Ferran Lumbierres, estudiant del grau en Enginyeria de Vehicles Aeroespacials a l’Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT) de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), ha desenvolupat un vehicle aeri no tripulat (UAV) que podria volar amb autonomia infinita amb una incidència solar per sobre del 70 %. Dissenyat en el marc del seu treball de fi de grau, l’estudiant ha detallat el procés de disseny i les consideracions tècniques necessàries per poder construir-lo i volar amb garanties d’èxit en missions de llarga durada. El cost dels materials per fabricar aquest UAV no superaria els 3.200 Euros.
Explorar el límit de les capacitats tecnològiques i de disseny actuals, optimitzar tots els sistemes que integren el funcionament d’un vehicle aeri no tripulat (UAV, per les seves sigles en anglès) i aconseguir que pugui volar amb autonomia infinita. Aquest és l’objectiu del treball de fi de grau (TFG) que ha realitzat Ferran Lumbierres, estudiant del grau en Enginyeria de Vehicles Aeroespacials a l’Escola Superior d’Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT) de la UPC, i que ha estat tutoritzat per Luis Manuel Pérez Llera, investigador del Departament d'Enginyeria de Projectes i de la Construcció de la UPC.
Ferran Lumbierres ha projectat un UAV que, amb condicions meteorològiques favorables podria volar els mesos d’abril a setembre fins i tot durant la nit. En els mesos amb menys incidència solar (tardor i hivern), amb una previsió del 30 % de reducció solar, el vol d’autonomia infinita també seria possible, tot i que si les condicions meteorològiques fossin molt desfavorables, l’avió hauria d’aterrar per recarregar les bateries.
Però, com ho aconseguiria? Lumbierres s’ha centrat en els aspectes més tecnològics com ara l’aerodinàmica, l’estructura, el control autònom, l’obtenció d’energia, la construcció i comprovació del primer prototip, l’optimització del sistema de propulsió i el disseny i l’anàlisi estructural de la cua i el fuselatge. Però, tal com explica l’estudiant, “el disseny d'un UAV d'autonomia infinita està basat en un seguit de sistemes que han de funcionar en sintonia i han d’estar dimensionats uns en funció dels altres. Busco la màxima eficiència. Cada gram i watt consumit de més poden marcar la diferència entre l'èxit o el fracàs del disseny.”
Les claus: les bateries i les cel·les fotovoltaiques
“Per aconseguir que el meu UAV voli amb autonomia infinita, la clau rau en la densitat energètica de les bateries, és a dir, en la quantitat d'energia que poden emmagatzemar per quilogram de bateria i, sobretot, en com les ubiquem dins de l’aeronau”, explica Lumbierres. Per tant, les bateries i la seva densitat energètica són un dels pilars fonamentals del disseny de l’UAV: les bateries que s'utilitzin per construir un UAV d’autonomia infinita han de comptar amb la major capacitat energètica possible. Això implica una elevada potència amb poca massa.
Però també és important la seva ubicació dins de l’aeronau per evitar que la seva distribució requereixi una estructura voluminosa que generi una elevada fricció amb l’aire Per això, Lumbierres ha pensat en un encapsulament de bateries de petit format. Com més gran és la bateria, més necessari és un fuselatge de majors dimensions, que resulta menys eficient. Si l'encapsulat individual de les cel·les que conformen la bateria és menor, aquestes es poden distribuir per l'aeronau sense augmentar les dimensions del fuselatge. Així, l’estudiant ha trobat una solució enginyosa per ubicar les bateries: encaixar-les dins d’un tub cilíndric que alhora faria la funció de biga transversal de les ales. D’aquesta manera es manté un disseny del fuselatge aerodinàmic, esvelt, minimitzant així la fricció amb l’aire.
Característiques tècniques de l’enginy
Les ales s’han de fabricar amb fibra de carboni i fibra de vidre “amb materials compostos, l’estructura de l’UAV tindrà bones propietats mecàniques amb molt poc pes”, afegeix Lumbierres. També és necessari que les bateries disposin d'una vida útil llarga i que puguin alternar cicles de càrrega i descàrrega sense haver passat per una descàrrega completa abans de la càrrega.
La bateria per la què ha optat l’estudiant de la UPC a Terrassa és Samsung, d'ions de liti en format de cel·la de 18 mm de diàmetre i 650 mm de longitud, amb una capacitat de 3.000mAh i amb un rati màxim de descàrrega de 5C, fet que implica una descàrrega màxima a 15A. Cada cel.la presenta una massa màxima de 48g i una vida útil elevada, de més de 600 cicles de càrrega i descàrrega. L’aeronau, de 4,75 metres d’envergadura, contindria 60 d’aquestes cel·les.
Les cel·les fotovoltaiques són una altra de les parts importants de l’UAV: l’estudiant ha cercat la màxima generació d’energia amb la menor àrea possible. Però, sobretot, les cel·les han de poder adaptar-se a la curvatura de l’ala i, per tant, han de ser flexibles. Per això ha triat les cel·les de silici monocristal·lines, l’estàndard del mercat d’elevada eficiència, però que, a més, han de complir les propietats desitjades: màxima densitat energètica superficial i flexibilitat. Per això, Lumbierres es decideix per les cel·les del fabricant SunPower. Les cel·les fotovoltaiques es disposen al llarg de tota l'ala i estarien distribuïdes en una configuració de 2 blocs paral·lels amb 32 cel·les cadascun. Es tracta d'una configuració de 215W a un voltatge de 18V i amb una intensitat màxima de 12A.
L'UAV dissenyat per l’estudiant ha de volar a velocitats reduïdes per minimitzar el consum energètic, ha de presentar una elevada estabilitat per consumir la mínima energia i ha de comptar amb una elevada eficiència aerodinàmica. Per això, Lumbierres ha centrat el seu treball en establir uns paràmetres aerodinàmics bàsics, triar el tipus de bateries, la construcció i disposició de les cel·les fotovoltaiques, un sistema de propulsió eficient, el sistema elèctric adaptat al disseny de l’aeronau i, a partir d’aquí, calcular els punts de disseny favorables amb un programa d’optimització propi.
Segons els càlculs de l’estudiant, l'UAV podria fabricar-se amb 20.000 Euros. El 86 % del cost correspondria a les hores de treball d’enginyeria, mentre que el cost dels materials i components dels sistemes no arribaria als 3.200 Euros.
