Dirigible híbrido

Un dirigible híbrido es una aeronave propulsada que obtiene parte de su sustentación como dirigible más ligero que el aire (LTA) y parte de la sustentación aerodinámica como aerodino más pesado que el aire .

Un dinastato es un dirigible híbrido con alas fijas y/o un cuerpo sustentador y, por lo general, está destinado a vuelos de larga duración. Requiere vuelo hacia adelante para crear el componente de sustentación aerodinámica.

Un rotastato es un dirigible híbrido con alas giratorias y generalmente está destinado a aplicaciones de carga pesada. Sus alas giratorias pueden proporcionar sustentación incluso cuando está suspendido en el aire o maniobrando verticalmente, como un helicóptero .

No se han construido diseños de producción, pero han volado varios prototipos con y sin tripulación.

El término "dirigible híbrido" también se ha utilizado para describir un dirigible que comprende una mezcla de construcción rígida , semirrígida y no rígida .

Los dirigibles convencionales tienen bajos costos operativos porque no necesitan potencia de motor para mantenerse en el aire, pero tienen varias limitaciones, entre ellas, una baja relación carga útil/volumen y velocidades bajas. Además, el manejo en tierra de un dirigible puede ser difícil. Debido a que flota, incluso con una brisa suave es susceptible a las turbulencias del viento.

Por otro lado, las aeronaves más pesadas que el aire, o aerodinos, especialmente los helicópteros , requieren el uso constante de energía para generar sustentación, y los aviones convencionales también requieren pistas .

El dirigible híbrido combina la sustentación aerostática del dirigible, proveniente de un gas más ligero que el aire, como el helio, con la sustentación dinámica de la nave más pesada que el aire, proveniente del movimiento a través del aire. Una nave híbrida de este tipo sigue siendo más pesada que el aire, lo que la hace similar en algunos aspectos a una aeronave convencional. La sustentación dinámica puede ser proporcionada por alas giratorias similares a las de un helicóptero (el rotastato ), o por una forma que produzca sustentación similar a un cuerpo sustentador combinado con empuje horizontal (el dinastato ), o por una combinación de ambas. ^{[1] [2]}

Los dirigibles híbridos están pensados ​​para llenar el vacío entre el bajo coste operativo y las bajas velocidades de los dirigibles tradicionales y la mayor velocidad pero mayor consumo de combustible de las aeronaves más pesadas que el aire. Al combinar la sustentación dinámica y flotante, los híbridos están pensados ​​para proporcionar una mejor velocidad aerodinámica, capacidad de carga útil aérea y (en algunos tipos) capacidad de vuelo estacionario en comparación con un dirigible puro, al tiempo que tienen una mayor resistencia y una mayor capacidad de sustentación en comparación con un aerodino puro.

Se afirma que la tecnología de aeronaves híbridas permite una gama más amplia de optimizaciones del rendimiento de vuelo, que van desde significativamente más pesado que el aire hasta casi flotante. Se afirma que esta percepción de autonomía de vuelo dinámica poco común, cuando se combina con un sistema de aterrizaje apropiado, permite un transporte aéreo ultrapesado y asequible. ^[3]

En comparación con un dirigible convencional, el híbrido se puede hacer más pequeño y no necesita llevar lastre para controlar la altitud, mientras que, en comparación con una aeronave más pesada que el aire, el híbrido requiere un rotor más pequeño o una pista más corta. ^[2]

Mientras que el dinastato se considera más prometedor para el transporte de pasajeros y mercancías a larga distancia, se prevé que el rotastato sea más adecuado como " grúa voladora " capaz de levantar cargas externas pesadas en distancias más cortas. ^[2]

Algunas aeronaves emplean vectorización de empuje , generalmente con propulsores de ventilador entubado pivotantes , para proporcionar sustentación adicional cuando el empuje del motor ya no es necesario para la propulsión hacia adelante. Una vez que se gana velocidad aerodinámica, la aeronave puede usar la sustentación del cuerpo para ayudar a transportar una carga mayor que su capacidad de sustentación aerostática por sí sola. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, estas aeronaves no suelen considerarse híbridas.

El dinastato obtiene sustentación adicional al volar por el aire. Las configuraciones estudiadas incluyen el uso de cascos deltoides (triangulares), lenticulares (circulares) o aplanados, o la incorporación de un ala fija.

Algunos de los primeros dirigibles estaban equipados con planos en las alas, con la intención de proporcionar una sustentación dinámica adicional. ^{[ cita requerida ]} Sin embargo, la sustentación adicional de los aviones puede ser menos eficiente que simplemente aumentar el volumen del dirigible. A bajas velocidades del aire, de 60 mph (97 km/h) o menos, el aumento de la sustentación obtenido mediante el uso de planos en un dirigible requeriría un aumento desproporcionado de la potencia del motor y el consumo de combustible en comparación con el aumento del tamaño de las bolsas de gas. ^[4] Además, la fijación de superficies voladoras a la envoltura del dirigible requeriría un importante refuerzo estructural, con el consiguiente aumento de peso. ^[2]

Los dirigibles convencionales a menudo hacen uso de la sustentación aerodinámica usando sus elevadores para establecer una actitud con el morro hacia arriba de modo que el cuerpo principal del dirigible proporcione algo de sustentación a medida que vuela; sin embargo, esto generalmente se hace para contrarrestar pequeñas condiciones de desajuste, y es igualmente probable que sea necesario apuntar el morro hacia abajo para reducir la sustentación.

Algunos diseños híbridos, como el Lockheed Martin LMZ1M (que siguió al vehículo de prueba Lockheed Martin P-791 ), utilizan un casco aplanado o multilobulado para aumentar la sustentación aerodinámica obtenible. El enfoque aerodinámico es similar al de un avión con fuselaje sustentador , aunque las velocidades aerodinámicas involucradas son mucho menores. Las relaciones sustentación dinámica/resistencia alcanzables son significativamente inferiores a las de las alas fijas eficientes, en parte porque la resistencia inducida aumenta con la disminución de la relación de aspecto. ^[5] Como resultado, la sustentación tiene una penalización de resistencia mayor que cuando se utilizan alas. Por otro lado, en comparación con un helicóptero, el dinastato tiene una mejor eficiencia de combustible dentro de un rango de velocidad determinado. ^[2]

Otro problema surge durante el despegue y el aterrizaje, cuando, en condiciones más tranquilas, la velocidad del aire puede ser demasiado baja para proporcionar suficiente sustentación aerodinámica. ^[6] Por esta razón, el dinastato a menudo se concibe como un avión STOL en lugar de VTOL , que requiere una pista más corta que un avión convencional. ^[2]

El rotastato obtiene sustentación adicional de rotores propulsados, de manera similar a un helicóptero. Se han estudiado diseños de uno, dos y cuatro rotores.

Entre los primeros ejemplos del período de entreguerras se encuentran los diseños de Oehmichen y Zodiac , que utilizaban los rotores solo para el control vertical, con hélices motorizadas adicionales para el vuelo hacia adelante, como en el autogiro . ^[2]

En tiempos más recientes, el helicóptero experimental Piasecki PA-97 "Helistat" contaba con cuatro fuselajes unidos a un dirigible de helio, mientras que el SkyHook JHL-40 sigue siendo un proyecto. Normalmente, la sustentación aerostática es suficiente para soportar el peso de la propia nave, mientras que, cuando se transporta una carga, los rotores proporcionan sustentación adicional según sea necesario.

Si un dirigible no tiene suficiente sustentación, se hundirá por la gravedad. Al inclinar el morro hacia abajo, esto puede conducir a un vuelo de planeo hacia adelante como un planeador convencional . Si un dirigible tiene un exceso de sustentación, se elevará. Al inclinar el morro hacia arriba, esto también puede conducir a un movimiento hacia adelante. De esta manera, un dirigible que alterna periódicamente su flotabilidad entre positiva y negativa, mientras ajusta su actitud en consecuencia, puede obtener un empuje aerodinámico hacia adelante casi continuo. Por lo tanto, el vuelo se desarrolla en un patrón de zigzag vertical pausado. Debido a que no se consume energía directamente en la creación de empuje, el principio permite vuelos de larga duración, aunque a bajas velocidades. El Hunt GravityPlane propuesto es un dirigible híbrido diseñado para aprovechar al máximo el planeo por gravedad. ^[7]

El principio también funciona bajo el agua, donde se utiliza operativamente en el planeador submarino .

Históricamente, este principio de navegación aérea, bajo el nombre de Wellenflug (vuelo ondulado), fue formulado por primera vez y probado experimentalmente en el año 1899 por Konstantin Danilewsky en Kharkiv , Ucrania, y descrito en detalle en su libro ^[8].

El planeo por gravedad data del período durante y poco después de la Guerra Civil estadounidense , cuando Solomon Andrews construyó dos de estos dirigibles. El primero de ellos, Aereon , utilizaba tres globos individuales con forma de cigarro unidos en un plano; el segundo, Aereon #2 , empleaba un solo globo "con forma de limón". ^[9] Los Aereon de Andrews se propulsaban inclinando los globos hacia arriba y dejando caer el lastre; luego, el proceso se invertía, inclinando los globos hacia abajo y liberando grandes cantidades de gas de sustentación. ^[10]

En 1905 Alberto Santos-Dumont realizó varios experimentos con su primer avión, el Santos-Dumont 14-bis , antes de intentar volarlo por primera vez. Entre ellos, colgarlo de un cable de acero y remolcarlo, y luego colgarlo debajo de la envoltura de un dirigible previamente construido (el número 14), algo similar a aprender a nadar con " alas de agua ". La nave combinada quedó inutilizable y se desmanteló, siendo calificada de "híbrido monstruoso". ^[11] Después de completar estos "ensayos", Santos-Dumont realizó la primera demostración pública de un avión más pesado que el aire en Europa.

En 1907, el dirigible nº 1 del ejército británico (llamado Nulli Secundus ) voló por primera vez. Utilizaba superficies aerodinámicas para el control de la actitud en vuelo y, para su primer vuelo, también estaba equipado con grandes alas en el centro del dirigible. Las alas estaban destinadas a ayudar a la estabilidad en lugar de proporcionar sustentación y se eliminaron en todos los vuelos posteriores. ^{[12] [13]} El uso de la sustentación dinámica al inclinar el morro del dirigible hacia arriba o hacia abajo también fue reconocido y practicado en este dirigible. ^[14]

En junio de 1907 Alberto Santos Dumont construyó su No. 16, descrito por L'Aérophile como un aparato mixto . Tenía una envoltura de 99 m3 ⁽ 3500 pies cúbicos) pero era demasiado pesado para volar sin sustentación suplementaria proporcionada por una superficie alar de 4 m (13 pies). Fue probado sin éxito el 8 de junio de 1907. ^[15]

El Aereon 26 fue un avión que realizó su primer vuelo en 1971. Era un prototipo a pequeña escala del dirigible híbrido Aereon Dynairship y formaba parte del proyecto "TIGER". Pero nunca se construyó debido a la falta de mercado para un dirigible híbrido. ^[16]

En 1984, el helipuerto AeroLift CycloCrane voló brevemente. ^{[ cita requerida ]}

El diseño experimental del Piasecki PA-97 Helistat de 1986 combinaba cuatro helicópteros con un dirigible en un intento de crear un vehículo de carga pesada para trabajos forestales. Se desintegró al final de su primer vuelo.

El SkyCat o "Sky Catamaran" es una tecnología vehicular que combina dos aeronaves híbridas; una versión a escala de 12 metros llamada "SkyKitten", construida por Advanced Technologies Group Ltd, voló en 2000. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) de los Estados Unidos inició el programa Walrus Hybrid Ultra Large Aircraft en 2005, una iniciativa de desarrollo tecnológico centrada en la exploración de tecnologías de transporte aéreo ultrapesado. El programa finalizó en 2007. ^{[ cita requerida ]}

En 2006, el Lockheed Martin P-791 se sometió a pruebas de vuelo sin tripulación. Fue un candidato fallido para el programa militar de vehículos multiinteligencia de larga duración, a pesar de que fue el único dirigible híbrido exitoso que voló hasta el 7 de agosto de 2016. ^{[ cita requerida ]}

En 2008, Boeing anunció que se asociaría con SkyHook para desarrollar un vehículo de elevación de servicio pesado, el SkyHook JHL-40 . Posteriormente, Boeing archivó el proyecto. ^[17]

El HAV 304 de Hybrid Air Vehicles fue construido para el programa de vehículos multiinteligencia de larga duración (LEMV) del ejército de los EE. UU. Voló con éxito durante 90 minutos en agosto de 2012. ^{[18] [19] [20]} Tras la cancelación del proyecto LEMV, Hybrid Air Vehicles volvió a comprar el vehículo HAV 304 y lo trajo de vuelta al Reino Unido. Ha sido renovado y rebautizado como Airlander 10. El 17 de agosto de 2016, el Airlander 10 tuvo su primer vuelo de prueba exitoso fuera de los hangares de Cardington en la RAF Cardington. El piloto de pruebas jefe Dave Burns dijo en una declaración: "Fue un privilegio volar el Airlander por primera vez y voló maravillosamente. Estoy muy emocionado por ponerlo en el aire. Voló como un sueño". ^[21] Se necesitan más de 200 horas de vuelo más para la certificación completa.

El Airlander 10 completó las pruebas de certificación de diseño antes de ser dado de baja ^[22] cuando se soltó de sus amarres debido a un fuerte viento el 18 de noviembre de 2017 en el aeródromo de Cardington .

Una empresa canadiense emergente, Solar Ship, Inc. , está desarrollando dirigibles híbridos alimentados con energía solar que pueden funcionar únicamente con energía solar. La idea es crear una plataforma viable que pueda viajar a cualquier parte del mundo entregando suministros médicos fríos y otras necesidades a lugares de África y el norte de Canadá sin necesidad de ningún tipo de combustible o infraestructura. La esperanza es que los avances tecnológicos en células solares y la gran superficie proporcionada por el dirigible híbrido sean suficientes para hacer una aeronave práctica alimentada por energía solar. Algunas características clave del Solarship son que puede volar solo con sustentación aerodinámica sin ningún gas de elevación, ^{[ verificación fallida ]} y las células solares junto con el gran volumen de la envoltura permiten que el dirigible híbrido se reconfigure en un refugio móvil que puede recargar baterías y otros equipos. ^[23]

El Hunt GravityPlane (que no debe confundirse con el avión de gravedad terrestre ) es un planeador con propulsión gravitatoria propuesto por Hunt Aviation en los EE. UU. ^[24] También tiene alas aerodinámicas, lo que mejora su relación sustentación-resistencia y lo hace más eficiente. El GravityPlane requiere un gran tamaño para obtener una relación volumen-peso lo suficientemente grande como para soportar esta estructura de ala, y aún no se ha construido ningún ejemplo. ^[7] A diferencia de un planeador motorizado , el GravityPlane no consume energía durante la fase de ascenso del vuelo. Sin embargo, consume energía en los puntos donde cambia su flotabilidad entre valores positivos y negativos. Hunt afirma que, no obstante, esto puede mejorar la eficiencia energética de la nave, de manera similar a la eficiencia energética mejorada de los planeadores submarinos en comparación con los métodos convencionales de propulsión. ^[7] Hunt sugiere que el bajo consumo de energía debería permitir que la nave obtenga suficiente energía para mantenerse en el aire indefinidamente. El enfoque convencional para este requisito es el uso de paneles solares en una aeronave alimentada con energía solar . Hunt ha propuesto dos enfoques alternativos. Una es utilizar una turbina eólica y recolectar energía del flujo de aire generado por el movimiento de planeo, la otra es un ciclo térmico para extraer energía de las diferencias de temperatura del aire a diferentes altitudes. ^[7]

• Kytoon : un híbrido de cometa y globo atado

• Khouty, G.; Airship Technology , 2.ª edición, CUP (2012), Capítulo 19.
• Hunt, Robert D.; "Vuelo propulsado por un ciclo de potencia atmosférica", 5.ª Conferencia de tecnología, integración y operaciones de la aviación (ATIO) de la AIAA, 26-28 de septiembre de 2005 , Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (2005) 5.ª Conferencia de ATIO y 16.ª Conferencia de sistemas de globos y tecnología de sistemas más ligeros que el aire de la AIAA. Copia gratuita para descargar

• Informe del CRS para el Congreso: Posible uso militar de dirigibles y aerostatos (PDF) , fas.org
• Havill, C. Dewey (1974), NASA TM X-62,374 Algunos factores que afectan el uso de sistemas más ligeros que el aire (PDF) , Ames Research Center, NASA
• Sitio web oficial de GravityPlane www.fuellessflight.com
• Vídeo de simulación en 3D del GravityPlane inventado por el físico Robert D. Hunt en 2006 (YouTube)
• Laskas, Jeanne Marie. 2016. "Helium Dreams", The New Yorker, 29 de febrero de 2016.