hélices son como sirenas ya que cuando giran
rápidamente generan vórtices y turbulencias y éstas, a su vez, producen un ruido
como el de un silbato. Los ventiladores más silenciosos son los usados en los
molinos debido a que su gran diámetro permite que la velocidad de la punta del
ventilador sea más moderada. Es por esto que para minimizar el ruido la velocidad
máxima del ventilador y de la hélice deben ser lo más baja posible y debe estar
siempre indicada en las recomendaciones del fabricante. De igual forma, las
condiciones del flujo de entrada de aire deben ser buenas para que se evite que el
aire llegue de forma turbulenta al ventilador o a la hélice. Los conductos y los
anillos de refuerzo para ventiladores mejoran la aerodinámica de la punta de éstos,
lo que se traduce en una disminución del ruido. La mayor parte del sonido viene
de las puntas del ventilador ya que es ahí donde la velocidad del aire es más
grande y donde más vórtices o turbulencias se generan.
24
2.7 Estabilidad.
Si un vehículo se eleva demasiado, éste tendera a caerse. Si alguien se
para sobre el borde de una maquina de estas cuando esta elevada, el vehículo se
ladeara y caerá a tierra en ese punto. Si alguien se para en el borde de un
vehículo elevado de esta forma, el aerodeslizador se hundirá en ese punto.
La mayoría de los aerodeslizadores son el doble de largo que su ancho.
Como se puede imaginar, un hovercraft será más estable en la dirección de su
longitud que a través de su ancho.
Cuando un lado del vehículo sufre una depresión debido a un peso externo
o una fuerza por viento, el vehículo se hundirá en la zona donde se ha aplicado la
fuerza tal como un fuelle comprimiría el aire en la zona de aplicación de presión. El
lado opuesto tendera a levantarse causando que el colchón de aire se expanda.
Tan pronto como esto sucede la presión mas alta se moverá a la zona de menor
presión.
25
Recuerde que cuando el aire se mueve su presión disminuye, así que el
aire en movimiento por debajo del lado mas bajo pierde presión. Esto genera
fuerzas A y B que serian mas útiles si al menos fueran en sentido contrario (ver
figura A arriba).
El suelo (en este caso la superficie sobre la cual se desplaza el Hovercraft)
y el casco del aerodeslizador actúan como un difusor de aire. Una solución a este
problema es mantener la altura del vehículo razonablemente cerca del suelo y
mantener la relación de la altura de elevación del hovercraft (H) con el ancho (W)
debajo de 0.1.
Las faldas tipo bolsas son más estables que las tipo segmentos debido a
que los faldones tipo bolsa actúan como el calzo de un bote y cuando la bolsa toca
la superficie se aplana sobre esta. Entre mayor sea la presión el aplanamiento
será mayor. La presión de la bolsa en el lado colapsado no decrece como lo hace
la presión del colchón de aire. Como consecuencia, el momento de restauración
actúa en el centro de gravedad del aparato. Esto sucede porque al hacer contacto
con la superficie el faldón tipo bolsa, se incrementa el área de levantamiento del
colchón de aire al aumentar el área de contacto. Este aumento de área también
produce un momento de restauración equivalente a la presión del colchón en la
zona colapsada por la distancia desde el centro del área hasta el centro de presión
del aparato.
Una manera común de solucionar estos problemas es dividiendo la presión
del colchón de aire en dos compartimentos que es justo lo que hace la falda tipo
26
oruga, y así se previene el movimiento del aire dentro del colchón. Esto es mas
efectivo si se utiliza faldones tipo bolsas dentro del colchón de aire (ver figura B de
la imagen anterior). Sin embargo tales sistemas complejos son muy raros
escucharlos cuando hablamos de pequeños aerodeslizadores. De hecho la
mayoría de los propietarios de este tipo de vehículos no advierten tal inestabilidad.
Cuando se sume de un lado su vehículo, simplemente se mueven al lado opuesto
hasta que el lado colapsado vuelva a subir. Este método es conocido como control
“cenestésico”. Aunque hay que tomar en cuenta que muchas veces la inestabilidad
es una ventaja sobre todo en los aerodeslizadores de carreras debido a que
permite la habilidad de virar mas rápidamente.
Cuando un conductor utiliza su peso para controlar la estabilidad del
vehículo se le conoce como “Compensación” o “equilibrado”.
Estabilidad se define como el porcentaje del centro de presión del colchón
de aire desplazado o desviado del centro de gravedad.
Las curvas típicas de estabilidad de los tres diferentes tipos de faldones se
muestran en la grafica siguiente.
27
2.8 Equilibrio.
El equilibrio es muy importante para todos los aerodeslizadores y de hecho
puede ser el factor que más trabajo y problemas presenta, especialmente con
aparatos que transportan carga de paga que puede moverse de improviso y si lo
hacen influyen en el control del vehículo. Dicha carga puede tratarse de una, dos o
más pasajeros y a menos que ambos tengan experiencia (conductor y pasajero)
conduciendo aerodeslizadores, se moverán dentro del vehículo y en consecuencia
cambiaran mas de una vez la configuración de equilibrio del aparato echando a
perder muchas de las maniobras del conductor para mantener estable al vehículo.
En algunas ocasiones esto puede llevar incluso a accidentes.
El equilibrado significa simplemente que los pesos deben estar equilibrados,
por ejemplo el peso del conductor al frente estará compensado con el motor en la
parte posterior; el peso del combustible esta en constante variación por lo que este
es conveniente que este sino en el centro de gravedad, cercano al para que no
cambie mucho la configuración del aparato.
El equilibrado es un gran problema cuando varía el peso del conductor de
90lb a 130lb por ejemplo; la solución a esto seria colocar la mayor parte de los
pesos variables cerca del centro de gravedad por lo que la configuración seria tal
vez de la siguiente manera: el asiento del conductor sobre el motor, el tanque de
combustible abajo del motor y el pasajero o los pasajeros en la parte posterior. Sin
embargo esto es impractico además de que con esta configuración el
aerodeslizador seria inestable y con tendencia a colapsarse.
La solución es tener el motor atrás, el tanque de combustible en el centro
de gravedad, y el conductor y los pasajeros al frente en un solo asiento que este a
lo largo para que el conductor se pueda sentar mas adelante o atrás según sea el
caso para poder equilibrar lo mejor posible el vehículo.
28
Un peso de más agregado al aerodeslizador, significa la misma cantidad
menos de carga de paga, y así todas las demás cosas quedarían igual. Una
solución mucho mejor es solucionar un sistema de faldón que automáticamente
detecte la variación en la distribución de pesos e incremente la presión localmente.
Esto seria mucho más fácil si se usa la falda tipo oruga.
El equilibrado está cambiando constantemente tal como la carga de paga,
el viento que puede pegar de diferentes direcciones, la disminución de
combustible, cambios en el empuje, resistencia de la falda, resistencia al viento,
etc. Hasta ahora solo se ha hablado de movimientos verticales de levantamiento.
Para diseños mas complejos se tomaran en cuenta movimientos adicionales.
Para equilibrio Wdd1=WEd2
29
2.9 Empuje
Todas las ideas para mover a un aerodeslizador han sido probadas: ruedas,
paletas, pértigas, mediante cabestrante, remolcándose, con motores jet, con fan
carenado, hélices, e incluso cohetes. Las velas aun siguen siendo una opción no
probada y no existe ninguna razón por la cual un velero aerodeslizador no
funcionara. De todas maneras, de todos estos dispositivos el fan carenado y la
hélice son las que han probado ser más convenientes. La mayoría de todos los
aerodeslizadores europeos utilizan ventiladores carenados, mientras que en los
Estados Unidos existe una mezcla igual entre ventiladores carenados y hélices
abiertas y carenadas. A continuación se presentan algunas comparaciones:
Ventilador carenado
Hélice carenada
Timones Si Si Reversas Si No Costo Igual Igual Empuje estático (lb / HP)
Entre 3 y 6 Entre 5 y 8
Empuje a velocidad Estimada 2 -5
Estimada 2- 5
Peso Menor Mayor Seguridad Mejor Peor Eje de empuje Bajo Alto Perfil Bajo Alto Ruido Ligeramente mayor Ligeramente
menor Rendimiento bajo viento cruzado
Favorable Pobre
El diámetro del Fan o de la hélice, más que algún otro criterio, afecta al
empuje otorgado. Los rotores de helicópteros de gran diámetro pueden alcanzar
hasta 12 lb/HP de empuje estático. Pero diámetros tan grandes no pueden ser
incorporados en un aerodeslizador pequeño, la siguiente mejor alternativa es la
hélice. Esta da el mejor empuje estático y consecuentemente, mayor aceleración.
Sus mayores desventajas son la dificultad de proteger a esos dispositivos tan
30
grandes cerca del empuje máximo. Los ventiladores carenados son más seguros,
más compactos, tienen menor línea de empuje y por lo cual son favorecidos por la
mayoría de los poseedores de aerodeslizadores a pesar de su baja relación
empuje/potencia.
Para seleccionar un tipo o el otro depende de muchas consideraciones.
Desde el punto de vista técnico, una vez que se ha tomado la decisión de cual es
el que se va a utilizar, se necesitará la curva de absorción de potencia de la hélice
o ventilador y las curvas de potencia de salida del motor. Por ejemplo:
En la mayoría de los casos el fan o hélice tienen una reducción ya que los
motores comúnmente disponibles generan potencia a velocidades mayores que,
ya sea la hélice o el fan, pueden absorber. Los motores aeronáuticos recíprocos
son una excepción a esta regla.
La reducción es generalmente conducida por una cadena, rueda dentada,
caja de engranes o bandas. De estas, la última es la más popular. La mayoría de
los vehículos europeos utilizan bandas de distribución y poleas de nylon. De
manera similar en los Estados Unidos, se utilizan bandas HTD, PolyVee e incluso
bandas V estándar, las cuales son utilizadas con poleas de aluminio. Para las
poleas mayores construidas en casa se utiliza madera. De todas las transmisiones
la banda HTD ofrece la mayoría de ventajas técnicas. Es muy eficiente, no se
desliza cuando esta mojada, requiere de poca atención, raramente necesita
ajustes, y necesita de mínima pre-tensión. Lo cual significa menor carga en los
31
cojinetes y menores esfuerzos en los montajes. Aunque es ligeramente mas cara
que otros tipos de bandas y requiere de una alineación más precisa que del
arreglo típico de banda V.
Generalmente se debe de tratar de mantener el eje de empuje lo más cerca
posible al centro de gravedad del vehículo. Generalmente se considera que el eje
de empuje actúa a través del centro del área del disco del fan o hélice o en el
centro de la salida del conducto de empuje. Algunas máquinas europeas tienen
dos e incluso tres conductos de salida de empuje. Esta aproximación esta
enfocada a reducir el eje de empuje mientras se incrementa el área del disco total
del sistema de empuje. Una hélice lo suficientemente grande puede producir el
mismo empuje que varios ventiladores carenados, pero el eje de empuje es mucho
mayor.
Sin duda, los ventiladores multi-conducto son complicados mecánicamente,.
Muchos de las máquinas Formula Uno europeas tienen un fan carenado de
levantamiento, el motor al frente y dos conductos de empuje en la parte posterior.
Para alcanzar el empuje máximo el fan debe estar equipado en un conducto
currentilíneo. El espacio con la punta de la pala del ventilador debe ser mínima,
usualmente sin exceder .00317 m.
32
La mayoría de las máquinas europeas tienen .0127m o más debido a
consideraciones de seguridad. Conductos deformados no deberán tocar las
puntas de las palas durante impactos fuertes los cuales ocurren generalmente
durante las competencias. Si el espacio del fan o hélice es grande el conducto es
mayormente utilizado como guarda, no como mejora del empuje.
La entrada del conducto debe de estar libre de obstrucción tanto como sea
posible y debe tener una gran curva suave como la boca de una campana. El
centro del fan (el cubo del fan) debe estar equipado con un spinner de forma
currentilínea y la parte posterior del fan debe tener un cono. Directamente detrás
del fan debe de encontrarse un conjunto de palas estacionarias (estator). Las
palas del estator requieren de un diseño adecuado paro generalmente estas se
encuentras en dirección contraria a las del fan. Estas, como el fan, tienen mayor
torcimiento en los cubos que en las puntas. Los estatores son de
aproximadamente 0.1524 de largo y no tienen ninguna curvatura en su salida. Los
ángulos típicos de las palas “Θ” para un fan multi-pala de 0.609 son de 45° en el
cubo y 25° en la punta.
Un vehículo muy básico con baja carga de potencia en el fan, esto es baja
potencia con gran diámetro, no se beneficia en gran medida por refinamientos
como los estatores. Por el contrario, cuando la potencia por pie cuadrado del área
del disco es mayor de 3728.5 Watts/.0929m2 el uso de estator se vuelve
conveniente.
33
Existen dos métodos para fabricar las palas del estator de uso común:
1. Estas pueden ser diseñadas por la teoría de momento simple
y hechas de fibra de vidrio en un molde. Se pueden realizar las palas en
metal, pero la fatiga causada por la vibración de la pala es generalmente un
problema. Simples láminas curveadas son bastante adecuadas ya que
perfiles se sección de pala son raramente justificables.
2. Un fan plástico con palas totalmente adaptables, pueden
utilizarse como estatores. Los ángulos correctos de las palas puede
determinarse mediante prueba y error. Con cualquier tipo de estator,
correctamente alineado, se puede obtener una ganancia de empuje entre
un 15 a 20 %. Para maximizar el efecto, los estatores deben de ser
acompañados por un spinner y carenado de cola. El spinner puede ser un
simple hemisferio hecho en fibra de vidrio que cubra el cubo del fan aunque
un perfil elíptico es ligeramente más eficiente. El carenado de cola puede
ser un simple cono; mediante pruebas se ha determinado que el ángulo del
cono debe de ser de hasta 17° por lado para conductos rectos o
convergentes, y estar truncado hasta 1/3 de la longitud total.
La instalación de los ventiladores y conductos utilizados en los
aerodeslizadores no contienen nada nuevo, la tecnología ha sido utilizada desde
hace más de 50 años.
34
Si se requiriera de mantener el mismo tamaño del conducto pero doblar la
potencia absorbida, un fan extra puede ser colocado en serie con el primero. Otro
conjunto de estatores también se requerirá. Si los ventiladores fueran hechos
para contra-rotar, entonces se podría dejar de lado a los estatores, ya que la
mecánica de este arreglo compensa la simplicidad de los dos conjuntos de
estatores.
La instalación de hélices es menos complicada. La selección de la hélice es
realizada después de comparar su curva de potencia con la del motor. Los
estatores no son requeridos para las hélices pero el conducto de empuje debe de
ser construido de manera similar a los utilizados por los ventiladores.
35
2.10 Efectos de entrada
Las carreras de aerodeslizadores en los Estados Unidos han progresado
recientemente. El deslizamiento sigue siendo uno de las mayores preocupaciones
para la mayoría de los pilotos. Para vehículos ligeros los cuales viajan a alta
velocidad el levantamiento también es causa de preocupación. Otra inquietud de
algunos pilotos es el efecto de estancamiento cuando el vehículo gira en ciertas
direcciones. Se cree que este fenómeno esta relacionado a la conduccion del flujo
en los conducto de entrada del fan o hélice. Por ejemplo en cierto vehículo de
carreras, los giros realizados hacia la derecha ocasionan problemas. La
explicación es la siguiente:
El aire que se dirige hacia el conducto de empuje desde una dirección de
flujo cruzado ocasiona que el arrastre en las palas rotatorias se incremente o
reduzca dependiendo de la dirección donde provenga el flujo. Debido a que la
parte inferior del conducto de empuje del aerodeslizador tiende a estar obstruido
36
por el conductor, motor, cuerpo del vehículo u otra interferencia, el flujo sin
restricciones que golpea la parte superior del fan tiene mayor influencia sobre el
arrastre de las palas del fan. Cuando el aire entrante se encuentra prácticamente
en línea con la trayectoria de rotación de las palas del fan el levantamiento de la
pala se incrementa así como su resistencia al avance. Cuando el flujo viene de la
parte posterior de la pala que avanza el arrastre es mucho menor así como el
levantamiento. Por supuesto que lo deseado en un giro es tener empuje máximo,
así el aerodeslizador podrá acelerar en un curva o giro. Este problema es relativo
en comparación de la curva de potencia del fan y la curva de potencia del motor.
Lo que se cree que sucede es que mientras el arrastre del fan se incrementa este
se frena o necesita mayor potencia del motor para mantener la misma velocidad
del fan. Si la curva de potencia del motor es muy cerrada a cierta velocidad del fan
cuando la resistencia del fan se incrementa entonces el motor no puede
proporcionar más potencia o energía por lo que el motor reduce su velocidad y en
consiguiente el fan. Lo contrario ocurre cuando el flujo de aire viene en sentido
contrario, la velocidad del fan aumenta, con lo que el motor puede fácilmente
sobre-revolucionarse pero esto es generalmente prevenido por el piloto que
desacelera. Los motores con curvas de potencia planas no son tan sensibles a
este problema como lo son los motores de 2 tiempos en los que la curva de
potencia es aproximadamente paralela a la curva de potencia del fan. La solución
puede encontrarse sobrecargando el fan o desarrollando un sistema de escape el
cual produzca una curva de potencia plana. El problema radica en que a bajas
RPM, el motor tiene tan poca potencia que no puede acelerar el fan a la velocidad
requerida. Algunos pilotos están tratando de solucionar este problema colocando
embragues para que el fan no se embrague hasta que el motor haya acelerado y
este dentro de su curva de potencia. Otra solución sería la posibilidad de tener un
sistema de escape de longitud variable, lo cual permitiría al conductor la
posibilidad de obtener mayor potencia cuando el motor comience a estancarse. Y
otra solución podría ser tener hélices o ventiladores de paso ajustable, aunque
esta solución sería muy cara y podría reducir la confiabilidad.
37
2.11 Control
Ya se han abordado las etapas de vuelo estacionario y empuje, ahora se
explicará lo que ocurre después, es decir, el movimiento. El aerodeslizador se
desliza como si fuera un disco sobre hielo. Su movimiento es muy influenciado por
el viento, la pendiente de la superficie, el tipo de superficie, y el equilibrio del
vehículo. Los controles a bordo de la máquina se deben adecuar para superar
estos efectos externos y hacer que el aerodeslizador vaya en la dirección que su
operador desee. De todas maneras, siempre es difícil al manejar un
aerodeslizador. Más que cualquier otro efecto, es la influencia del empuje
disponible, el que genera el movimiento deseado del aerodeslizador.
Con una hélice solamente se hace necesario tener dos o tres timones
detrás de la hélice y posiblemente un elevador horizontal para ayudar a mantener
el centrado longitudinal. El acelerador es utilizado para realizar el resto.
Con un fan es casi lo mismo. Vehículos equipados con reversas tienen
además la habilidad de detenerse, regresar y moverse de lado. Los métodos
normales para detenerse son: (1) utilizar los timones para girar la máquina 180
grados y después aplicar toda la potencia para que el empuje total frene el
movimiento del aparato. (2) Reducir el empuje y bajar al aparato a la superficie
donde la fricción de la falda desminuya la velocidad pero el mayor frenado curre
cuando los patines inferiores del casco contacten con la tierra o el casco se
encuentre con el agua.
Algunos aerodeslizadores ligeros utilizan un sistema de cables bajo el
casco que mueven la línea interior de la falda. Cuando este control es aplicado, la
falda cambia de forma ligeramente y resulta en un pequeño movimiento de la línea
de contacto de la falda, lo cual produce un cambio en el área de levantamiento en
una extremidad del colchón. El efecto total es un movimiento del centro de presión
del colchón lo cual produce un efecto de alabeo en el aparato. El desplazamiento
38
de la falda, aunque complicado, resulta efectivo para los propósitos de control y
estabilidad.
Algunos aerodeslizadores mayores también tienen unos puertos de aire que
soplan aire del colchón o de los conductos de levantamiento, a estos se refieren
con el nombre de ‘puff ports’ (puertos de soplado) o, si estos se encuentran cerca
de la proa se les conoce como ‘propulsores de proa’.
Se ha sugerido que para contrarrestar vientos cruzados y pendientes, una
fuerza de control lateral de aproximadamente 25% del empuje máximo es
requerida. Existen tres clases principales de sistemas de control capaces de
generar una fuerza lateral:
1. Dispositivos de empuje vectorial: timones, empuje diferencial,
etc.
2. Dispositivos de empuje lateral: puff ports, propulsores
3. Dispositivos de inclinación del colchón: desplazamiento de la
falda, levantamiento de la falda.
La tabla siguiente enlista estos tipos, ángulos de guiñada apropiados, y
potencia adicional requerida para generar una fuerza lateral del 25% del empuje
máximo. Se asume que la potencia es mantenida al máximo y no disminuida para
propósitos de control.
39
Tipo de control Angulo de guiñada
Pérdida de empuje hacia
delante debido a guiñada.
Potencia adicional requerida
1) Vector de empuje de hélice o fan
T = empuje
3.2%
Aproximadamente 3.2% (despreciando arrastre debido a guiñada)
2) Puertos de aire de empuje lateral 0 0
25% (dispositivo tan eficiente como el sistema principal.
3) Inclinación del colchón H = 0.1W H = separación estructural W = ancho
0 (se puede ocasionar guiñada debido a la resistencia de la falda)
0
Aproximadamente 25 % más (únicamente 10% de la potencia del colchón permitida para empuje)
Como se puede observar, únicamente el empuje vectorial del sistema de
propulsión principal es eficiente al generar una fuerza lateral apreciable, aunque,
esto es verdad únicamente cuando la potencia de propulsión es alta. Para
maniobras de baja velocidad un empuje frontal elevado no es posible, excepto
para pequeñas ráfagas, por lo que los puff ports o la inclinación del colchón son
generalmente utilizados a pesar de sus bajas capacidades de empuje lateral.
Como la tecnología de la falda, el área total del control y empuje esta aún
en su infancia, algunos adelantos serían buenos pero más probablemente se vean
únicamente mejoras incrementales e los dispositivos existentes de control y
empuje ya presentados.
40
2.12 Dinámica En la situación donde un hovercraft comienza a flotar, por ejemplo, sobre el agua,
bajo el vehículo se generará una depresión correspondiente a la presión del
colchón. Por supuesto, el peso total del agua desplazada será igual al peso bruto
del aerodeslizador.
Cuando le vehículo acelera, la presión del colchón continua, por tanto también la
depresión del agua bajo la falda mientras se mueve. Para sorpresa de los
primeros investigadores, toma una considerable energía mover un aerodeslizador
sobre el agua. Muchos de los primeros aerodeslizadores pequeños carecían de
suficiente potencia para acelerar la depresión de agua bajo el casco y como
consecuencia, no podían avanzar. Esto es uno de los más intrigantes fenómenos
de los aerodeslizadores. Cuando la velocidad de la maquina aumenta se requerirá,
por tanto, mas energía. Esto es porque el agua bajo al aparato es presionada
hacia abajo por la presión del colchón, como el colchón se mueve hacia delante y
presiona la superficie del agua ésta se mueva en dirección del colchón del
vehículo, resultando la generación de una ola constante debajo del vehículo. En
cambio, esto causa que la proa suba y la popa baje. En efecto la maquina esta
tratando de acelerar ascendiendo. Si el movimiento del vehículo es continuo, la ola
continua ocurre al frente del colchón, por esta razón esta resistencia es referida
algunas veces como una ola de frenado. Si mas y mas potencia (empuje) es
aplicada la maquina comenzara a ascender esta ola creada por ella misma con lo
cual eventualmente alcanzara la cresta y comenzara a flotar sobre la superficie del
agua. No tan pronto esto ocurre que la resistencia tiene un gran decremento y la
maquina acelera rápidamente. Este fenómeno es común para todos los vehículos
acuáticos, pero para los aerodeslizadores es llamado curva de resistencia.
2.12.1 Curva de resistencia
41
La curva de resistencia depende de muchos factores; sin embargo, una
teoría simple, derivada por Crece y Eggington, para agua profunda la amplitud de
la onda da la ecuación aproximada.
( )/cos(1)2( 2VLgwL
CPR c −= )
Donde
R= resistencia de la ola en libras
C= peso máximo en libras o C= PcA
w= densidad del agua en lb/ft3 = 64 para agua de mar
Pc= presión del colchón lb/ft2
L= largo del colchón en ft
g= gravedad = 32 ft/s2
A= área del colchón en ft2
V= velocidad del aerodeslizador.
La resistencia es máxima cuando
Entonces
1)(2 −=
VLgCos o °== 180)(
2 radVLg π
( )wL
SPwL
CPR c24)4((max) ==
42
Para un aparato rectangular de largo igual a dos veces el ancho operando
en mar.
LPR c203.0(max)=
Estas ecuaciones muestran cuan importante es mantener la presión del
colchón lo mas baja posible. También esto puede demostrar que un vehículo
estrecho genera una baja curva de resistencia; para el caso, si el ancho es igual al
largo entonces:
LPR c206.0(max)=
O el doble de la resistencia. Sin embargo, si L=3W donde W= ancho en pies,
entonces:
LPR c202.0(max)=
o lo que es lo mismo, dos tercios de la curva de resistencia.
Se debe recordar que otras fuerzas, como el momento y la resistencia de la
falda están actuando y pueden ser significativamente mayores del empuje total
requeridos. También, la curva de resistencia variara dependiendo de la
profundidad del agua, debido a los efectos causados por la reflexión de la ola en el
fondo del mar o del río, y esa es una profundidad critica donde la curva de
resistencia tendrá su valor máximo. La estabilidad de la maquina también
generara efectos y la curva de resistencia en agua salada no es la misma que en
agua dulce por la diferencia de densidades. Un pequeño ajuste en el hovercraft
puede minimizar la curva de resistencia y dar un relación de aceleración mayor.
El aerodeslizador genera demasiadas olas debajo de él. Tener que estar
subiendo constantemente las olas ocupa demasiada energía, debido a este
fenómeno el vehículo puede ser difícil de controlar. Por seguridad y control, el
piloto es forzado a disminuir la velocidad y esto obliga a quedar justamente en el
punto máximo de la curva de arrastre. Para maquinas de desempeño limitado un
43
truco es empezar en tierra acelerar hasta llegar al agua y no disminuir la
velocidad.
Es obvio que si de alguna manera podemos reducir la depresión del agua
bajo un aerodeslizador, esto nos llevara a la reducción de la magnitud de la curva
de resistencia.
Para un mejor desempeño del vehículo, es importante tener una reserva de
empuje que podemos obtener reduciendo el peso o incrementando el área del
colchón de aire, pero cualquiera que sea la configuración final, es importante que
el empuje estático disponible sea el doble del que se requiere para agua calmada
y profunda. La formula indica la importancia del largo o la forma
del aerodeslizador para minimizar la curva de resistencia. Hasta ahora no hemos
mencionado la forma del aerodeslizador.
LPR c202.0(max)=
2.13 Forma
Imagine una maquina que es tres veces mas ancha que larga. Esto tendrá
una forma muy pobre porque la curva de resistencia seria excesiva. De hecho una
curva de resistencia menor es lograda con maquinas de proa aerodinámica. Esto
también coincide con ser la mejor forma para alta velocidad. En este aspecto
podemos aprender de los barcos. De hecho, los que tienen la menor curva de
resistencia son largos y delgados, esta es la forma usada para embarcaciones
rápidas.
Por razones prácticas la mayoría de los deslizadores son redondeados en
el frente y rectos en la parte trasera. Algunas veces las esquinas son redondeadas
o con cortes para facilitar la atadura de la falda. Esta forma tiene más ventajas
funcionales que esas largas y delgadas maquinas. Hasta ahora hemos estado
evitando discutir el área del levantamiento del colchón. El área levantamiento es
LxW para un deslizador rectangular. La actual área de levantamiento efectivo es la
que abarca la línea de contacto de la falda.
44
Para cálculos esta línea es usualmente predicha excepto por la falda tipo
oruga donde esta puede ser calculada con razonable exactitud. Para el faldón tipo
bolsa se usa el centro de la bolsa y para el faldón de segmentos se usa una línea
justo en el punto más alejado de la parte inferior de cada segmento.
La medida del área tiene que ser lo mas precisa posible. Para determinar el
área levantamiento de tamaño completo se realiza un patrón de cartón a escala
del área del colchón. Se debe estimar el factor de la escala, x, usando el largo de
una maquina de tamaño completo; se divide el largo de una maquina de tamaño
completo, Lfs, entre el largo del patrón de cartón Lm.
Se debe medir lo mas preciso posible el área del patrón de cartón.
Multiplicando el área del patrón por x2. Esta es una manera rápida de encontrar el
área de levantamiento del colchón. El patrón también contiene información útil,
como el centro del área. El centro del area corresponde tambien al centro de
presión . La escala del patrón determina el centro equivalente de una maquina de
tamaño completo.
2.14 Efectos dinámicos
Excepto y quizás para aerodeslizadores de carreras, todos los otros
vehículos deberían ser diseñados para flotar cuando se coloquen en el agua.
Incorporar suficiente espuma de poliuretano para tener disponible una flotación
positiva del 100 % con carga máxima no es sencillo. Las máquinas actuales usan
botellas de plástico, bolsas inflables, compartimentos sellados, uretanos u otras
espumas, en un esfuerzo por cumplir con los requerimientos de seguridad y
flotación de la Guardia Costera y el Hoverclub.
Dependiendo de la forma del casco inferior, el deslizador puede rotar
cuando la estructura dura toque agua o tierra. Es un fenómeno debido a que el
aerodeslizador disminuye su levantamiento. También puede ser tomado como
45
inestabilidad. Esto puede pasar sobre la tierra o agua. Hay una similitud entre el
estrellamiento y el desplome de un avión. Todas las aeronaves se desploman,
pero en realidad es muy raro porque los pilotos están capacitados para evitar las
condiciones que lo causan. Los pilotos experimentados rara vez se estrellan
porque han descubierto como evitar las condiciones para que esto ocurra. Los
grandes aerodeslizadores para pasajeros, como los que se utilizan en el Canal
Inglés raramente se estrellan porque los operadores fueron entrenados para evitar
las condiciones que provocarían esto. Cuando un aerodeslizador se mueve rápido,
arriba de 25 MPH, especialmente a través de agua tranquila y quizás hasta con
viento de cola, la velocidad de los deslizadores se incrementará. Los operadores
comenzarán a sentirse incómodos con el incremento en la velocidad y comienzan
a desacelerar, pensando que eso disminuirá la velocidad del aerodeslizador. En
aerodeslizadores que son de los del tipo Integrado, es más que un problema. Para
desacelerar se tiene que disminuir la potencia del motor y el ventilador, así como
el colchón de aire.
Una vez que esto ocurra, el volumen de aire y la presión del mismo aire
disminuyen. Observando la fórmula 25 y 26 se puede ver que el volumen del aire
disminuye en la misma proporción que la velocidad disminuye pero que la presión
lo hace como la velocidad al cuadrado. Esto significa que una leve reducción en la
velocidad del Fan, tiene un efecto mayor en la presión del aire la cuál disminuye
más rápido. Ahora como la presión del colchón de aire y el volumen disminuyen,
los efectos que resultan ahora son tomados para ser los del aire escapando
debajo de la Falda (Flujo de volumen) es el lubricante así que la lubricación ahora
disminuye. La presión del colchón de aire y el casco o estructura dura, que está
siendo soportada por la presión el aire del colchón, empieza a caer. Cae
dependiendo de las otras fuerzas actuando sobre el aerodeslizador. Si el colchón
no se vuelve a generar, el aerodeslizador continúa cayendo. Mientras tanto la
falda comienza a colapsarse en el punto de contacto del agua.
46
La fuerza de succión es generada entre el material de la falda y el agua, la
cuál es ayudada por la presión del colchón. Asociada con está succión se halla
una de resistencia al avance. Esta última fuerza empuja más la falda debajo del
aerodeslizador y sigue así hasta que la estructura dura o casco hace contacto con
el agua o la tierra. Note que mientras que se empuja la falda hacia abajo, se
reduce el área de levantamiento del colchón.
Con el casco comenzando a caer o rotar en el centro de levantamiento y la
perdida del mismo que es determinado por la reducción en el área de
levantamiento aumenta la cascada de efectos hasta que el casco toca con la
superficie, en donde un incremento masivo de arrastre ocurre instantáneamente.
Si no se encuentran sujetados al aerodeslizador o solidariamente unidos con
fuerza, serán lanzados por el aire, antes de caer en la tierra o sumergirse en el
agua. Por esta razón, los aerodeslizadores pequeños están equipados con
interruptores de seguridad y correas que se sujetan al cuerpo del operador.
El nombre dado al colapso de la falda es “tuck under”. Actualmente el
estrellarse solo ocurre cuando el casco toca la superficie. Se cree que este
fenómeno es similar a aquellas variaciones de levantamiento en las alas de los
aviones
47
La mayoría de los cascos de los aerodeslizadores son de forma muy
parecidos a las mostradas aquí, así que son muy eficientes desarrollando un
levantamiento considerable. Si aumenta el levantamiento, lo hará también el
arrastre y es este último el que desacelera el aerodeslizador y provoca que se
mueva en la dirección de hundimiento.
Otro efecto que ocurre es que una porción de agua es forzada a avanzar,
especialmente si el casco tiene pasos laterales. Esta agua queda atrapada en la
falda, si el deslizador está formado con faldas segmentadas y tiene mucha más
energía, se dañan las ataduras de la falda o se desprenderá por completo. Esto
agrega otro efecto: la de liberación de la presión del colchón que fue atrapada por
las faldas y hace que cualquier recuperación aumentando la velocidad del fan sea
imposible.
La solución es diseñar un casco que tenga un bajo levantamiento y bajo
arrastre. Los autores han experimentado con un número limitado de formas y con
la ausencia de fundamentos de investigación de soporte han seleccionado la
siguiente forma. Esta forma es reproducida alrededor del perímetro entero del lado
sumergible del casco. (Ver siguiente página)
48
Se necesita hacer mucho más trabajo antes de encontrar las soluciones
enteramente satisfactorias. La mejor aproximación por ahora es seleccionar
sistemas de levantamiento que puedan trabajar en todas las situaciones. Aun
cuando los Aerodeslizadores integrados sigan sumergiéndose fácilmente, esta
nueva forma de casco ofrece la ventaja de reducir la superficie de arrastre así que
el operador experimentado tiene tiempo de aumentar la potencia.
Para operadores de aerodeslizadores existentes no hay soluciones obvias,
solo preventivas. Por ejemplo, siempre activar la máquina con la nariz de ajuste
arriba, no muy deseable para máquinas de competencia de alto rendimiento
porque aumenta el arrastre. En seguida, bombear tanto aire en la parte frontal del
colchón de aire como sea posible. Aun más allá, use elevadores para que la nariz
pueda ser ajustada hacia arriba, especialmente útiles cuando el viento se mueva
hacia abajo; poner en funcionamiento las reversas servirá; aumentar la presión en
las bolsas de las faldas también lo hará. Finalmente se diseña el casco de tal
manera que cuando un hundimiento ocurra esté sea muy suave y el deslizador
desacelere lentamente.
Como un punto de interés, se habrá podido notar que las formas usadas por
los botes de los hidroplanos de carreras y los planeadores, tienen un paso lateral
en el casco, supuestamente esto reduce la resistencia, bajando el levantamiento o
succión , es el mismo fenómeno.
49
Aerodeslizadores ligeros comienzan a volar a velocidades arriba de 50 MPH.
Esto ocurre cuando la corriente dinámica de la cabeza iguala la presión del
colchón de aire. Los operadores de máquinas de carreras a menudo pueden
balancear el peso hacia delante en un esfuerzo para prevenir que la máquina se
vuelque.
En un esfuerzo por combatir esta dificultad, algunos vehículos se hacen
más pequeños para provocar que la presión de colchón aumente. Esto tiene el
efecto de incrementar la velocidad de avance en la cuál la falda delantera se clava
hacia adentro cuando la cabeza dinámica iguala a la presión del colchón de aire.
Las alas horizontales delanteras se han tratado pero se encontró que no era
factible ya que eran muy difíciles de controlar.
Volverse un aerotransportador no parece ser el problema a primera
impresión. En la práctica, actualmente pocos vehículos se voltean. Comúnmente
el operador reducirá automáticamente el empuje y el vehículo suavemente
descenderá. Sin embargo parece, que esto representa el límite de velocidad
superior para pequeños aerodeslizadores. Las carreras de aerodeslizadores en
curso no excederán los 50 – 60 MPH a menos que el vehículo se vuelva más
pesado. Es bastante común ver levantamiento laterales, algunas veces de casi 90°
y para muchos operadores este es el medio más eficaz de completar una vuelta
aguda, desacelerar rápidamente. Vehículos de carreras ocasionalmente se voltean,
pero hasta esta fecha esto no se ha probado que sea peligroso. Además, esto
agrega considerablemente el nivel más alto de emoción ofrecida por este deporte
relativamente nuevo.
2.15 Estructura del casco
Con muchos años de experiencia en hovercraft ligeros es difícil señalar a
simple instancia cuando es que sufren una falla seria en la estructura del casco.
Existen varias estructuras de hovercraft ligeros construidos y operando; pocas han
sido estructuralmente diseñadas. Actualmente es un poco difícil hacer una
50
estructura de casco para hovercraft que no corra el riesgo de fallar. Especialmente
en aquellas estructuras que son construidas para soportar el peso de la presión
que ejerce una persona en movimiento, lo que significa que soporta cargas
dinámicas.
Las primeras maquinas fueron construidos en madera. La mayoría de los
construidos en casa todavía usan varios tipos de pino y madera terciada de abedul.
La mayoría de las maquinas producidas son de fibra de vidrio. Hechas tanto a
mano como con ayuda de otros utensilios. Muchas se construyen con materiales
compuestos, mientras que algunos pocos de aluminio o una combinación de las
tres. En EE.UU. los termoplásticos y la espuma de uretano también son usados en
fabricación de maquinas. La mayoría de las maquinas de crucero y carreras
europeas son hechas de fibra de vidrio. Madera y fibra de vidrio son favorables
con lo que respecta a peso, pero la madera requiere de más mantenimiento.
Probablemente el mayor desafió en la estructura de los hovercraft es el tamaño.
Es voluminoso, por lo tanto costoso; y es caro de transportar y de producir debido
a que el costo es una función del área de la superficie y de su volumen.
Un hovercraft siempre ha requerido de una gran estructura, lo que lo hace
más caro que otros vehículos parecidos, pero más pequeño que vehículos para
nieve y vehículos de competiciones acuáticas.
51
2.16 Estructura de la maquinaría
A diferencia del casco, las estructura de la maquinaria en el hovercraft está
expuesto a fallas ocasionales, dichas fallas raramente son peligrosa, son solo
inconveniente; sin embargo, existe potencial de daños serios sino se siguen
medidas de seguridad, como la hélice adecuada y los seguros del propulsor.
Aparte de propulsores y ventiladores, probablemente la falla mecánica que
más se presenta tiene que ver con los montajes del motor, especialmente, en
motores de dos ciclos.
Para tener una idea de esto, se considera que las fuerzas de aceleración
actúan sobre la estructura del casco, comparada con la del montaje del motor.
Varías mediciones han mostrado que las aceleraciones en el casco raramente
exceden las 2g’s en operaciones normales y 4g’s en trabajo intenso. Comparando
las aceleraciones medidas con motores de dos tiempos, estas llegaron a 200g’s.
Esto por supuesto, es un resultado de las vibraciones del motor no por el empuje
del ventilador o por otra condición de carga.
El diseño de montajes estándar de motores considera las cargas por peso,
empuje, par torsional, condiciones en choque y pueden ser también analizados los
efectos giroscópicos que provocan hélices grandes, las vibraciones son raramente
consideradas como una condición límite. Las razones por las que se omiten en el
diseño son obvias, el análisis preciso de las vibraciones es complejo, los datos de
diseño son escasos, y las mediciones de esfuerzo por vibraciones requieren de
equipo especial. La tradicional aproximación es aplicar factores de seguridad
grandes para cargas estáticas y de empuje, de acuerdo a un buen juicio ingenieril,
Un buen juicio incluye la consideración de (frecuencias naturales bajas)
maquinaría ligera, y montajes de seguridad, así como el uso de acero resistente a
la fatiga, en lugar de aleaciones de aluminio para bastidores de motor.
52
Es interesante notar que la mayoría de fallas por fatiga ocurren en motores
de dos tiempos en vehículos para nieve. El motor de automóvil de cuatro tiempos
raramente causa problemas con una montura adecuada para cargas estáticas, sin
duda esto es debido principalmente a su gran peso que funciona como una masa
de amortiguamiento
2.17 Polvo y dispersión
Una gran desventaja para el hovercraft, aparte del ruido que hacen, es el
polvo y la dispersión de particulas que genera debido al aire que escapa del
colchón. De todos los faldones disponibles, el faldón segmentado produce el
menor polvo y dispersión, probablemente porque permite el menor escape de
aire del colchón. Algunos vehículos son equipados con un faldón simple para
evitar la dispersión, normalmente consiste en un pedazo del faldón ligeramente
suelto o un deflector unido a la bolsa.
Esta es un área avanzada para nuevas ideas. Aparte del conductor y los
pasajeros tal ambiente es devastador para motores eléctricos y maquinaria.
Este problema puede ser guardado dentro de los límites con una
operación conciente. El ajuste apropiado del vehículo asegura la salida de
partículas hacia atrás y la aplicación de baja energía de levantamiento en
condiciones polvosas o en nieve .
53
2.18 Motores
La carencia de motores específicos desarrollados para hovercraft ha
sido, y continua siendo, un serio impedimento para la producción de bajo costo,
rentabilidad, alto desempeño de los hovercraft. Algunos tipos de motores son
mas convenientes que otros, pero todos han sido adaptados y así que todos
tienen problemas cuando son usados en hovercraft.
2.18.1 Motor de gasolina de dos ciclos
Sin argumentos, el faldón con segmentos y la disponibilidad de bajo
peso, alta potencia, bajo costo, y depender de motores de dos ciclos ha
permitido que el deporte de hovercraft ligeros se desarrolle tal como lo
54
conocemos actualmente. Modernos aerodeslizadores pequeños usan uno o
mas motores de dos ciclos.
Los motores de motocicleta nunca se han probado para uso de
hovercraft.
A pesar del advenimiento del capacitor de descarga de ignición , -una
gran alza al funcionamiento y a la confiabilidad del motor de dos ciclos todavía
es un sueño. Requieren una operación sensible si el máximo desempeño es
extraído durante el funcionamiento.
El motor de dos ciclos es el que consume más combustible, utilizando
alrededor de dos veces el consumo específico de combustible comparable con
el de cuatro ciclos. Estos vibran como una trituradora de piedra y hacen un
ruido similar. A pesar de todas estas cosas tienen alta potencia para carga
máxima y son más pequeños y compactos. La evolución de estos vehículos, en
gran parte , se debe a la disponibilidad de tales motores.
El alto desempeño del motor de dos ciclos depende de un dispositivo de
escape templado para alcanzar niveles notables de energía máxima. Un
sistema típico se esquematiza como sigue:
La longitud teórica modificada:
l= EVs/N
Este cálculo proporcionará idealmente un sistema donde el vacío parcial
detrás de la presión de escape limpiará el cilindro en el puerto de abertura y
regresará un ultimo empuje de presión, momentos antes de que el puerto se
55
cierra a la pérdida de carga del cilindro a través del dispositivo de escape. En la
práctica resulta difícil predecir algunos factores, tales como la temperatura del
gas, así cierta cantidad de experimentación a base de prueba y error es
requerida para alcanzar óptimos resultados.
Desafortunadamente este efecto del incremento trabaja bien solamente
sobre una gama bastante estrecha de las velocidades del motor y a la salida
de potencia. Los siguientes diagrama de fan / motor ilustran la situación. El
motor de dos ciclos ha ampliado su potencia alrededor de 2600 rpm del fan
(5000 rpm del motor) para empujar el fan a máxima revoluciones, pero es un
problema alrededor de los 2400 rpm del fan (4500 rpm del motor).Y en
comparación con un motor de cuatro tiempos de VW tiene potencia abundante
a todas las velocidades debajo de su rango. De esta manera, es obvio porque
es una condición fuera de su limite, en un motor de dos ciclos puede ser
totalmente devastador para el desempeño del vehículo mientras que el de
cuatro ciclos puede estar trabajando mal dentro de un rango razonable.
Varias soluciones al problema del motor de dos ciclos han sido
propuestas, tales como embragues centrífugos, geometría variable de los
extractores o sincronización de salidas variables. Algunos de los más recientes
vehículos construidos en casa están usando un arreglo de embragues los
cuales engranan una vez cuando el motor ha pasado a través de un rango de
4000-5000 rpm.
2.18.2 Motores de gasolina de cuatro tiempos.
Motores de gasolina de cuatro tiempos de todos los tipos han sido
usados en hovercraft desde los primeros días de estos. Han sido generalmente
notables por el bajo ruido y vibración y una gran confiabilidad en su alto
desempeño en comparación con el de dos ciclos. Hay, sin embargo, algunas
dudas acerca de su durabilidad si opera continuamente en velocidades y
56
niveles de potencia más allá de sus límites de operación usuales. La compra y
el costo puede ser absolutamente razonable debido al alto numero de
producción, pero relativamente los pesos son a menudo muy altos. Estos
motores automotrices son usualmente de una gran variedad de capacidades,
los de 7-8 cilindros arriba de 250HP de salida, pero son bastantes pesados con
relación de potencia–peso de 0.36HP/Lb., comparados con el de dos ciclos
0.8HP/lb. Los motores de levantamiento de cuatro ciclos son de podadoras
ampliamente usadas en EE.UU., pero en Europa los motores de levantamiento
son usualmente motores pequeños de dos ciclos.
2.18.3 Motores diesel
En los últimos años los motores diesel han sido muy utilizados por
muchas razones. Su principal atractivo ha sido el bajo ruido, bajo consumo
especifico de combustible, bajo mantenimiento, y un alta confiabilidad y
seguridad, los cuales, cuando son sumados, resultan muy económico.
2.18.4 Motores de aviación
El intercambio de motores de gasolina por turbinas de gas ha sido usado
en el hovercraft. Sin embargo, los altos costos de adquisición y los problemas
de enfriamiento y corrosión usualmente excluyen estos motores a ser
considerados en hovercraft ligeros. Su relación de peso-potencia de alrededor
de 0.5HP/lb., no es tan bueno como el alto desempeño del motor de dos ciclos.
57
CAPITULO III PRINCIPIO DE DISEÑO DEL AERODESLIZADOR
58
Existe una metodología que es aplicada por clubes de aficionados a los
deslizadores en USA e Inglaterra. Esta metodología es usada para determinar la
potencia del motor requerida para provocar la sustentación del hovercraft
mediante el colchón de aire, y se encuentra en el documento “The principles of
hovercraft design” elaborado por P. Fitz Patrick miembro del “Hovercraft Club of
Great Britain (S.E. Brench)”.
Tanto la teoría de Rankine – Froude y la metodología explicada con
anterioridad nos sirven para determinar la potencia necesaria para que el
aerodeslizador se mantenga en sustentación, aunque tienen influencias muy
marcadas en los valores de la potencia calculada para el mismo peso. La teoría
Rankine – Froude no toma en cuenta el efecto de la presión generada por el aire
en el suelo, y la metodología encontrada en The principles of hovercraft design no
toma en cuenta el diámetro ni la forma de la hélice utilizada por el motor. Por este
hecho es que la potencia calculada difiere bastante en valor siendo mayor la
obtenida por el modelo de Rankine – Froude, obligándonos a usar un motor de
combustible para el colchón de aire.
Otro fenómeno que se toma en cuenta es el efecto suelo. El efectuó suelo
es el fenómeno aerodinámico que se da cuando un cuerpo, con una diferencia de
presiones entre la zona que hay por encima de él y la hay por debajo, está muy
cerca de la superficie terrestre, lo que provoca unas alteraciones en el flujo de aire
que pueden aprovecharse en diversos campos.
Cabe mencionar que la metodología de “The principles of hovercraft design”
ha sido aplicada por clubes para construir aerodeslizadores para una persona
utilizados en competencias, demostrando su utilidad. El cálculo de la potencia
usando esta metodología nos permite el uso de motores eléctricos. Por otro lado el
modelo de Rankine-Froude es utilizado en diseño de helicópteros, con un
aceptable grado de exactitud y con el uso de esa potencia aseguramos la
sustentación.
59
Haciendo referencia a lo mencionado con anterioridad se llega a la
conclusión de que la teoría anterior cae en los 2 principios a utilizar en nuestro
proyecto:
Principio de Bernoulli: cuando la circulación del aire desacelera, hay un
aumento en la presión estática.
Principio de la conservación de la cantidad de momento lineal: un impulso
en un objeto producirá un cambio en su cantidad de momento lineal.
Estos dos principios básicos dan el levantamiento y el empuje del
aerodeslizador, reducen la fricción y son la compresión del flujo y flujo turbulento.
60
Capitulo IV Diseño del vehículo
61
4.1Requerimientos del diseño
Se requiere que el vehículo se desplace a 15km/hr y su carga de paga
sea de 1421.577N. El área propuesta para la base del hovercraft es de 7.2 m2,
la base es con el frente redondeado.
4.2 Determinación de la potencia en el motor de levantamiento
W=1.65 m
L=3.3m
R=0.825m
Pmax=1421.5771N
Se sabe que la presión total de un fluido se compone de la presión
estática, le presión dinámica y la presión debida a la altura.
ghVPPt ρρ ++= 2
21
Para mantener el aerodeslizador separado del suelo se necesita que la
presión ejercida por el aire en el piso sea igual a la presión que resulta de la
fuerza del peso del vehículo entre la superficie de de la base del hovercraft, por
lo tanto:
PaP
P
Aw
P
C
C
bC
44.1972.75771.1421
max
=
=
=
Para el flujo de aire, la única componente de la presión que influye en la
sustentación es la presión dinámica, puesto que la presión estática es cero y la
62
presión de levantamiento se desprecia. Así igualando los las dos expresiones
anteriores se tiene que :
2max
21 V
Aw
b
ρ=
Siendo V la velocidad requerida para generar dicha presión.
( )
smV
V
PV C
/18
44.19722.7
*2
=
=
=
ρ
Puesto que V es la velocidad que tiene el aire al chocar con el piso, y
dado que le vehículo se encuentra en libertad con respecto del suelo, la
velocidad con la que sale el aire por la periferia de la base del aerodeslizador,
se puede considerar la misma.
Vs=V
Para generar un colchón de aire con una la altura h (separación del
vehículo del suelo), se calcula un área de salida de aire, como el perímetro de
la base por la altura h. Para una altura de 20cm se obtiene lo siguiente:
25.2
20.0*)65.13.3(22
65.1*
*)(22
mA
A
hmMDA
s
s
s
=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ++=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ++=
π
π
Así considerando un área de salida se tiene un flujo de volumen dado
por:
63
smv
smsmv
AVv ss
/45
/5.2*/18
*
3*
2*
*
=
=
=
Al considerar el flujo del aire como incompresible, dado que las presiones
manejadas en aerodinámica no comprimen el aire, se tiene que la presión se
transmite por todo el fluido. La potencia requerida se obtiene como:
KwWPotenciasmPotencia
PPotencia t
884.88.888444.147*/45
*3
*
===
=ν
Para el cálculo de la potencia real del motor del Lift Fan, se tienen que
considerar las pérdidas existentes en la hélice. Para esto se considera una hélice
con una eficiencia del 70%.
HPKwPotencia
KwPotencia
PotenciaPotencia
real
real
real
177.127.0
884.8
==
=
=η
Dada esta potencia se tiene que seleccionar un motor que pueda
proporcionarla. Para elegir el equipo correcto se toman los datos de una tabla
de especificaciones de compresores, del cual, se elege la que cumple con los
requerimientos .
64
Tipo Tolerancia (mm)
Revoluciones (t/min.)
Máximo Flujo (m3/h)
Masa (kg)
CBP-7/7 180/180 2400 2800 7 Especificaciones.
4.3 Diseño de las aletas para el timón
Para que el vehículo pueda maniobra entre los obstáculos, necesita que
este provisto de algún mecanismo que le provoque un cambio en la dirección del
desplazamiento, para que valiéndose de este pueda girar.
El mecanismo que se ideó para esta función consta de dos palas con forma
aerodinámica, las cuales por medio de un mecanismo cambian el ángulo de
incidencia del flujo del aire. Esta fuerza combinada con el brazo de palanca al
centro de masa del vehículo provocará un momento de giro, haciendo que este
vire hacia la derecha o izquierda.
La forma de cada una de las palas se muestra a continuación:
65
Estas palas cuenta con perfiles simétricos, los cuales tienen ángulo de
incidencia de 0°.
Para el cálculo de la fuerza ejercida por la pala se utiliza la siguiente
ecuación:
LG ACVF 2
21 ρ=
El coeficiente CL depende del ángulo incidencia del aire sobre la forma
aerodinámica, por lo tanto para calcularlo ser recurre a la gráfica Cl vs α del
NACA 0008.
66
Con esto, para un ángulo de incidencia máximo del aire sobre la pala de
45°, se tiene que CL=1.4. La fuerza se calcula usando la velocidad máxima que va
a tener el aire a la salida del ventilador, se toma que es 15 km/hr.
( )NF
msmmkgF
G
G
46.35
)5.1)(320.0()/166.4(/22.121 222
=
=
4.4 Diseño de la hélice para empujar el hovercraft
De acuerdo a la siguiente grafica se dedujo la potencia necesaria y el
número de revoluciones por minuto.
los datos son:
612.033.13*100
/16.4/225.1
*5/1
2
53
5/1
2
5
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
s
s
s
C
smmkgC
nPotenciaVC ρ
rpsrpmnWPotencia
smVmkg
33.13800100/16.4
/225.1 3
===
==ρ
67
Teniendo el valor de Cs se busca el valor de J en la siguiente grafica, que
es para una hélice 5758-9 donde se puede utilizar con un perfil NACA 2415.
Cuando se obtiene el valor de J de la grafica, procedemos a calcular el
diámetro
Despejando J tenemos:
DnVJ =
cmmD
D
JnVD
21.8821.046.14*35.0
16.4
==
=
=
4.5 Cálculo del mecanismo impulsor
Se cuenta con los siguientes datos:
Det1=20cm
68
n1et1= 100rpm
Det6= 5
n1et6= 800
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
2
1
1
2
e
e
e
e
nn
DD
Se calcula las revoluciones de la primera estrella donde Det1=20cm y
n1et1=100rpm, donde reduciremos el diámetro a Det2= 10cm para duplicar las rpm:
rpmn
n
n
et
et
e
20010
2000
1002010
2
2
2
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
Como la estrella 2 y 3 comparten el mismo eje = , y el diámetro que
se propone para la tercera estrella es de 20cm.
2en 3en
Posteriormente tenemos que para la cuarta estrella Det4= 10cm
rpmn
n
ne
et
et
40010
20*200
2002010
4
4
4
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
Con los valores de la sexta estrella se calcula el diámetro de la quinta
estrella.
69
cmD
D
D
et
et
et
104004000
8004005
5
5
5
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
70
70
cmD
D
D
et
et
et
104004000
8004005
5
5
5
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
Mod
elo
final
71
Conclusiones
Mediante el diseño de este dispositivo, se demostró que una persona es
capaz de producir la potencia requerida para generar el empuje necesario para
mover el vehículo a una velocidad determinada; ya que fue cumpliendo con lo
requerimientos establecidos, aunque cabe resaltar que los requerimientos no
fueron tan estrictos. Sin embargo fueron suficientemente apegados a un diseño
real y funcional. Este mecanismo hasta ahora resulta aplicable para
aerodeslizadores ligeros de dimensiones pequeñas.
72
Bibliografía Libro con un autor Fitzgerald Christopher, Wilson Robert, (1980) Light
Hovercraft Design. Abbot H. Ira., (1959) Theory of wing sections, primera edición. Dover publications, Inc. Nueva York.
Tesis Villalpando Cuevas Luis, Ramírez Vega Alfredo, (2004). Vehículo explorador hovercraft. Tesis de licenciatura. México, UPIITA, IPN.
Sitios, páginas y libros electrónicos
www.hovercraft .com www.hovercraft.org.uk www.hoverclubofamerica.org http://es.wikipedia.org/wiki/Aerodeslizador
.
73
Anexos
74
