VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012

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1 INSTRUCCIONES PARA LA ELABORACIÓN Y PRESENTACIÓN DE LOS ARTÍCULOS VII CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre del 2012 INVESTIGACIÓN OCEANOGRÁFICA MEDIANTE UN UAV Vázquez Flores José Félix*, Tiburcio Fernández Roque, Hernández Toral Jorge Luis *Sección de Posgrado e Investigación, ESIME U.P. TICOMAN-IPN, México D.F., jfvazquezf@ipn.mx Sección de Posgrado e Investigación, ESIME U.P. TICOMAN-IPN, México D.F., tfroque@yahoo.com.mx ESIME U.P. TICOMAN-IPN, México D.F., jtoral_519@hotmail.com RESUMEN En este trabajo se presentan los avances del proyecto UAV (avión no tripulado) Tonatiuh, el cual tiene como objetivo brindar apoyo en la investigación oceanográfica de México, reduciendo los costos y el tiempo que con llevan los muestreos de esa investigación, ya que hasta la fecha en el país no existe algún UAV para este uso en específico. PALABRAS CLAVE: Avión no tripulado, investigación oceanográfica, Tonatiuh. ÁREA TEMÁTICA PRINCIPAL: 07 ESTRUCTURA

2 INTRODUCCIÓN La investigación oceanográfica hoy en día requiere de contar con los diferentes recursos, tales como material apropiado para la toma de muestras, contar con el equipo adecuado, los diversos medios de transporte y personal capacitado para realizar estos trabajos, todo esto requiere de una gran inversión, tanto de tiempo como de recursos económicos; así, a través de la utilización de un UAV, tanto el tiempo como los recursos que se requieren pueden reducirse. A la fecha en México solo existen dos empresas dedicadas al diseño y construcción de UAV, Hydra Technologies y Aerovantech, sin embargo se enfocan solamente a la vigilancia. METODOLOGÍA En primer término se analizó que tipo de aeronave se requeriría como base para realizar el diseño, de tal manera que se pudiera demostrar la utilidad que un UAV puede tener en apoyo a las investigaciones realizadas por expertos especializados en actividades oceanográficas. Es por ello que se retomo el proyecto del UAV Tonatiuh del Dr. Vázquez Flores del Instituto Politécnico Nacional, ya que dicha aeronave contaba con las siguientes condiciones, útiles para el propósito del UAV. Avión de ala alta. Estable. Vuela a baja velocidad. Espacio amplio en el fuselaje. Tabla I.- Características del UAV Tonatiuh Envergadura 1.66 m Superficie Alar 0.42 m 2 Longitud 1.13 m Perfil NACA Tren de aterrizaje Patín de cola Motor 0.60 Os Max Peso 3.56 kg Se realizó un cálculo [1] por medio de un paquete de MEF (elementos finitos), en el cual se aplicaron restricciones en la raíz del ala y en los montantes sobre el ala, viga delantera y trasera, restringiendo los desplazamientos en los ejes x, y,z. Por otro lado se aplicarón cargas simulando la fuerza de levantamiento como se muestra en la figura1. Cabe mencionar que las cargas se obtuvieron de manera experimental. Figura 1. Restricciones y cargas en el ala. Se realizaron varios cálculos con diferente malleado, con el objeto de buscar cual era el más adecuado, una vez encontrado el malleado óptimo se realizó nuevamente el cálculo y se determinó que la mayor concentración de esfuerzos, se localiza donde se une el montante con la viga y la costilla (Figura 2).

3 Figura 2. Concentración de esfuerzos en el ala. Además se realizó un análisis modal del ala del avión Tonatiuh y con ello se obtuvieron las frecuencias naturales, la frecuencia más baja que se encontró fue de 3.3 Hz.(Figura 3). Figura 3. Primer modo de frecuencia. En lo que corresponde a nuestro proyecto se modeló el UAV Tonatiuh (figura 4 y 5), que es un modelo más pequeño y de un material diferente, en donde lo importante es el número de Reynolds con el que va a trabajar. En su mayor parte está hecho de madera balsa, triplay de pino y algunas partes de aluminio como lo es el tren de aterrizaje y el motor. Figura 4. Modelo del ala del UAV Tonatiuh.

4 Figura 5. Modelo del fuselaje del UAV Tonatiuh. A la par de esto se esta realizando los coeficientes de levantamiento y arrastre del UAV(Figura 6). Figura 6. Coeficiente de levantamiento del perfil y del ala. En conjunto con los cálculos, se está llevando a cabo la construcción del UAV Tonatiuh, como se muestra en la figura 7, a base de los materiales antes mencionados, la construcción es del cien porciento. Figura 7. Construcción del UAV y UAV Tonatiuh Actualmente se está trabajando en el diseño del soporte de una cámara y su fijación al fuselaje con el objeto de tomar video, además de tener la posibilidad de utilizar una cámara multiespectral, la cual permitirá dar una aproximación más real del apoyo que puede realizar un UAV a la investigación oceanográfica.

5 RESULTADOS Los análisis mostrados se aproximan a los que se obtendrán con el UAV Tonatiuh, ya que este es una replica a escala del avión original, además de esto el alargamiento del ala real es de 6.5, el cual es un resultado idéntico al alargamiento del ala en el UAV Tonatiuh. El coeficiente de levantamiento nos puede ayudar para conocer el comportamiento aerodinámico de la aeronave, dicho coeficiente del ala es corregido del coeficiente del perfil por medio del factor de Oswald y el alargamiento. DISCUSIÓN La metodología desarrollada durante el proyecto fue la de evaluar el estado del Tonatiuh, en el cual pasó de ser una maqueta dinámica al actual UAV. Algunas de las piezas estaban construidas y dentro de ellas algunas dañadas, por lo que hubo que repararlas, además se trabajaron todas las partes con un paquete de computadora que nos permitió el modelado, los dibujos, el diseño y el cálculo estructural. De lo anterior se pasó a la fabricación de las partes faltantes y el ensamblado. Finalmente pasamos a las pruebas de vuelo en donde al UAV hubo que hacerle ajustes, especialmente en la bancada del motor y aminorar el contrapeso, logrando una mayor estabilidad en el vuelo del UAV. Los cálculos realizados por Rizieri [1], no son comparables con los del UAV Tonatiuh debido al número de Reynolds es diferente, es decir el levantamiento que nos produce el Tonatiuh es mucho más grande que el levantamiento en el UAV, así como la superficie alar y la resistencia al avance de ambos modelos también son diferentes, por lo que hubo que realizar los cálculos para el UAV en el caso de las cargas aerodinámicas y si mencionamos la parte estructural, como ya se mencionó tenemos también materiales diferentes. El comportamiento del UAV en vuelo consideramos que fue adecuado, sin embargo se presentó un campaneo que nos lleva a dos cosas; la primera puede ser que sea debido a la sensibilidad del control y la segunda a la estabilidad debida al diedro del avión. La realización del proyecto ha sido muy enriquecedora para los participantes tanto en la parte de diseño, manufactura y pruebas. Como ya se mencionó el UAV Tonatiuh está volando y se está trabajando en la instalación de una cámara para toma de video y mostrar las bondades del UAV Tonatiuh. CONCLUSIÓN Observando los primeros resultados del UAV Tonatiuh se comprueba, que para el objetivo por el cual se construyó, es decir, como apoyo a las investigaciones oceanográficas, han sido favorables y esto con lleva hasta este momento que la elección del Avión Tonatiuh para el diseño de un UAV ha sido el adecuado gracias a las características que presenta la aeronave Tonatiuh. REFERENCIAS 1. M. Rizieri Apango, Análisis Estructural del ala de un avión: Proyecto Tonatiuh, tesis, ESIME U.P. Ticomán, Instituto Politécnico Nacional, México, UNIDADES Y NOMENCLATURA UAV MEF Hz α C l C L Unmanned Aerial Vehicle Método de Elementos Finitos Hertz (1/s) ángulo de ataque (grados) Coeficiente de levantamiento del perfil (adimensional) Coeficiente de levantamiento del ala (adimensional)