PROJECTE DE RECERCA

Propulsió d’Aeronaus ModernesQuin ha estat i quin serà el seu impacte?

Miquel Martí Pou

4 ESO C

Institut Lluís Domènech i Montaner

Canet de mar, 20 de Maig de 2012.

ÍNDEX

INTRODUCCIÓ..................................................................................................................2

1-HISTÒRIA....................................................................................................................3-4

2-COMBUSTIBLES..........................................................................................................4-5

2.1-COMBUSTIBLES D’AVIONS

2.2-COMBUSTIBLES ESPACIALS

3-SISTEMES DE PROPULSIÓ........................................................................................6-10

3.1-MOTORS COET

3.2-MOTORS A REACCIÓ

3.3-ACCELERACIÓ PER ELECTROMAGNETISME

3.3.1-PROPULSIÓ IÒNICA

3.4-SISTEMES ALTERNATIUS

3.5-MAG-BEAM

4-RELACIÓ ENTRE LES AERONAUS I LA GLOBALITZACIÓ...............................................11

5-COM ESTUDIAR ENGINYERIA AEROESPACIAL?..........................................................12

6-CONCLUSIÓ............................................................................................................13-14

6.1-VALORACIÓ PERSONAL

“Un cop hagis volat, caminaràs per la terra mirant al cel, on vas ser i on trigaràs a tornar.”

Leonardo Da Vinci

INTRODUCCIÓ

En l’època en la qual vivim l’enginyeria aeroespacial és un dels camps més atractius i importants de la tecnologia, i per aquest motiu és, també, una de les feines més sol·licitades. Amb el meu treball pretenc demostrar la importància de l’enginyeria aeroespacial en la societat que vivim, especialment enfocat en un futur pròxim.

Ara bé, els problemes ecològics i mediambientals de la propulsió mitjançant substàncies químiques també hi són molt presents. Parlaré dels problemes que hi ha i de les seves possibles solucions.

Finalment, m’agradaria indicar que aquest projecte només és una precuela del treball de recerca de batxillerat, on l’objectiu final és aconseguir construir un prototip d’un dels sistemes de propulsió que durant el treball presentaré.

Començarem fent un breu context històric de l’evolució de l’aeronàutica, on ens podrem situar per entendre més bé els processos que ens han portat fins als transbordadors espacials i satèl·lits. Cal dir que em limitaré a la propulsió d’astronaus i avions, ja que el tema general de l’aeronàutica engloba una gran quantitat de sistemes de propulsió.

2

1-CONTEXT HISTÒRIC

Des dels inicis del pensament humà, l’home sempre ha aspirat a arribar a tocar el cel, ha somiat viatjar més enllà de les estrelles. Genis com Leonardo Da Vinci ho van intentar, i van estar molt a prop d’aconseguir-ho: fins i tot els seus esquemes s’assemblaven al que ara coneixem per hèlice, també es van adonar de la importància de la forma de l’aeronau.

Però no va ser fins l’any 1903, quan Wilbur i Orville Wright van realitzar el primer vol amb un aeroplà, amb el quan van aconseguir recórrer 260 metres en 59 segons. Els germans Wright van ser pioners en la història de l’aviació.

Des d’aleshores, es va produir un ràpid avenç de les aeronaus, gràcies a la influència de la Primera i Segona Guerra Mundial. Aquest ràpida evolució va arribar fins el punt que a l’any 1957, la URSS va llençar el primer satèl·lit a l’espai, l’Sputnik, i quatre anys més tard, l’any 1961 va enviar el primer home a l’espai, l’astronauta Yuri Gagarin. Però EUA els hi va passar al

Primitiva hèlice dissenyada per Da Vinci

3

davant quan Neil Armstrong va posar per primera vegada els peus sobre la superfície de la Lluna.

El proper avenç tecnològic es va produir durant la Guerra del Golf quan va aparèixer per primer cop l’avió espia americà F-117 Nighthawk, el qual disposava de tecnologia furtiva, una tecnologia que permet ser invisible a radars. Això li va permetre penetrar en les línies enemigues sense ser detectat i bombardejar-les.

En el meu treball podreu veure els avenços tecnològics en sistemes de propulsió i dissenys de les aeronaus que s’han fet des d’aleshores, i intentarem investigar sobre quin futur ens espera en aquest sentit. Quina serà la nostra pròxima meta?

2-COMBUSTIBLES

En aquest apartat comentarem els tipus de combustibles que es fan servir en l’aviació moderna. Actualment gairebé tots els combustibles que es fan servir són contaminants i no renovables. Tot i això, s’estan plantejant sistemes de propulsió alternatius, que comporten, també, combustibles alternatius.

Neil Armstrong Fent els primers passos a la Lluna

4

2.1-COMBUSTIBLES D’AVIONS

El querosè és el combustible més comú pel que fa als motors a reacció d’avions, tan comercials com militars. Aquest combustible és producte del refinament del petroli, encara que no és tan fi com per exemple la nafta. Però com que els avions gasten tant de combustible durant un vol, surt més rentable comprar combustibles no tant refinats.

També poden utilitzar l’aeronafta si disposen d’un motor alternatiu de pistons, però actualment n’hi ha molt pocs. També cal dir que des de fa pocs anys s’han començat a fer proves amb biocombustibles que no contaminin tant.

2.2-COMBUSTIBLES ESPACIALS

El més utilitzat en missions fora de l’atmosfera és el motor criogènic, on s’utilitza la reacció de molècules d’H2 i O2 a pressió per aconseguir l’empenyiment desitjat. Els combustibles han d’estar en estat líquid, és a dir, que s’han de refredar a una temperatura de -200ºC.

També s’utilitzen els combustibles hipergòlics, que es componen de dos substàncies separades en tancs diferents que quan entren en contacte es produeix la ignició, sense cap necessitat d’una font d’ignició. Aquest combustible també és molt utilitzat ja que permet realitzar maniobres precises.

I finalment ens queden els combustibles sòlids, on es produeix la oxidació d’un sòlid, normalment pols d’alumini, amb un oxidant, que generalment és perclorat d’amoni. Aquest sistema es sol utilitzar en el llançament de les naus, ja que quan comença el procés ja no es pot aturar.

5

3-SISTEMES DE PROPULSIÓ

A continuació us presentaré els principals tipus de sistemes de propulsió utilitzats en l’actualitat, i el futur que ens espera en aquest sentit.

3.1-MOTORS COET

Els motors coets han estat els més utilitzats en les missions espacials durant el segle XX. En aquests motors, es fa reaccionar un sòlid, un líquid o un gas, normalment hidrogen líquid o querosè, amb un oxidant a la cambra de combustió, normalment oxigen. El gas procedent d'aquesta reacció es deixa sortir per una obertura, cosa que fa que produeixi energia cinètica.

Coet en procés d’ignició

Aquest motor és el més potent en relació al seu pes, la seva reacció és instantània i com que no utilitza oxigen atmosfèric el fa apte per missions espacials. Ara bé, en un futur pròxim aquest tipus de motors seran substituïts per altres més eficients i que assoleixin major velocitat.

6

3.2-MOTORS A REACCIÓ

Els motors de reacció consisteixen a que l'aire entra al motor, passa per un compressor, que fa augmentar la pressió. Després es crema el combustible, normalment querosè i el gas produït per aquest és expulsat fora del motor a altes velocitats per tal d'aconseguir l'empenyiment desitjat.

Esquema d'un motor a reacció.

La majoria d'avions porten aquest tipus de motors, i actualment s’ha introduït un avenç en els motors de reacció: als motors de primera generació tot l’aire entrava dins la cambra de combustió, però actualment, en els motors de segona generació, una part de l’aire passa per fora la cambra de combustió, i amb això s’aconsegueix reduir el soroll i la contaminació.

Motor a Reacció Harrier

3.3-ACCELERACIÓ PER ELECTROMAGNETISME

En aquest sistema de propulsió s’acceleren els reactius carregats elèctricament (ions) amb camps magnètics o electromagnètics. Mitjançant aquesta acceleració s’aconsegueix l’empenyiment desitjat.

Hi ha molts tipus de motors electromagnètics, però els principals són els motors iònics.

3.3.1-PROPULSIÓ IÒNICA

Aquest tipus de propulsió consisteix a l'acceleració d'ions de principalment gasos nobles per tal d'aconseguir una acceleració. Als àtoms de gasos nobles se'ls bombardeja amb ions a través d'un càtode.

7

Esquema motor iònic.

En aquest esquema es pot veure més o menys la distribució dels components. Els ions s'acceleren mitjançant un camp magnètic i això provoca l'energia cinètica que fa moure l'aeronau.

3.4-SISTEMES ALTERNATIUS

En aquests sistemes no hi ha combustible dins la nau, i per tant, tampoc contaminen i són totalment ecològics, ara bé, de moment només serveixen per propulsar petites sondes i satèl·lits, ja que no genera gaire empenyiment.

8

Estació Espacial Internacional

Els principals sistemes usats per aquest tipus de propulsió són: veles solars, mitjançant cables, mitjançant veles magnètiques i mitjançant plasma mini-magnetoesfèric.

3.5-MAG-BEAM

Fa uns quants anys, concretament al 2004, el científic Robert Winglee de la Universitat de Washington va dissenyar l’anomenada Mag-Beam. Aquest sistema de propulsió consisteix a l'acceleració de la nau mitjançant un raig de plasma magnètic amb el qual la nau s'acceleraria a una velocitat de 20 km/s. És a dir, que tan sols trigaria 90 dies a anar al planeta Mart i tornar, en comptes dels dos anys i mig que trigaria a anar-hi una nau convencional.

Dibuix 3d Mag-Beam

Però perquè això fos possible s'hauria de posar un altre emissor de rajos al planeta Mart perquè frenés la nau a mesura que aquesta s'acosta al planeta vermell. Però això va ser una idea de fa ja 8 anys, i ja que comportaria grans despeses econòmiques es va descartar. Però ara ha

9

tornat a agafar força. Però no com a propulsor de naus sinó com a netejador de la ferralla espacial que envolta el nostre planeta.

El raig de plasma empenyeria el objectes cap a l'atmosfera, on es cremarien durant la reentrada.

4-RELACIÓ ENTRE LES AERONAUS I LA GLOBALITZACIÓ

Actualment vivim en un món hipercomunicat on podem saber què passa a l’altra punta en poc segons. També s’ha instaurat un comerç mundial de mercaderies on cada país exporta els seus productes fins i tot a les antípodes. Res d’això s’hauria aconseguit si no hi hagués hagut avenços tecnològics en les aeronaus que permetessin portar, per exemple, menjar, d’un país a un altre en poques hores. A part de transportar mercaderies, els avions també s’encarreguen de transportar empresaris, que poden negociar contractes comercials per tot el món en pocs dies o, fins i tot, hores.

10

L’augment de l’ús de les aeronaus ha comportat que els preus cada vegada siguin més baixos i més gent hi pugui accedir. Però aquest augment també ha comportat que la contaminació ambiental augmenti, fins a un 15% en alguns casos.

Aquest tema no ha estat totalment desenvolupat, tot i així espero poder aprofundir-hi més a batxillerat.

5-COM ESTUDIAR ENGINYERIA AEROSESPACIAL?

Si vols estudiar enginyeria aeroespacial a Espanya, aquestes són les universitats en les quals es pot cursar:

-Universitat Politècnica de Catalunya

-Universitat Politècnica de Madrid

-Universitat Carlos III de Madrid

-Universitat de Càdiz

-Universitat de León

-Universitat de Sevilla

-Universitat Politècnica de València

11

La nota de tall oscil·la entre 10 i 12 sobre 14 (8-8,5/10). Les ponderacions a Catalunya valoren amb 0,2 les assignatures Dibuix Tècnic, Física i Matemàtiques, i fora de Catalunya també es valora Química.

Crec que és una carrera molt interessant, i és molt recomanable per aquells qui volen superar-se ells mateixos i les fronteres que els envolten.

Classe enginyeria aeroespacial UPC

6-CONCLUSIÓ

En general, els avions han estat l’avenç tecnològic més important de tots els temps, ja que, com he dit abans, des dels inicis de la història hem somiat volar com els ocells.

També ha servit per portar fins al límit la curiositat humana, portant-nos fins a la lluna, i en el cas de la sonda Voyager, fins més enllà del sistema solar.

Tot i així encara hem de millorar molt respecte a la contaminació que produeixen els motors a reacció, desenvolupant, entre d’altres, solucions com el Mag-Beam.

L’avenç tecnològic dels avions ha influït en la globalització mundial, i ha afavorit l’exportació entre països separats per oceans i continents.

12

Aquest projecte m’ha servit per saber tots els sistemes de propulsió utilitzats en les aeronaus modernes, comprendre com funcionen i començar a introduir-me en el món de l’aeronàutica.

6.1-VALORACIÓ PERSONAL

Abans de començar a fer el treball em pensava que seria més fàcil trobar la informació, però resulta que ha estat més difícil del que em pensava, m’ha costat bastant trobar la informació.

El que jo buscava era tenir una idea general per tal de no començar de zero a batxillerat, i crec que ho he aconseguit. En el treball de batxillerat pretenc recuperar la informació del blog i començar a construir un motor jo mateix, i a mesura que el vagi construint anar publicant els avenços al blog.

M’ha agradat molt entrar en contacte amb totes les aplicacions que existeixen al blog, ja que jo ja havia tingut una experiència prèvia, però no havia aprofundit tant com ara. Les aplicacions com el gadgets, el cooliris i el prezi són impressionants.

També m’ha agradat ajudar els companys amb els problemes tecnològics que han sortit, i també agraeixo l’ajuda que hem rebut amb el programa Prezi.

L’ambient de treball ha estat molt amè i ha estat molt fàcil treballar. Agraeixo el fet de treballar individualment, ja que també està bé que ha vegades puguis plasmar les teves idees sense haver de discutir les preferències amb ningú.

Amb tots els programes que hem descobert aquesta setmana, crec que l’any que bé, si es torna a fer aquest projecte, serà molt més enriquidor i profitós per als estudiants. D’altra banda, crec que els temes dels blogs han estat molt ben escollits i molts d’ells són molt interessants. Em sap greu no haver pogut fer cap entrevista, però espero durant l’any que bé

13

poder posar-me en contacte amb diversos professor d’enginyeria aeroespacial de la UPC.

MOLTES GRÀCIES!

14

14