Prototipo Helios de AeroVironment

Prototipo Helios
Prototipo Helios en vuelo
Role	Vehículo aéreo no tripulado Tipo de aeronave
Fabricante	Medio ambiente aeronáutico
Primer vuelo	8 de septiembre de 1999
Estado	Destruido en 2003
Usuario principal	Programa ERAST de la NASA
Número construido	1
Desarrollado a partir de	NASA Pathfinder, Pathfinder Plus y NASA Centurion

El Prototipo Helios fue el cuarto y último avión desarrollado como parte de una serie evolutiva de vehículos aéreos no tripulados propulsados ​​por sistemas de energía solar y de células de combustible . AeroVironment, Inc. desarrolló los vehículos bajo el programa de Tecnología de Sensores y Aeronaves de Investigación Ambiental (ERAST) de la NASA. Fueron construidos para desarrollar las tecnologías que permitirían que las aeronaves de gran altitud y largo plazo sirvieran como satélites atmosféricos , para realizar tareas de investigación atmosférica y servir como plataformas de comunicaciones. ^[1] Fue desarrollado a partir de las aeronaves Pathfinder y Centurion de la NASA .

El Centurión de la NASA fue modificado para adoptar la configuración del Prototipo Helios, agregándole una sexta sección de ala de 12 m (41 pies) y un quinto tren de aterrizaje y cápsula de sistemas, convirtiéndose en la cuarta configuración de la serie de aviones de demostración de alas volantes propulsados ​​por energía solar desarrollados por AeroVironment en el marco del proyecto ERAST. El ala más grande del Prototipo Helios albergaba más paneles solares para proporcionar la energía adecuada para los vuelos de desarrollo propulsados ​​por energía solar que siguieron. ^[1] El vuelo inaugural de la aeronave tuvo lugar el 8 de septiembre de 1999. ^[2]

El programa ERAST tenía dos objetivos al desarrollar el Prototipo Helios: 1) vuelo sostenido a altitudes cercanas a los 100.000 pies (30.000 m) y 2) autonomía de al menos 24 horas, incluyendo al menos 14 de esas horas por encima de los 50.000 pies (15.000 m). Para ello, el Prototipo Helios podía configurarse de dos formas diferentes. La primera, denominada HP01, se centraba en alcanzar los objetivos de altitud y alimentaba la aeronave con baterías y células solares. La segunda configuración, HP03, optimizaba la autonomía de la aeronave y utilizaba una combinación de células solares, baterías de almacenamiento y un sistema de pila de combustible de hidrógeno-aire comercial modificado para alimentarla durante la noche. En esta configuración, el número de motores se redujo de 14 a diez. ^[3]

Utilizando el método tradicional de pruebas de vuelo por etapas, el prototipo Helios voló por primera vez en una serie de vuelos de desarrollo alimentados por baterías a fines de 1999 para validar el rendimiento del ala más larga y las cualidades de manejo de la aeronave. La instrumentación que se utilizó para los vuelos de altitud y resistencia alimentados por energía solar también se verificó y calibró durante los vuelos iniciales a baja altitud en NASA Dryden . ^[1]

El prototipo Helios es un avión de ala volante ultraligero con una envergadura de 247 pies (75 m), más larga que las envergaduras del transporte militar C-5 de la Fuerza Aérea de los EE. UU. (222 pies (68 m) o el Boeing 747 (195 o 224 pies (59 o 68 m), según el modelo), los dos aviones operativos más grandes construidos en los Estados Unidos. El Helios, propulsado eléctricamente, se construyó principalmente con materiales compuestos como fibra de carbono , epoxi de grafito, kevlar , poliestireno y una piel fina y transparente de plástico. El larguero principal del ala tubular estaba hecho de fibra de carbono. El larguero, que era más grueso en la parte superior e inferior para absorber los constantes movimientos de flexión que ocurren durante el vuelo, también estaba envuelto con Nomex y Kevlar para mayor resistencia. Las costillas del ala también estaban hechas de epoxi y fibra de carbono. Se utilizó poliestireno moldeado para el borde de ataque del ala y una película de plástico transparente duradera cubría toda el ala. ^[1]

El prototipo Helios compartía la misma cuerda alar de 8 pies (2,4 m) (distancia desde el borde delantero al borde trasero) que sus predecesores Pathfinder y Centurion. La envergadura de 247 pies (75 m) le dio al prototipo Helios una relación de aspecto de casi 31 a 1. El grosor del ala era el mismo de punta a punta, 11,5 pulgadas (29 cm) o el 12 por ciento de la cuerda, y no tenía conicidad ni barrido . Los paneles exteriores tenían un diedro incorporado de 10 grados para darle al avión más estabilidad lateral. Un ligero giro hacia arriba en las puntas del borde trasero ayudó a prevenir pérdidas de sustentación en las puntas del ala durante los aterrizajes y giros lentos. El área del ala era de 1976 pies cuadrados (183,6 m ² ), lo que le dio a la aeronave una carga alar máxima de solo 0,81 lb./pie cuadrado cuando volaba con un peso bruto de 1600 lb. ^[1]

El avión de alas múltiples se montó en seis secciones, cada una de aproximadamente 41 pies (12 m) de largo. Se adjuntó una cápsula debajo del ala en cada unión del panel para llevar el tren de aterrizaje, el sistema de energía de la batería, las computadoras de control de vuelo y la instrumentación de datos. Las cinco cápsulas de forma aerodinámica estaban hechas principalmente de los mismos materiales que el ala en sí, con la excepción de la cubierta transparente del ala. Dos ruedas en cada cápsula formaban el tren de aterrizaje fijo: ruedas resistentes de bicicleta de montaña en la parte trasera y ruedas más pequeñas de scooter en la parte delantera. ^[1]

Las únicas superficies de control de vuelo utilizadas en el prototipo Helios eran 72 elevadores de borde de salida que proporcionaban control de cabeceo. Abarcando toda el ala, eran operados por pequeños servomotores conectados a la computadora de control de vuelo de la aeronave. Para girar la aeronave en vuelo, se aplicaba control de guiñada utilizando potencia diferencial en los motores, acelerando los motores en un panel exterior del ala mientras se desaceleraban los motores en el otro panel exterior. Una prueba importante durante la serie de vuelos iniciales fue la evaluación de la potencia diferencial del motor como medio de control de cabeceo. Durante el crucero normal, los paneles exteriores del ala de Helios estaban arqueados hacia arriba y le daban al avión la forma de una medialuna poco profunda cuando se veía desde adelante o desde atrás. Esta configuración colocaba los motores en los paneles exteriores del ala más altos que los motores en los paneles centrales. Acelerar los motores del panel exterior hizo que la aeronave se inclinara hacia abajo y comenzara un descenso. Por el contrario, aplicar potencia adicional a los motores en los paneles centrales hizo que Helios se inclinara hacia arriba y comenzara a ascender. ^[1]

Entre 2000 y 2001, el HP01 recibió una serie de actualizaciones, incluyendo nueva aviónica, sistemas de control ambiental de gran altitud y un panel solar SunPower compuesto por más de 62.000 células solares instaladas en la superficie superior del ala. ^[3] Estas células presentaban un diseño de celda de contacto trasero que colocaba cables en la parte inferior de las celdas, para no obstruir la exposición de las celdas a la radiación solar .

El 13 de agosto de 2001, ^[1] el prototipo Helios pilotado a distancia por Greg Kendall alcanzó una altitud de 29 524 m (96 863 pies), un récord mundial de vuelo horizontal sostenido por una aeronave con alas. ^[4] La altitud alcanzada fue más de 3400 m (11 000 pies) —o más de 3,2 km (2 millas)— superior al récord de altitud anterior para un vuelo sostenido por una aeronave con alas. Además, la aeronave pasó más de 40 minutos por encima de los 29 000 m (96 000 pies). ^[1]

El 26 de junio de 2003, el prototipo Helios se rompió y cayó en el Océano Pacífico a unas diez millas (16 km) al oeste de la isla hawaiana de Kauai durante un vuelo de verificación de sistemas pilotados a distancia en preparación para una prueba de resistencia programada para el mes siguiente. ^[5]

En la mañana del accidente, las previsiones meteorológicas indicaban que las condiciones estaban dentro de los límites aceptables, aunque durante la revisión previa al vuelo, el meteorólogo le dio una "señal de aprobación muy marginal". Una de las principales preocupaciones eran un par de zonas de cizalladura del viento frente a la costa de la isla. Después de un despegue retrasado, debido a que los vientos no cambiaron como se había previsto, Helios pasó más tiempo del esperado volando a través de una zona de turbulencia de bajo nivel en el lado de sotavento de Kauai, porque estaba ascendiendo más lentamente de lo normal, ya que tenía que lidiar con las sombras de las nubes y la consiguiente reducción de la energía solar.

Según el informe de investigación del accidente posterior, cuando el avión ascendió a 2.800 pies (850 m) a los 30 minutos de vuelo, "el avión encontró turbulencia y adoptó una configuración inesperada, persistente y de diedro alto . Como resultado del diedro alto persistente, el avión se volvió inestable en un modo de cabeceo muy divergente en el que las excursiones de velocidad aerodinámica con respecto a la velocidad de vuelo nominal se duplicaron aproximadamente en cada ciclo de oscilación . La condición de exceso de velocidad se agravó cuando el piloto desactivó el circuito de retención de velocidad aerodinámica en lugar de ejecutar el procedimiento de emergencia correcto y aumentar la ganancia del circuito de retención de velocidad aerodinámica. Posteriormente, se superó la velocidad aerodinámica de diseño del avión y las altas presiones dinámicas resultantes hicieron que la estructura secundaria del borde de ataque del ala en los paneles exteriores del ala fallara y que las células solares y el revestimiento de la superficie superior del ala se desprendieran. El avión impactó el océano dentro de los confines del campo de pruebas de la Instalación de Misiles del Pacífico y quedó destruido. La mayor parte de la estructura del vehículo fue recuperada, excepto la cápsula de combustible de hidrógeno y aire y dos de los diez motores, que se hundieron en el océano”. ^[3]

El informe de la investigación identificó una causa raíz del accidente de dos partes:

1. "La falta de métodos de análisis adecuados condujo a una evaluación de riesgos inexacta de los efectos de los cambios de configuración, lo que condujo a una decisión inadecuada de volar una configuración de aeronave altamente sensible a las perturbaciones".
2. "Los cambios de configuración de la aeronave, impulsados ​​por restricciones programáticas y tecnológicas, alteraron la distribución de masa de la aeronave desde un cargador de envergadura a uno con carga altamente puntual en la misma estructura, reduciendo significativamente la robustez del diseño y los márgenes de seguridad". ^[3]

• Historia de los vehículos aéreos no tripulados
• Aviones eléctricos
• Pila de combustible regenerativa
• NASA Pathfinder (primer vuelo en junio de 1983)
• NASA Centurion (primer vuelo el 10 de noviembre de 1998)
• QinetiQ/ Airbus Zephyr (primer vuelo en 2008)
• Facebook Aquila (Primer vuelo 28 de junio de 2016)
• SoftBank/AeroVironment HAPSMobile (primer vuelo el 11 de septiembre de 2019)
• BAE Systems PHASA-35 (primer vuelo el 17 de febrero de 2020)

Este artículo contiene material extraído originalmente del artículo web "Vehículos aéreos no tripulados" de Greg Goebel, que existe en el dominio público.  Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .

• "Delicadeza fotovoltaica: mejores células solares con cables donde no brilla el sol", artículo de Daniel Cho en la página treinta y tres del número de septiembre de 2003 de Scientific American

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Prototipo Helios de AeroVironment .

• El prototipo de avión Helios de la NASA, propulsado por energía solar
• Helios para niños
• Modelo Helios de DesignsbyALX Archivado el 19 de mayo de 2011 en Wayback Machine .
• "3G probado a 65.000 pies (20.000 m) en la estratosfera" Comunicado de prensa de 3G del 23 de julio de 2002
• Artículo de Science Daily sobre el récord de altitud del Pathfinder Plus
• Logros en la retransmisión de telecomunicaciones en el Aeropuerto Internacional
• Artículo de Space.com
• Historia de los UAVs alimentados con energía solar en The Future of Things
• Pathfinder Plus en NASM
• Contrato NASA-AeroVironment para proyectos de seguimiento ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Artículo sobre el intento de récord de Helios
• Colecciones de imágenes de la NASA:
  • Pionero
  • Pathfinder Plus Archivado el 17 de febrero de 2013 en Wayback Machine
  • Centurión Archivado el 15 de abril de 2013 en Wayback Machine.
  • Prototipo Helios, vídeos