Diseño y construcción de un prototipo de avión solar radiocontrolado

Abstract

[ES] En un mundo donde los niveles de contaminación son cada vez más altos y en el que prácticamente la totalidad de aviones que operan utilizan combustibles fósiles, la aviación eléctrica es una de las posibilidades que se abre camino para disminuir la huella de carbono generada por esta industria y convertirla a un modelo más renovable. Sin embargo, esta presenta numerosos inconvenientes, algunos de los cuales podrían ser resueltos mediante el aprovechamiento de la energía solar para la carga de las baterías a bordo.

El objetivo de este proyecto se centra en hacer un estudio de la evolución experimentada por la aviación solar a lo largo de la historia, indagar sobre cuáles son sus características de diseño y sus diferencias respecto a la aviación convencional con combustibles fósiles, y demostrar la viabilidad de diseño y construcción aviones solares. Para ello, el trabajo pretende lograr diseñar y construir un prototipo de avión solar radiocontrolado de bajo coste que demuestre que efectivamente este tipo de aviación es, no sólo posible, sino también conveniente.

El diseño de dicho prototipo se divide en este sentido en dos etapas. Una primera referida al diseño conceptual, en la cual se realiza un análisis paramétrico de algunos de los aviones solares más destacables con la finalidad de extraer conclusiones relativas a sus características de diseño, así como un análisis cualitativo para definir la configuración idónea para la misión objetivo: una aeronave de menos de 1 kg y bajo coste. En una segunda fase, en la fase de diseño preliminar, se concretan las dimensiones de la aeronave de acuerdo con los cálculos realizados y a la información obtenida del análisis paramétrico. Además, se detallan las placas solares escogidas, el motor y la hélice y las especificaciones de los componentes electrónicos.

A lo largo del documento se detalla el procedimiento seguido para la construcción de la aeronave: los materiales empleados, los métodos utilizados, y algunas mejoras introducidas para aumentar su resistencia ante los impactos, destacando los detalles a tener en cuenta a la hora de la construcción para perfeccionar el vuelo del avión. El prototipo construido ha sido probado en vuelo con y sin activación de las placas solares, y se han analizado las características aerodinámicas de la aeronave mediante métodos semi-empiricos que permiten estimar la resistencia parásita, el comportamiento del perfil alar, y la envolvente de vuelo.

El prototipo ha demostrado una capacidad de vuelo sin placas solares (mediante baterías) de alrededor de 15 minutos, exhibiendo un consumo medio de 18W (similar a la potencia ofrecida por las placas solares). Posteriormente, se ha realizado un vuelo de más de 100 minutos mediante la activación de las placas solares, demostrando la viabilidad del proyecto. Los cálculos realizados sobre el comportamiento aerodinámico de la aeronave permiten suponer que el diseño actual podría soportar una carga de hasta 0.5 kg a una velocidad razonable. Finalmente se han resaltado las ideas establecidas para los diseños futuros y las aplicaciones que podría llegar a tener un futuro prototipo mejorado del presente avión.

[EN] In a world where pollution levels are increasingly high and where practically all aircraft in operation use fossil fuels, electric aviation is one of the possibilities that are opening the way to reduce the carbon footprint generated by this industry and convert it to a more renewable model. However, it has many drawbacks, some of which could be overcome by harnessing solar energy to charge on-board batteries.

The aim of this project is to study the evolution of solar aviation throughout history, to investigate its design characteristics and its differences with respect to conventional fossil fuel aviation, and to demonstrate the feasibility of designing and building solar aircraft. To this end, the work aims to design and build a prototype of a low-cost radio-controlled solar aircraft that demonstrates that this type of aviation is not only possible, but also convenient.

The design of this prototype is divided into two stages. The first refers to the conceptual design, in which a parametric analysis of some of the most outstanding solar aircraft is carried out in order to draw conclusions regarding their design characteristics, as well as a qualitative analysis to define the ideal configuration for the target mission: a low-cost aircraft weighing less than 1 kg. In a second phase, in the preliminary design phase, the dimensions of the aircraft are specified according to the calculations made and the information obtained from the parametric analysis. In addition, the chosen solar panels, the engine and propeller and the specifications of the electronic components are detailed.

Throughout the document, the procedure followed for the construction of the aircraft is detailed: the materials used, the methods employed, and some improvements introduced to increase its resistance to impacts, highlighting the details to be taken into account at the time of construction in order to perfect the flight of the aircraft. The prototype built has been tested in flight with and without activation of the solar panels, and the aerodynamic characteristics of the aircraft have been analysed using semi-empirical methods that allow estimating the parasitic drag, the behaviour of the airfoil, and the flight envelope.

The prototype has demonstrated a flight time without solar panels (using batteries) of around 15 minutes, with an average power consumption of 18W (similar to the power offered by the solar panels). Subsequently, a flight of more than 100 minutes has been carried out by activating the solar panels, demonstrating the viability of the project. Calculations on the aerodynamic behaviour of the aircraft suggest that the current design could support a load of up to 0.5 kg at a reasonable speed. Finally, the ideas established for future designs and the applications that a future improved prototype of the present aircraft could have are highlighted.