Proyecto TURBOMEC 2012: Informe 2 Diseño conceptual

Proyecto TURBOMEC 2012: Informe 2

“Diseño conceptual”

Asignatura: IWG-101

Introducción a la Ingeniería

Profesor: Jaime Núñez S.

Grupo: S-TM_05

Integrantes: Hrs.

Jonathan Magaña Gallardo 20

Víctor Estrada Fernández 20

Mitchell Saud Godoy 20

Marcelo Lagos Aburto 20

Santiago, 17 de junio, 2012

Índice:

Índice: ... 2

1. Objetivos. ... 3

2. Funciones y restricciones del Diseño. ... 4

2.1. Artefacto como conjunto de sistemas ... 4

2.2. Sistema de propulsión ... 5

2.3. Fuselaje (estructura) ... 6

2.4. Sistema principal de sustentación ... 7

2.5. Tren de aterrizaje ... 8

2.6. Estructuras y mecanismos externos o auxiliares ... 9

2.6.1. Plataforma de despegue ... 9

2.6.2. Sistema de compresión ... 10

2.6.3. Punto de aterrizaje (arco de fútbol) ... 11

3. Análisis sistemático, análisis funcional y diagrama FAST. ... 11

4. Anteproyecto Formal y dimensional del artefacto: StratosFlying Relámpago Rupell. .... 14

5. Análisis preliminar de solicitaciones (requisitos) funcionales. ... 16

5.1. Lanzamiento del objeto volador ... 16

5.2. Principales fuerzas presentes en el vuelo ... 17

5.2.1. Diagrama de fuerzas que actúan en un objeto volador ... 18

6. Requerimientos estimados de insumos o materiales especiales a incluir. ... 18

7. Planificación del trabajo. ... 20

Bibliografía ... 21

1. Objetivos.

 Identificar, clasificar y jerarquizar funciones que estarán presentes en el funcionamiento del artefacto volador al interactuar con el medio, establecer las restricciones que estarán presentes durante el desarrollo del proyecto TURBOMEC 2012.

 Desarrollar un análisis funcional que describa la interacción entre el artefacto volador y el medio en el que se desempeñara (funciones de servicio). Y organizar los procesos que se llevan a cabo dentro del artefacto para cumplir las funciones de servicio (Diagrama FAST).

 Presentar un diseño conceptual del artefacto a construir de acuerdo a las especificaciones y restricciones del proyecto (Anteproyecto formal). Además desarrollar un análisis dimensional del artefacto.

 Analizar los principales factores involucrados en el desarrollo de los objetivos que debe cumplir el artefacto al momento de desplazarse.

 Presentar una propuesta de los materiales o insumos que van a estar presentes en la construcción del artefacto volador y durante su funcionamiento.

 Organizar las diversas actividades a desarrollar durante el proyecto mediante la planificación del trabajo por medio de una Carta Gantt.

2. Funciones y restricciones del Diseño.

A continuación se procederá a describir las funciones de servicio del móvil en su conjunto y las correspondientes funciones de cada uno de los sistemas, primero aquéllos internos al artefacto en cuestión, y luego aquéllos externos. Además se darán a conocer las respectivas restricciones que condicionan el buen desempeño del artefacto y sus componentes.

2.1. Artefacto como conjunto de sistemas

El móvil es el resultado de un conjunto de sistemas integrados de tal forma que esta integración permita cumplir los objetivos propuestos en el proyecto. Para este fin, el móvil en el desarrollo de su misión se verá sometido a una serie de fuerzas físicas que se ejercen ya sea a favor o en contra de su desplazamiento, restringiendo y condicionando la estructura y la funcionalidad del artefacto y sus partes. Lo anterior descrito define las funciones de servicio del artefacto, clasificadas como se continúa.

Función de principal

La función principal del artefacto es desplazarse a través del aire, describiendo una trayectoria controlada partiendo desde una plataforma de despegue hasta un arco de fútbol.

Funciones complementarias

Para lograr cumplir la función principal el artefacto deberá cumplir, además, otros procesos.

Estos son: transformar la energía potencial interna en energía, mediante el sistema de propulsión empleado; despegar de la plataforma de despegue para elevarse y sustentarse por el aire; finalmente, aterrizar sobre el arco de fútbol, completando su trayectoria, a través del tren de aterrizaje.

La función principal y las funciones complementarias descritas recientemente componen las funciones de servicio del producto.

Restricciones

 Los sistemas que lo componen y los distintos elementos, deben distribuirse estratégicamente de acuerdo al centro de gravedad del artefacto.

 Todas sus partes deben estar firmes y bien sujetas en sus posiciones, existiendo una relación compacta entre éstas

 Su forma en general tiene que ofrecer la menor resistencia posible (como se verá más adelante).

 Debe estar construido con materiales resistentes para evitar los riesgos colapso o rotura de algunas de sus estructuras.

 Su masa no debe exceder la permitida por la energía y potencia disponible.

2.2. Sistema de propulsión

Compuesto por:

 Estanques.

 Conducto de eyección.

 Válvulas.

 Hélices.

Es el mecanismo mediante el cual el móvil recibirá la energía necesaria para salir de la inercia del reposo y lograr un desplazamiento. Cada una de las partes cumple una respectiva función técnica que aportará a la realización del objetivo esperado del sistema; estas funciones de cada parte serán enumeradas según prioridad.

Función principal

El sistema de propulsión tiene como objetivo llevar a cabo los procesos de transformación de la energía potencial del móvil a energía cinética para que, de esta manera, se logre el desplazamiento de éste.

Función complementaria

Contener la energía potencial, es decir, aislar el medio interno, en donde se encuentran el agua y el aire, del medio externo, para lograr así las conservaciones de las presiones deseadas.

Funciones técnicas de sus partes

 Estanques: albergar los fluidos; aislar los fluidos de la presión exterior. Es el lugar donde ocurrirán los fenómenos físicos para la transformación de la energía potencial.

 Válvulas: abrir y cerrar el paso del aire; comunicar el estanque de fluidos con el compresor.

 Conducto de eyección: eyectar los fluidos en el momento del despegue; transmitir la energía cinética resultante. Es la vía de salida del agua a presión hacia el exterior del artefacto.

 Hélices: aumentar el flujo de aire continuo a través de las alas.

Restricciones

 Las dimensiones de cada estanque debe ser coherente a las medidas de la estructura de fuselaje. Por lo tanto, no puede ser demasiado grande, ya que el tamaño total del artefacto sería grande y esto influiría en la resistencia del aire en contra del movimiento.

 Las válvulas debe quedar correctamente sellada para evitar fugas de aire y disminución de la presión interna.

 Los estanques también deben estar adecuadamente sellados y aislados de tal manera que no se fuguen los fluidos en su interior.

2.3. Fuselaje (estructura)

El fuselaje es la estructura principal y “cubierta” del artefacto volador que está en contacto directo con el aire de la atmósfera, por lo que su geometría influirá en la resistencia de éste.

Es la parte a la que van ensambladas las alas.

Función principal

El objetivo del fuselaje en proteger las estructuras internas del impacto del roce del aire y, en consecuencia, contiene y soporta estas estructuras.

Función complementaria

Deberá ser capaz de “romper” la resistencia que pone el aire para una mayor fluidez y eficiencia en el vuelo, para esto su forma es condicionada como se menciona a continuación.

Restricciones

 Su geometría debe ser aerodinámica para disminuir la resistencia que ofrece el aire y, además aportar a la sustentación.

 Su estructura tiene que estar construida con materiales que resistan las torsiones provocadas durante el vuelo y en el aterrizaje.

 La distribución de la masa debe ser de acorde a la ubicación estratégica del centro de gravedad para el desplazamiento equilibrado del artefacto.

 El peso total del fuselaje no debe ser excesivo, ya que afectará a la sustentación del móvil y a la potencia necesaria para desplazarlo.

 El revestimiento del fuselaje debe resistir las cargas y esfuerzos ocurridos durante el vuelo.

2.4. Sistema principal de sustentación

Éste está compuesto por el conjunto de las alas y los estabilizadores ubicados en la cola del móvil aéreo.

Es el responsable de la elevación y planeo, a través del aire, de nuestro objeto, todo esto gracias a la fuerza de sustentación.

Función principal

Su misión es dar sustentación al artefacto para hacer posible su desplazamiento por el aire.

Por lo tanto, aprovecha las diferentes presiones y velocidades del viento pasando por el extradós e intradós de las alas.

Funciones complementarias

Para el buen funcionamiento de las alas en este caso, es necesario que éstas sean capaces de soportar las cargas de las distintas fuerzas ejercidas (sustentación, resistencia, cargas del empuje, reacción al aterrizar) y por tanto, soportar esfuerzos de torsión y deflexión.

Con esto, en conjunto con la cola, debe estabilizar el vuelo del artefacto para lograr una trayectoria más o menos uniforme.

Funciones técnicas de sus partes

 Larguero: soportar los efectos de torsión y flexión. Es la viga que se extiende longitudinalmente en las alas.

 Costillas: dar la forma aerodinámica y la separación entre los larguerillos. También transmite el peso del revestimiento y las fuerzas aerodinámicas (sustentación y resistencia) al larguero al ir sobre éste.

 Revestimiento: cubrir la estructura interna del ala del roce exterior; mantener la forma aerodinámica.

 Larguerillos: transmitir la carga del revestimiento a las costillas. Son barras o varillas longitudinales de las alas sobre las que se adhiere el revestimiento.

Restricciones

 La forma transversal de perfil aerodinámico (costillas) de las alas y la cola (que incluye los estabilizadores) es muy importante para lograr la sustentación durante el movimiento.

 El área media de las alas (de acuerdo a su forma plana) debe ser proporcional a las necesidades del vuelo, principalmente durante el planeo.

 Las alas deben estar ensambladas con un ángulo de ataque adecuado para producir más sustentación.

 Tanto el par de alas como los estabilizadores tienen que estar correctamente alineados y cuadrados para evitar una desviación en la trayectoria deseada.

 El ensamblaje de estos elementos debe ser firme, para que resista el roce con el aire y afecte lo menos posible a la estabilidad del vuelo.

 Tanto el revestimiento debe ser resistente, ya que tendrá que ser capaz de soportar también las cargas descritas anteriormente.

2.5. Tren de aterrizaje

Compuesto por:

 Ruedas.

 Amortiguadores.

Es el sistema encargado de una adecuada vuelta a tierra, por lo que tiene que tener un mecanismo de amortiguación que reduzca el impacto al momento de tocar la pista de aterrizaje.

Función principal

Como ya se pudo advertir, su función principal radica en amortiguar el aterrizaje del móvil aéreo, por lo que recibirá el impacto directo en este momento ocasionado principalmente con la energía cinética con que llega y “absorber” la reacción. De este mecanismo depende en parte la integridad del artefacto al tocar tierra.

Función complementaria

Como el aterrizaje en el final del trayecto recorrido por el artefacto, el tren de aterrizaje también cumplirá la función de soportar el movimiento de desaceleración, producto de la fuerza de roce entre las ruedas y el suelo.

Funciones técnicas de sus partes

 Ruedas: transmitir el impacto del aterrizaje a los amortiguadores

 Amortiguadores: Absorber el impacto; Amortiguar la caída.

Restricciones

 Debe soportar el peso de todo el artefacto, por lo que sus componentes tienen que ser resistentes.

 El sistema de amortiguación debe la elasticidad suficiente para recibir el impacto al aterrizar.

 El eje de las ruedas debe ser firme para evitar torsión de éstas.

 La lubricación de los ejes de las ruedas debe ser la suficiente para que se desplace, pero también para que frene.

 Las ruedas deben ser de iguales dimensiones y bien alineadas para el correcto equilibrio en el aterrizaje.

2.6. Estructuras y mecanismos externos o auxiliares

Ahora, se mencionarán los diversos sistemas externos a nuestro artefacto volador que influyen directamente en la completa realización de las funciones de servicio descritas en el título “2.1.”, es decir, estos sistemas, si bien es cierto, no forman parte de la composición del objeto en cuestión, igualmente son necesarios para llevar a cabo la misión de éste.

2.6.1. Plataforma de despegue

Es la superficie sobre la cual el móvil permanece en reposo inicialmente y a través de la cual se desplazará durante los primeros instantes del despegue, gracias al impulso recibido por el sistema de propulsión.

Función principal

Su fin principal es soportar al artefacto en el reposo y en el momento inicial del despegue, otorgándole una superficie sobre la cual apoyarse mientras sale de su estado inercial de reposo.

Funciones complementarias

Además de servir de apoyo, tendrá que retenerlo, mediante un mecanismo de seguro mientras se le carga la presión de aire que se requiere. Por ende, este mecanismo, tiene la función de evitar el despegue prematuro del artefacto.

Restricciones

 Debe estar debidamente pulimentada y despejada de obstáculos que entorpezcan la salida y el libre desplazamiento.

 La inclinación debe ser la determinada por las experiencias y el alcance del móvil gracias a la potencia del impulso.

 Debe tener una base firme y estable para evitar “balanceos” en el despegue.

 Sus dimensiones son acorde a las medidas del artefacto.

2.6.2. Sistema de compresión

Está conformado por el compresor y sus partes, el cual proveerá del aire que se necesita en la compresión de los fluidos internos.

Función principal

Comprimir el aire y, en consecuencia, el agua, a través del aumento del volumen del primero dentro del estanque correspondiente, para así lograr las presiones requeridas (por lo que será necesario un manómetro para supervisar esta presión).

Restricciones

 El compresor tiene que estar en buen estado.

 La manguera de transmisión del aire debe estar debidamente sellada.

 El manómetro debe estar calibrado.

2.6.3. Punto de aterrizaje (arco de fútbol)

Es el último punto del trayecto recorrido por el móvil aéreo, es decir, luego de haberse desplazado por el aire el móvil aterrizará dentro del arco de fútbol para culminar su trayectoria.

Función principal

Por lo tanto, como es de inferir, la función que cumple esta estructura es la de recibir al móvil en movimiento al aterrizar, esto es, servir de apoyo en tierra en ese instante.

Función complementaria

Como las ruedas del tren de aterrizaje se posarán sobre esta superficie, otra función que surge es la de hacer contacto con las ruedas para que se produzca el roce que detendrá el móvil.

Restricciones

 Debe estar completamente despejada de objetos que obstaculicen el arribo del artefacto.

 Debe estar lo suficientemente pulimentada y pareja para no producir un roce e impacto desmesurados que aumenten las cargas producidas por el aterrizaje

 Debe estar completamente horizontal para disminuir el impacto sobre el tren de aterrizaje.

3. Análisis sistemático, análisis funcional y diagrama FAST.

A continuación se dará a conocer los análisis correspondientes a las funciones de servicio de dicho producto (análisis funcional), y las respectivas funciones técnicas entre sus partes y sistemas internos (diagrama FAST).

Análisis funcional:

Funciones de servicio:

FS1 Desplazarse desde la plataforma de despegue hasta el arco de fútbol.

FS2 Contener agua y aire a presión.

FS3 Despegar desde la plataforma de despegue.

FS4 Aterrizar en el arco de fútbol.

Funciones técnicas:

FT1 Transformar la energía potencial en energía cinética en del tubo de eyección.

FT2 Transmitir la energía cinética a través del tubo de eyección.

FT3 Aumentar la sustentación por acción de las alas.

FT4 Amortiguar el impacto en el descenso mediante el tren de aterrizaje.

FT5 Eyectar fluidos a presión por el tubo de eyección.

FT6 Impedir la fuga de aire mediante la válvula.

FT7 Mantener la presión interna a través de la válvula.

FT8 Aislar el agua y aire a presión por medio del estanque.

FT9 Potenciar la diferencia de presión entre Intradós y extradós gracias a las alas y sus características.

FT10 Aumentar el flujo de aire atmosférico a través de las alas dado rotación de hélices.

FT11 Absorber la fuerza del impacto a través de los amortiguadores.

FT12 Transmitir la fuerza a los amortiguadores desde las ruedas.

FS2 FS3

FS4

FS4

Artefacto Volador

FS1 Plataforma de despegue

Arco de fútbol

Agua y aire comprimido

Diagrama FAST:

EXTERIOR INTERIOR EXTERIOR

Funciones de Servicio

Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Elementos del

Ambiente

Desplazarse desde la plataforma hasta el arco.

Despegar desde la plataforma.

Aterrizar en el arco.

Trasformar la energía potencial a energía cinética

Transmitir la energía cinética.

Amortiguar el impacto en aterrizaje

Eyectar los fluidos a presión.

Mantener la presión interna.

través de la válvula.

Aire, agua comprimidos.

Plataforma de despegue.

Arco de fútbol.

Aumentar la sustentación

Aumentar el flujo de aire atmosférico a través de las alas.

Absorber la fuerza del impacto.

Transmitir la fuerza a los amortiguadores Potenciar la

diferencia de presión del aire entre intradós y extradós.

Contener agua y aire a presión.

Impedir fugas de aire al exterior.

Aislar el agua y aire a presión.

4. Anteproyecto Formal y dimensional del artefacto:

StratosFlying.

Nuestro proyecto está inspirado en el antiguo pero revolucionario modelo de avión de transporte táctico pesado el Lockheed C – 130 Hércules. Este avión fue diseñado y llevado a cabo en Estados Unidos. Su estructura permite darle una gran variedad de usos como de:

apoyo aéreo, búsqueda, rescate y evacuaciones medicas entre otras.

Esta nave esta propulsado por cuatro motores turbo hélice y posee la capacidad de aterrizar en pistas no preparadas, esto gracias a un tren de aterrizaje suave, lo que le permite también aterrizar en terrenos irregulares.

Otra de sus características destacadas son sus puertas, que al ser hidráulicas permiten abrirse, incluso durante el vuelo. Su estructura

básica está construida en aluminio de alta resistencia y algunas piezas de titanio. Lo que lo hace uno de los aviones mejor preparados y de un alto rendimiento en todo ámbito y aspecto.

Es por esto que hemos querido utilizar de apoyo al C – 130 Hércules y plasmarlo en el diseño nuestro proyecto dándole un aspecto de gran eficiencia y aerodinámica.

Vista aérea:

5. Análisis preliminar de solicitaciones (requisitos) funcionales.

5.1. Lanzamiento del objeto volador

Todo objeto que se auto propulse velocidad inicial distinta de cero, en una dirección dada, describirá una curva parabólica en toda su trayectoria. Esto se debe al efecto que produce el efecto de gravedad producido por la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre el objeto.

El movimiento parabólico es una superposición de lo que es el movimiento rectilíneo uniforme y el movimiento uniformemente acelerado. Al tener un movimiento compuesto, cada uno de los movimientos antes mencionados se cumple sin importar si el otro se efectúe.

Diagrama del movimiento parabólico:

5.2. Principales fuerzas presentes en el vuelo

Nuestro objeto se auto propulsara con cierta velocidad, la cual puede ser descompuesta en la velocidad vertical y horizontal. Cada una de esta va a depender del ángulo de inclinación con respecto a la plataforma. A medida que el objeto volador siga su curso, la componente vertical va a llegar a 0 (altura máxima), esto se debe a la aceleración de gravedad que actúa en sentido contrario a esta componente, haciéndola cada vez menor. Luego de ese momento el objeto comenzará a acelerar, debido a lo explicado anteriormente. Mientras que la componente horizontal siempre se mantiene constante, ya que no hay no roce, ni elemento que se oponga a esta (en un sistema ideal).

Para que el cuerpo pueda llegar a su objetivo (arco de futbol), deberá recorrer una distancia aproximada de 40 metros, para conseguir esto es necesario elegir un ángulo de inclinación adecuado, con el cual recorrerá la distancia a la que queremos llegar. Otro factor importante es saber el peso del objeto de nuestro proyecto, ¿para qué queremos saber esto? Con esto podremos calcular la fuerza de sustentación o levantamiento, que es la fuerza que permite que el avión pueda elevarse al aire y mantenerse allí.

Se sabe que la sustentación surge de la diferencia entre la presión de aire en el extradós del ala y la presión de aire fluyendo por el intradós (punto en que la velocidad del viento es menor que en el extradós, por lo tanto, la presión es mayor), lo que produce un efecto de

“succión” hacia arriba dando origen a dicha fuerza. Además, la sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad del viento relativo (por Teorema de Bernoulli), por lo tanto, a mayor velocidad del viento sobre el perfil aerodinámico (principalmente las alas) mayor es la magnitud de la fuerza. Así, para lograr la elevación la sustentación tiene que ser a lo menos igual que la fuerza peso ejercida sobre dicho móvil.

Por último, está la fuerza de resistencia que la produce el aire, siendo ésta opuesta a la fuerza de empuje, por lo que para que el móvil pueda avanzar este empuje debe ser por lo menos igual a la fuerza de resistencia (roce). A mayor velocidad, mayor va a hacer el roce que se produce.

5.2.1. Diagrama de fuerzas que actúan en un objeto volador

Lo expuesto anteriormente queda resumido así:

Donde |Empuje| ≥ |Resistencia| y |Sustentación| ≥ |Peso|.

6. Requerimientos estimados de insumos o materiales especiales a incluir.

Para la confección de nuestro Proyecto TURBOMEC 2012 se emplearan los siguientes insumos o materiales:

 Válvula de aire: la válvula de aire se empleara para permitir que el aire que está entregando el bombín ingrese al estanque de fluidos y a la vez impedirá que el aire una vez dentro se escape.

 Tubo o botella: será utilizado para contener los fluidos a comprimir.

 Tubos de PVC: serán utilizados para el sistema auxiliar de despegue.

 Bombín: será utilizado para proporcionar el aire necesario para comprimir los fluidos dentro del estanque.

 Cartón: será utilizada para dar forma al fuselaje y alas del artefacto volador y también para la creación de las hélices.

 Alambre: para dar consistencia a la estructura del artefacto volador y para los amortiguadores del tren de aterrizaje.

OBJETO VOLADOR Fuerza de

Resistencia

Fuerza de Empuje Fuerza de

Sustentación

Fuerza Peso

 Lija: se utilizara para reducir imperfecciones de la botella.

 Sierra: se utilizara cortar las mangueras, y poder introducirlas en los tubos pvc.

 Silicona: se utilizara para unir piezas y sellar, en caso de posibles fugas.

 Pistola de silicona: se empleara para poder adicionar la silicona donde se requiera.

 Teflón: para sellar posibles fugas entre los tubos que pertenecen al sistema de autopropulsión.

 Alicate: para modelar y cortar el alambre.

 (goma de cámara): para las ruedas del tren de aterrizaje y en algunas partes de la estructura donde se requiera.

 Adhesivos: se utilizaran para unir piezas en el artefacto volador.

 Pintura: para mejorar la estética final del artefacto.

 Manómetro: para medir las presiones adecuadas a aplicar dentro del sistema de propulsión.

7. Planificación del trabajo.

Bibliografía

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<http://mecanica.eafit.edu.co/~sorrego/ALA_UAV_FINAL.pdf> [consulta: 10 junio 2012]

WIKIPEDIA. Ala (aeronáutica). [En línea]

<http://es.wikipedia.org/wiki/Ala_(aeron%C3%A1utica)> [consulta: 10 junio 2012]

GUILLEM Borrell. Cálculo de Aviones. [en línea]

<http://torroja.dmt.upm.es/media/files/ca.pdf> [consulta: 10 junio 2012]