Estrategias para el almacenamiento de combustibles criogénicos en aeronaves propulsadas por turbofán de flujo mezclado

P oyec o Fin de Ca e a Ingenie ía de Telecomunicación Fo ma o de Publicación de la Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Au o : F. Ja ie Payán Some Tu o : Juan José Mu illo Fuen es Dep. Teo ía de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2013 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía Ae oespacial Es a egias pa a el almacenamien o de combus ibles c iogénicos en ae ona es p opulsadas po u bo án de lujo mezclado Au o : Pablo Alca az Gómez Tu o : F ancisco José Jiménez-Espada o Aguila Dp o. Ingenie ía Ene gé ica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2025 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía Ae oespacial Es a egias pa a el almacenamien o de combus ibles c iogénicos en ae ona es p opulsadas po u bo án de lujo mezclado Au o : Pablo Alca az Gómez Tu o : F ancisco José Jiménez-Espada o Aguila Ca ed á ico de Uni e sidad Dp o. Ingenie ía Ene gé ica Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2025 T abajo Fin de G ado: Es a egias pa a el almacenamien o de combus ibles c iogénicos en ae ona es p opulsadas po u bo án de lujo mezclado Au o : Pablo Alca az Gómez Tu o : F ancisco José Jiménez-Espada o Aguila El ibunal nomb ado pa a juzga el abajo a iba indicado, compues o po los siguien es p o eso es: P esiden e: Vocal/es: Sec e a io: acue dan o o ga le la cali icación de: El Sec e a io del T ibunal Fecha: Ag adecimien os A l culmina es e decisi o capí ulo de mi ida con es e T abajo Fin de G ado, me gus a ía oma un momen o pa a exp esa mi más since o ag adecimien o a odos aquellos que me han acompañado a lo la go de es e sinuoso camino. En p ime luga , quie o ag adece a mis pad es po su apoyo incondicional, su amo cons an e y su sac i icio pa a b inda me siemp e las opo unidades que he enido. Vues a e en mí ha sido mi mayo inspi ación y mo i ación. Sin ues o alien o y guía, es e log o no hab ía sido posible, y es po eso que es e abajo iene an o de mí como de oso os. A i, Celia, g acias po u paciencia y alien o inqueb an able a lo la go de odo es e p oceso. Tu apoyo emocional y u p esencia cons an e han sido un ayo de luz en los momen os más oscu os. Tu amo me impulsa a alcanza mis me as y a se la mejo e sión de mí mismo. A mis amigos, quienes han es ado desde mis inicios, g acias po habe me impulsado has a donde es oy aho a. Lejos o ce ca, sé que siemp e pod é con a con oso os pa a cualquie desa ío que se me p esen e. Voso os sois la amilia que elegí hace más de cinco años, y desde en onces habéis pe manecido jun o a mí. Siemp e os ag adece é el habe me adop ado como uno más. Es e log o no es solo mío, sino de odos oso os, que habéis con ibuido de una u o a mane a a mi éxi o. Es oy p o undamen e ag adecido po cada ges o de apoyo, cada palab a de alien o y cada momen o compa ido. Pablo Alca az Gómez. G aduado en Ingenie ía Ae oespacial. Se illa, 2025 III Índice Resumen V Abs ac VII Índice Ab e iado IX 1 In oducción 1 1.1 Obje i o 1 ¿Qué son los de echos de emisión de C02 y cómo a ec an al sec o ae oespacial? 4 1.2 Me odología 7 1.3 Combus ibles, ca ac e ís icas y en ajas. 9 Je A-1[14] 9 Hid ógeno[10] 10 Amoníaco 11 Gas na u al licuado [23] 12 2 Mecánica del uelo 15 2.1 Modelo de a ión. 15 2.1.1 Dinámica del a ión 16 2.2 Ae ona e seleccionada y da os 18 2.2.1 B-767 300ER 18 2.3 Modelo de pola . 19 2.4 Ecuaciones de mecánica del uelo. [21] 20 2.4.1 Hipó esis gene ales. 20 2.4.2 Sis ema de e e encia y sis ema de ejes 20 2.4.3 Sis ema de es g ados de libe ad. 21 2.5 Ecuaciones po amos. 23 2.5.1 Despegue. 23 Reco ido en ie a 24 Reco ido en ai e. 25 2.5.2 Ecuaciones de subida. 25 Ángulo de subida 26 2.5.3 Acele ación en amo ho izon al. 26 2.5.4 Desacele ación en amo ho izon al. 27 2.5.5 Ac uaciones de c uce o 27 2.5.6 A e izaje. 28 3 Mapas mo o es 29 XI XII Índice 3.1 Da os de pa ida y ob ención de alo es. 30 3.1.1 Ob ención de p ime as g á icas 32 P ocedimien o 32 P oblemá ica 34 3.1.2 Reescalado 34 Mé odo seguido. 34 Hipó esis asociadas al eescalado 36 3.1.3 Resul ados y conclusiones 37 Compo amien o a ni el del ma . 37 Compo amien o a 30000 pies 38 3.2 Implemen ación en el modelo. 40 3.2.1 Código de consumo especí ico. 40 4 Compa ación de combus ibles 43 4.1 In oducción 43 4.2 Es udio de combus ibles 44 4.2.1 Análisis 44 4.2.2 Resul ados ene gé icos 45 4.2.3 Resul ados másicos. 46 4.2.4 Conclusión: elección del GNL como al e na i a iable 46 5 Diseño de los depósi os 49 5.1 Conside aciones pa a el diseño. [16] 49 5.2 Localización de los depósi os. 51 5.2.1 En el in e io de las alas. 51 5.2.2 Bodega del a ión. 54 5.2.3 Depósi os bajo las alas. 55 5.3 E ec os en la ae odinámica. 56 5.3.1 Mé odo del á ea pa ási a equi alen e. [12] 56 5.3.2 Ve i icación de la pola . 59 B-52 S a o o ess 62 5.4 Ma e iales 62 5.4.1 Conside aciones es uc u ales 62 5.4.2 Aleación aluminio-magnesio. 64 Depósi o en el in e io de las alas. 66 Depósi os debajo de las alas. 66 Depósi os de la bodega. 66 5.4.3 Ace o Inoxidable. 66 Depósi os en el in e io de las alas. 67 Depósi os debajo de las alas. 67 Depósi os en la bodega. 68 5.4.4 Ti anio. 68 Depósi os en el in e io de las alas. 69 Depósi os debajo de las alas. 69 Depósi os en la bodega. 69 5.4.5 Compa ación de esul ados 70 5.4.6 Ma e iales compues os. [20] 71 5.5 T ansmisión de calo : e apo ación del gas na u al licuado. 75 Índice XIII 5.5.1 Diag ama de cambio de ase del me ano y p esión de diseño 75 Coe icien e de película con el ai e ex e io 77 Coe icien e de película del me ano in e no 80 5.5.2 Si uación sin aislan e. 81 5.6 Con ol de la e olución de los depósi os 82 5.6.1 Ecuaciones de compo amien o. 82 5.6.2 Ecuaciones undamen ales y modelado del sis ema 83 5.6.3 Ob ención de las p opiedades del me ano 84 P oblemas encon ados con los da os 84 5.6.4 Resolución del sis ema. 85 Resul ados ob enidos. 86 5.7 Si uación usando aislan es é micos. 88 5.8 Dimensionado de los espeso es de los aislan es. 90 5.8.1 Cálculo del coe icien e de película. 90 6 Op imización de esul ados 97 6.1 P ime a opción: aumen a espeso del aislan e de los depósi os ex e nos. 99 6.1.1 Cálculo de los nue os coe icien es de película. 99 Depósi os ex e nos. 99 Depósi os in e nos del ala. 100 6.2 Segunda Opción: aumen a espeso en los depósi os in e nos y ex e nos. 102 6.2.1 Cálculo de los coe icien es de película. 102 Depósi os ex e nos. 102 Depósi os in e nos. 103 6.3 Te ce a opción: educi el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos. 107 6.3.1 Cálculo del coe icien e de película. 107 Depósi os ex e nos. 107 Depósi os en el ala. 107 6.4 Cua a opción: educi el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos has a los 3cm. 110 Depósi os ex e nos. 110 Depósi os en el ala. 110 6.5 Va iaciones a la con igu ación o iginal. 112 6.5.1 Usa únicamen e los depósi os bajo las alas. 112 6.6 Op imización inal: búsqueda del espeso ex e no óp imo. 114 6.6.1 Resul ados ob enidos. 115 P ime a i e ación. 115 Segunda i e ación. 116 7 Aplicaciones 119 7.1 Resul ados pa a las con igu aciones es udiadas. 119 7.1.1 Uso únicamen e de los depósi os en el in e io de las alas. 119 Recopilación de ae olíneas y iajes que o ecen. [17] 120 7.2 Con igu ación comple a. 121 7.3 Compa ación en e con igu aciones. 122 7.4 Escena io de medio alcance: adap ación a ope aciones de bajo cos e. 125 7.4.1 E aluación de uelos conca enados sin epos a . 127 7.4.2 Vuelos conca enados sin depósi os ex e nos. 131 XIV Índice 8 Resul ados ob enidos 133 8.1 Discusión de los esul ados 133 8.2 Re lexión gene al sob e el uso del GNL en la a iación 136 8.2.1 Aplicación y esul ados en ae ona es ac uales. 137 8.2.2 Limi aciones y desa íos pendien es. 137 8.2.3 Pe spec i as u u as. 137 9 Conclusión 139 10 Líneas u u as de in es igación 141 Apéndice A Modelo de a mós e a ISA 143 A.1 Modelo de a mós e a 143 Índice de Figu as 145 Índice de Tablas 149 Bibliog a ía 151 1 In oducción 1.1 Obje i o E l obje i o del p esen e p oyec o es lle a a cabo un es udio p eelimina cin el obje i o de examina la in eg ación de combus ibles c iogénicos en una ae ona e come cial sin cambia la con igu ación de es a ni si plan a p opulsi a. Es e es udio se jus i ica po la necesidad de busca una solución más bene iciosa pa a las compañías aé eas desde un pun o de is a an o económico, an o po la educción sus ancial del consumo de combus ible del a ión, como de una no o ia disminución de la emisión de gases de e ec o in e nade o y po ende, la deducción de los cos es debido a la mino ación del cos e po la p oducción de dichas emisiones. Si bien es cie o que las emisiones de gases de e ec o in e nade o causadas po la a iación son in e io es - an o a ni el nacional como in e nacional- espec o a o os sec o es como puede se el de la gene ación de ene gía eléc ica ( id. 1.1), sin emba go, mien as que en es os la endencia es a la baja, en el ae onáu ico la si uación es in e sa; además, las emisiones de es e sec o ienen mayo epe cusión en el e ec o in e nade o al p oduci se en las capas más supe io es de la a mós e a ( opos e a-es a os e a) Figu a 1.1 Emisiones de GEI p oceden es del anspo e en elación con o os sec o es. España y Unión Eu opea (UE-28). 2018[18]. 1 2Capí ulo 1. In oducción La Figu a 1.1 compa a la dis ibución po cen ual de las emisiones de gases de e ec o in e nade o (GEI) po sec o es en España y en la Unión Eu opea (UE-28). Es a in o mación esul a cla e pa a con ex ualiza el impac o del anspo e aé eo y, en pa icula , alo a la iabilidad del uso de combus ibles al e na i os como el gas na u al licuado (GNL) en a iación come cial. Tal como mues a la igu a, el anspo e ep esen a el 27,5 % de las emisiones GEI en España, siendo el sec o más emiso , po encima de ene gía (23,5 %) e indus ia (20,7 %). En compa ación, en la UE-28 el anspo e ocupa el segundo luga (22,9 %), supe ado po el sec o ene gé ico (29,3 %). Es e da o es cohe en e con el análisis o ecido po el Obse a o io del T anspo e y la Logís ica en España (OTLE, 2020) [ 25 ], el cual des aca que el anspo e —especialmen e po ca e e a— cons i uye la p incipal uen e de emisiones en el ámbi o nacional. No obs an e, la a iación, aun- que p opo cionalmen e meno , sigue siendo un con ibuyen e signi ica i o, y su pa icipación ela i a pod ía inc emen a se en escena ios donde o os sec o es a ancen más ápidamen e en su desca bonización. Dado que el anspo e aé eo o ma pa e del o al sec o ial, educi sus emisiones esul a cla e pa a log a los obje i os nacionales de sos enibilidad. En es e con ex o, el es udio del GNL como combus ible al e na i o en a iación cob a especial ele ancia: • El GNL iene un po encial signi ica i o pa a educi las emisiones de CO 2 espec o a los combus ibles con encionales, además de emi i menos óxidos de ni ógeno y pa ículas. • La ansición al uso de GNL pod ía con ibui a desca boniza pa cialmen e el sec o aé eo, ayudando a educi la ca ga que el anspo e ep esen a en el in en a io nacional de emisiones. El hecho de que España p esen e un pe il de emisiones más dependien e del anspo e espec o a la media eu opea e ue za la necesidad de implemen a medidas inno ado as en es e sec o . La adopción de ecnologías basadas en GNL en a iación pod ía si ua a España en una posición de lide azgo ecnológico, con bene icios an o ambien ales como es a égicos. Figu a 1.2 Emisiones de GEI y sus ancias con aminan es po modo de anspo e. 2018. 1.1 Obje i o 3 Tabla 1.1 Po cen aje de emisiones de GEI (k CO2eq) po modo de anspo e en España.. Modo de anspo e Emisiones GEI (k CO2eq) % sob e o al nacional Fe o ia io 253 0.28 % Aé eo 3 045 3.38 % Ma í imo 3 160 3.51 % Ca e e a o al 83 659 92.83 % Ca e e a u bana 28 249 31.35 % Ca e e a no u bana 55 410 61.48 % Ca e e a no u bana - pasaje os 30 940 34.34 % Ca e e a no u bana - me cancías 24 469 27.16 % La Tabla 1.1 p esen a la dis ibución de las emisiones de gases de e ec o in e nade o (GEI) po modo de anspo e en España. El análisis e idencia que el anspo e po ca e e a es, con di e encia, el p incipal esponsable de las emisiones del sec o , acumulando un 92,83 % del o al nacional. En con as e, el anspo e e o ia io ep esen a una acción mínima (0,28 %), lo que lo posiciona como el modo más e icien e desde el pun o de is a ambien al. El anspo e aé eo, po su pa e, con ibuye con un 3,38 % del o al de emisiones de GEI. Aunque es e po cen aje es signi ica i amen e meno que el de la ca e e a, esul a ele an e po a ias azones: • Las emisiones del sec o aé eo se concen an en un núme o mucho meno de desplazamien os y ehículos en compa ación con el anspo e e es e, lo que indica una mayo in ensidad de emisiones po kilóme o po pasaje o o po unidad de ca ga. • El anspo e aé eo ope a a al i udes donde el impac o climá ico de cie os con aminan es es ampli icado, como en el caso de los óxidos de ni ógeno (NOx). • A di e encia del anspo e e es e, el sec o aé eo p esen a mayo es desa íos ecnológicos pa a su desca bonización, especialmen e en uelos de media y la ga dis ancia. En es e con ex o, el es udio de combus ibles al e na i os como el gas na u al licuado (GNL) cob a especial ele ancia. Su meno con enido de ca bono po unidad de ene gía y sus meno es emisiones de pa ículas y NO x lo posicionan como una al e na i a iable pa a educi la huella ambien al del anspo e aé eo. Aunque el peso ela i o del sec o aé eo en el in en a io o al no sea dominan e, su ans o mación es cla e pa a cumpli con los obje i os de neu alidad climá ica a medio y la go plazo. La Figu a 1.2 p esen a los da os ela i os a las emisiones de gases de e ec o in e nade o (GEI), sus ancias acidi ican es, p ecu so es del ozono opos é ico y ma e ial pa iculado, desglosados po modo de anspo e en el ámbi o nacional pa a el año 2018. Es a in o mación, p o enien e del Obse a o io del T anspo e y la Logís ica en España(OTLE) [ 25 ], pe mi e analiza la ele ancia del anspo e aé eo den o del conjun o del sis ema de mo ilidad nacional. Según la abla, el anspo e aé eo gene ó en 2018 un o al de 3.045 k de CO 2 equi alen e, posicionándose como el e ce modo más emiso de GEI después del anspo e po ca e e a u bana y no u bana. Aunque su olumen de emisiones es no ablemen e in e io al de la ca e e a (que ep esen a más del 90 % del o al), su impac o ela i o sigue siendo signi ica i o, especialmen e si se conside a que la a iación ep esen a una p opo ción meno del o al de desplazamien os. Además, la a iación es esponsable de 329 oneladas de sus ancias acidi ican es, 18.323 oneladas de p ecu so es del ozono opos é ico y 132 oneladas de ma e ial pa iculado. Es os alo es indican que, aunque la a iación no lide a en emisiones absolu as, su con ibución en é minos de e ec os 4Capí ulo 1. In oducción ambien ales po unidad de anspo e puede se c í ica, especialmen e en uelos de co a-media dis ancia, donde la e iciencia ene gé ica es meno . A la luz de es os da os, el desa ollo de ecnologías de p opulsión basadas en gas na u al licuado (GNL) pod ía supone una es a egia iable pa a educi el impac o ambien al de la a iación: • El GNL iene un meno con enido en ca bono po unidad de ene gía que los combus ibles ósiles con encionales, lo que se aduce en una po encial educción di ec a de las emisiones de CO2. • Su combus ión gene a ambién menos óxidos de ni ógeno (NO x ), educiendo las sus ancias acidi ican es y los p ecu so es del ozono. • El con enido en azu e y ma e ial pa iculado del GNL es casi nulo, lo que supone una mejo a conside able en é minos de calidad del ai e. Debido a es e c ecimien o exponencial de la p oducción de gases de e ec o in e nade o a la a mós e a, dis in os o ganismos como la Unión Eu opea decidie on adop a medidas d ás icas des inadas a educi al aumen o. Po ello, en el conocido Acue do de Pa ís de 2016 se es ableció el obje i o de emisiones pa a el año 2030. Pasada la pandemia po el COVID-19, en el 2020 es as acciones se endu ece ían en mayo medida con el obje i o cla o de alcanza una disminución del 55% espec o a los alo es del año 1990. Es e iden e que es os hechos ienen un g an impac o en el mundo de la a iación y debido a su endencia inc emen al, el g ado de las medidas ue mucho más acusado. Una cla a p ueba de es o es el aumen o del cos e que supond á la emisión de cada onelada de ca bono al medio ambien e. En la g á ica 1.3 se puede obse a cómo el p ecio de los de echos de emisión de CO2 du an e 2021 se ha aumen ado un 59%, llegando a picos de 50 €/ onelada, debido al g an aumen o de las emisiones de C02 Figu a 1.3 E olución en €/TM CO2p ecio en EU [25]. ¿Qué son los de echos de emisión de C02 y cómo a ec an al sec o ae oespacial? Los de echos de emisión de CO 2 o man pa e del Régimen de Come cio de De echos de Emisión de la Unión Eu opea (EU ETS), un sis ema de “cap and ade” que es ablece un lími e máximo de 1.1 Obje i o 5 emisiones pa a de e minados sec o es indus iales. Las emp esas eciben o adquie en pe misos que les pe mi en emi i una can idad especí ica de CO2. Si una emp esa emi e menos de lo pe mi ido, puede ende sus pe misos sob an es; po el con a io, si necesi a emi i más, debe á adqui i pe misos adicionales en el me cado. Es e sis ema busca incen i a la educción de emisiones de mane a e icien e desde el pun o de is a económico, omen ando la inno ación y la ansición hacia ecnologías menos con aminan es. El aumen o en el p ecio de los de echos de emisión ep esen a un cos o adicional pa a las ae olíneas, especialmen e en los uelos in aeu opeos suje os al Régimen de Come cio de De echos de Emisión de la Unión Eu opea (EU ETS). La adopción de combus ibles al e na i os como el gas na u al licuado (GNL), que emi e menos CO 2 que los combus ibles ósiles adicionales, pod ía educi la necesidad de adqui i pe misos, o eciendo así en ajas an o económicas como ambien ales. Además, el uso de GNL puede posiciona a las compañías aé eas como e e en es en sos enibilidad, alineándose con los obje i os climá icos es ablecidos po la Unión Eu opea. En esumen, el enca ecimien o de los de echos de emisión de CO 2 e leja una endencia hacia polí icas más es ic as en la lucha con a el cambio climá ico. Pa a el sec o ae onáu ico, es o sub aya la impo ancia de explo a y adop a ecnologías y combus ibles más limpios, como el GNL, con el in de man ene la compe i i idad y cumpli con las egulaciones ambien ales igen es. Uno de los en oques más p ome edo es en es a búsqueda es la adopción de combus ibles c iogé- nicos, ales como el hid ógeno líquido y el gas na u al licuado (GNL) en los mo o es ae onáu icos. Es os combus ibles p esen an p opiedades ísicas y químicas que pod ían o ece en ajas sus ancia- les en é minos de educción de emisiones y de e iciencia ene gé ica. Es e abajo in de g ado se cen a en la e aluación de la iabilidad de emplea combus ibles c iogénicos en u bo anes de lujo mix o, un ipo de mo o ampliamen e u ilizado en la a iación come cial mode na. El cambio de combus ible desde los adicionales que osenos hacia combus ibles c iogénicos implica una se ie de e os y opo unidades. Desde el pun o de is a écnico, es necesa io conside a aspec os como las modi icaciones en el diseño del mo o pa a maneja las bajas empe a u as de los combus ibles c iogénicos, los cambios en la combus ión y la ges ión é mica, así como las implicaciones en la in aes uc u a ae opo ua ia pa a el almacenamien o y suminis o de es os combus ibles. Es e es udio abo da á es os desa íos, p opo cionando un análisis de allado de las adap aciones necesa ias en los u bo anes de lujo mix o con mi as a ope a de mane a óp ima con combus ibles c iogénicos. Además de los desa íos écnicos, es e cambio de combus ible o ece en ajas ambien ales signi i- ca i as. Los combus ibles c iogénicos, y en pa icula el hid ógeno, ienen el po encial de educi d ás icamen e las emisiones de CO 2 , óxidos de ni ógeno (NO x ) y pa ículas, con ibuyendo así a la mi igación del cambio climá ico y a la mejo a de la calidad del ai e. Es e abajo se p opone e alua cuan i a i amen e es as en ajas ambien ales median e un análisis compa a i o de las emisiones gene adas po mo o es que u ilizan que oseno y aquellos que u ilizan hid ógeno líquido o GNL. Asimismo, se examina án las posibles con ibuciones de es os combus ibles a la educción del impac o acús ico, un aspec o cada ez más ele an e en la ope ación de ae ona es en en o nos u banos. 6Capí ulo 1. In oducción Figu a 1.4 Compa ación en e di e sos combus ibles ae onáu icos. La igu a mues a la elación en e la densidad ene gé ica g a imé ica (MJ/kg) y la densidad ene gé ica olumé ica (MJ/L) pa a dis in os ipos de combus ibles. Es a in o mación esul a c ucial en el con ex o de la p opulsión ae onáu ica, donde an o el peso como el olumen del combus ible a ec an di ec amen e al diseño, au onomía y e iciencia de la ae ona e. Los combus ibles con encionales u ilizados en a iación, como el Je -A, Je -B o JP-8, se si úan en la pa e supe io izquie da de la g á ica, con densidades ene gé icas del o den de: •G a imé ica: ∼43 MJ/kg •Volumé ica: ∼33 MJ/L Es as p opiedades los hacen ideales pa a aplicaciones ae oespaciales, ya que pe mi en almacena una g an can idad de ene gía en un olumen y masa ela i amen e educidos. Den o de los combus ibles c iogénicos ep esen ados, se encuen an: •Me ano líquido (Me hane liq.): –G a imé ica: ∼55 MJ/kg –Volumé ica: ∼23 MJ/L •Hid ógeno líquido (H2liq.): –G a imé ica: ∼120 MJ/kg (la más al a de odos los combus ibles) –Volumé ica: ∼8 MJ/L (muy baja) Aunque el hid ógeno líquido p esen a la mayo densidad ene gé ica po unidad de masa, su densidad olumé ica es muy baja, lo que plan ea desa íos de almacenamien o y diseño olumé ico en ae ona es. En cambio, el me ano líquido o ece un buen equilib io en e ambas densidades, si uándose en un pun o in e medio que esul a más iable pa a aplicaciones ae onáu icas a medio plazo. Además de sus p opiedades ene gé icas, el me ano (CH 4 ) des aca po su meno emisión de CO 2 po unidad de ene gía gene ada: • El me ano iene una es uc u a molecula simple (un ca bono po molécula), po lo que su combus ión libe a menos CO2que hid oca bu os de cadena más la ga como los je uel. • Se es ima que las emisiones de CO 2 del me ano son en e un 25 % y un 30 % in e io es po MJ p oducido en compa ación con el que oseno de a iación. 1.3 Combus ibles, ca ac e ís icas y en ajas. 13 •Densidad ene gé ica: A pesa de se mayo que la del hid ógeno, la densidad ene gé ica del GNL es in e io a la del que oseno, po lo que se equie en anques de mayo amaño y peso, condición que impac a en la capacidad de ca ga ú il de las ae ona es. •In aes uc u a especí ica: La implan ación del GNL en a iación equie e una ed especializada pa a su p oducción, almacenamien o y dis ibución, aspec o que implica in e siones signi ica i as. •Cos os de licue acción: Dado que el p oceso de licue acción es in ensi o en ene gía, se inc emen an los cos es asociados a la p oducción del GNL. •Rango limi ado: La combinación de meno densidad ene gé ica y mayo olumen eque ido pa a el almacena- mien o educe el alcance ope a i o espec o a ae ona es que emplean que oseno. •Adap aciones en los mo o es: Es necesa io ediseña o modi ica los mo o es pa a que puedan unciona de o ma óp ima con GNL; ello p ecisa de in e siones en ingenie ía y desa ollo ecnológico. •Riesgos ope a i os a bajas empe a u as: El almacenamien o a empe a u as c iogénicas plan ea e os adicionales en é minos de segu idad, man enimien o y iabilidad de los sis emas de combus ible. De odo lo an e io se puede conclui , el GNL ep esen a una al e na i a p ome edo a como combus ible pa a la a iación sos enible, g acias a sus en ajas medioambien ales y su disponibilidad global. Aun así, su adopción a g an escala exige supe a desa íos écnicos, económicos y de in aes uc u a que aún es án en desa ollo. 2 Mecánica del uelo P a a la simulación del pe il de uelo de una ae ona e come cial, se implemen a la in eg ación de las ecuaciones de la mecánica del uelo po amos a lo la go de oda la ope ación de la ae ona e. Es e en oque pe mi e modela con p ecisión el compo amien o de la ae ona e en las dis in as ases del uelo, como despegue, ascenso, c uce o, descenso y a e izaje. Cada amo se de ine po condiciones especí icas, como al i ud, elocidad y con igu ación del a ión, y se esuel en las ecuaciones di e enciales que gobie nan la dinámica de la ae ona e, incluyendo las ue zas ae odinámicas, la p opulsión y la g a edad. Pa a log a una simulación p ecisa, se u ilizan modelos ae odinámicos y de p opulsión que e lejan las ca ac e ís icas eales de la ae ona e, jun o con las condiciones a mos é icas p edominan es. La in eg ación numé ica de es as ecuaciones se lle a a cabo empleando mé odos obus os que pe mi en cap u a la e olución empo al de las a iables de es ado. El esul ado es una ep esen ación de allada del pe il de uelo, lo pe mi e analiza el endimien o, el consumo de combus ible y las es icciones ope acionales. Es a me odología es esencial pa a la plani icación de uelos, la op imización de u as y la e aluación de la e iciencia ene gé ica en la ope ación de ae ona es come ciales. 2.1 Modelo de a ión. En p ime luga , se á necesa io emplea un modelo de la ae ona e obje o de es udio in en ando así gene a los pe iles de uelo, además de conoce las necesidades de empuje en los dis in os segmen os de uelo. Es o implica una p e ia búsqueda de in o mación pa a la ob ención de odos los da os del a ión, así como la c eación de un modelo a pa i de las ecuaciones de la mecánica del uelo, eniendo en cuen a las posibles es imaciones de los da os que no se conozcan y/o a los que no se pueda accede . El obje i o de odas es as ac uaciones es elabo a del pe il de uelo de la ae ona e en un uelo ípico de es a. Pode lle a a cabo el modelo de ae ona e implica imp escindible pode de ini las ue zas que se gene an en la misma en cada momen o del uelo. Como ya se ha mencionado an e io men e, no se abo da á el es udio de es abilidad ni modelos mecánicos complejos. Dado que en odos los segmen os se examina á el uelo simé ico, las ue zas a conside a pueden esumi se en sus en ación, peso, esis encia y empuje. Resul a, po an o, indispensable pode calcula en cada momen o dichas ue zas con el obje i o de ob ene el empuje necesa io a lo la go de los di e en es segmen os de uelo y así pode ene un modelo lo más ealis a posible. 15 16 Capí ulo 2. Mecánica del uelo 2.1.1 Dinámica del a ión En p ime luga y con o me a las p ác icas habi uales en los es udios académicos en ingenie ía, se p ocede a enuncia las hipó esis empleadas en la dinámica del a ión o ien adas a la simpli icación de las ecuaciones y, po an o, ob ene un modelo obus o, a la pa que idedigno pa a ep esen a la ae ona e: 1. A ión cue po ígido. 2. A ión simé ico. 3. Di ección del empuje ija espec o al mo imien o. 4. Tie a plana. 5. G a edad cons an e. 6. A mós e a en calma. ( i.e., sin ien o). Pa iendo de la base de que el análisis cen ado en la mecánica del uelo necesi a un modelo ae odinámico con el que el calcula las ue zas de sus en ación y esis encia - como pa e de las ca gas a las que se e some ida la ae ona e, siemp e en la di ección pe pendicula y angen e al ec o de la elocidad ae odinámica inciden e sob e el a ión, espec i amen e- como ya es conocido, sus exp esiones son las siguien es: L=1 2ρSV2CL⇒F(α,ρ∞,U∞,M2 ∞,Re,S)(2.1) D=1 2ρSV2CD⇒F(α,ρ∞,U∞,M2 ∞,Re,S)(2.2) Adimensionalizando dichas ecuaciones con la p e ensión de disminui las a iables que debemos calcula ; los coe icien es de esis encia y sus en ación esul an como sigue: L=1 2ρSV2CL⇒F(α,M2 ∞,Re)(2.3) D=1 2ρSV2CD⇒F(α,M2 ∞,Re)(2.4) Con la in ención de simpli ica el p oblema, se puede asumi que,dado que no se an a alcanza elocidades ansónicas -e i ando las ondas de choque ocasionadas y la caída del coe icien e de sus en ación-, asumimos que ambos coe icien es son independien es del núme o de Mach. Po o a pa e, podemos acep a que los ángulos de a aque son siemp e pequeños (α<< 1) y que po es e mo i o, la a iación del CL se á lineal, aunque es impo an e ene en cuen a el ángulo de en ada en pé dida, en los amos de a e izaje o de despegue. Como se ha comen ado an e io men e, el CL se á una unción lineal dependien e del ángulo de a aque c ecien e has a la ob ención de un CL máximo debido a las supe icies hipe sus en ado as y a la elocidad a la que se uele en el amo es ipulado. Finalmen e, el coe icien e de esis encia se descompone en la suma de dos é minos CD= CD0+CDi . siendo CDi la esis encia inducida causada po el hecho de sus en a la ae ona e y el ebo deo en la pun a del ala y CD0 la esis encia pa asi a ia con sus en ación nula. Po lo gene al, la dependencia de CDi con Re es desp eciable, a di e encia de la de CD0 no lo es, ya que es e coe icien e de icción en la supe icie del a ión depende del núme o de Reynolds. En p o a la simplicidad, no se conside a la dependencia con el núme o de Reynolds en an o en cuan o a la al a de medios (ca ecemos de únel de ien o pa a ealiza ensayos o modelos). 2.1 Modelo de a ión. 17 Dado que CL depende de α y de MyMdepende de V y de h, las exp esiones en (2.3) p opocionan la dependencina de L=L(h,M, α ) y D=D(h,M, α ). Además de D=D(h,M,W). Po es e mo i o, pa a h yL ijos, exis e una h que o o ga una esis encia mínima como se obse a en las siguien es igu as: Figu a 2.1 Resis encia ae odinámica en unción de V y h. Figu a 2.2 Resis encia ae odinámica en unción de V y h (con )[28]. 18 Capí ulo 2. Mecánica del uelo 2.2 Ae ona e seleccionada y da os En es e abajo se p opone el uso del B-767 en su con igu ación 300ER [30]. Figu a 2.3 B-767 de la compañía B i ish Ai ways. 2.2.1 B-767 300ER El Boeing 767-300ER (Ex ended Range) es una a ian e del Boeing 767, in oducida en el me cado en 1988, con el obje i o de o ece una capacidad de alcance y ca ga mejo adas en ope aciones de la go eco ido. Es e modelo, uno de los más exi osos de la amilia 767, ue desa ollado pa a compe i en el segmen o de ae ona es de doble pasillo, como al e na i a e icien e pa a u as ansa lán icas y anscon inen ales. El 767-300ER p esen a un peso máximo al despegue (MTOW,) signi ica i amen e mayo que sus p edeceso es y llega a alcanza has a 412,000 lib as (187,270 kg). Es e aumen o en el MTOW le pe mi e anspo a más combus ible y ca ga, lo que con ibuye, a su alcance ex endido. En é minos de capacidad, puede acomoda en e 218 y 269 pasaje os en una con igu ación ípica de es clases, lo que lo hace e sá il pa a di e en es pe iles de u as. El alcance del 767-300ER es una de sus ca ac e ís icas más des acadas, con una au onomía de has a 5,990 millas náu icas (11,700 km), dependiendo de la con igu ación y las condiciones ope a i as. Es a capacidad de alcance ha pe mi ido a las ae olíneas explo a u as di ec as sin escalas en e ciudades in e con inen ales, op imizando de es e modo los cos os ope a i os y la e iciencia de las ope aciones. En cuan o a las supe icies ae odinámicas, el Boeing 767-300ER cuen a con un ala op imizada de pe il supe c í ico, diseñada pa a mejo a la e iciencia del combus ible y el endimien o en uelo de c uce o. Con una en e gadu a de 156 pies y 1 pulgada (47.6 me os), es a ae ona e p esen a una elación de aspec o adecuada pa a educi la esis encia inducida, lo cual mejo a así la economía de uelo. La in oducción del 767-300ER ma có un hi o en la a iación come cial de la go alcance, al combina la capacidad de ca ga y pasaje os con un alcance ex endido, hecho que pe mi ió a las ae olíneas expandi sus edes y o ece más opciones de u as di ec as a los pasaje os. El Boeing 767-300ER equipado con los mo o es P a & Whi ney PW4000 [ 26 ] o ece una combinación óp ima de endimien o, e iciencia y iabilidad pa a uelos de la go alcance. Los mo o es PW4000, in oducidos a inales de la década de 1980, ue on diseñados pa a p opo ciona una po encia y un empuje supe io es, adap ándose a las necesidades de ae ona es de uselaje ancho como el 767-300ER. 2.3 Modelo de pola . 19 Con un ango de empuje que oscila en e 52,000 y 62,000 lib as, el PW4000 o ece un endimien o adecuado pa a las ope aciones anscon inen ales e in e con inen ales del 767-300ER. La a qui ec u a del mo o , basada en un diseño de al o bypass a io, pe mi e una mayo e iciencia en el consumo de combus ible, de mane a que se educen los cos os ope a i os y las emisiones de gases con aminan es. Además, su diseño modula acili a el man enimien o y educe el iempo en ie a, mejo ando la disponibilidad de la ae ona e. El PW4000 inco po a ecnologías a anzadas, como álabes de comp eso de al a e iciencia y un sis ema de combus ión mejo ado que con ibuyen a su endimien o y du abilidad. Es a plan a de po encia ha sido undamen al pa a el éxi o ope a i o del 767-300ER,pues ha pe mi ido a las ae olíneas op imiza su endimien o en u as de la go alcance y adap a se a las exigencias cambian es del me cado aé eo. Figu a 2.4 B-767 despegando de la compañía Ai Alps. 2.3 Modelo de pola . Pa a el cálculo del coe icien e de esis encia a lo la go de oda la en ol en e de uelo es necesa io es ablece el modelo de pola , a pa i de la de inición de las dos con ibuciones a la esis encia an e io men e mencionadas. Una ez desp eciada la dependencia con el núme o de Reynolds, a pa i de las exp esiones (2.3) se iene que CD=CD(CL,M) , exp esión que ecibe el nomb e de pola del a ión, al y como se mues a en la igu a (2.3), se asumi á el cálculo a pa i de un modelo de pola pa abólica simé ica no compensada de alo es ( CD0 yk), de o ma que a pa i de las condiciones de uelo y el coe icien e de sus en ación se de ine el coe icien e de esis encia. Una ap oximación más que su icien e es el modelo de pola pa abólica simé ica: CD=CD0+kCL2(2.5) donde ya se incluyen las dependencias y simpli icaciones an e io men e comen adas. Si se p e ende ob ene es os alo es, se puede p ocede de dis in as mane as, sin emba go, pa a el desa ollo de es e es udio ( CD0 yk) se oma án en conside ación los da os p opo cionados desin e esadamen e po los p o eso es de la asigna u a de mecánica del uelo de la ETSI de ingenie ía. Sean es os los alo es: CD0=0.0135 (2.6) K=0.0269 (2.7) 20 Capí ulo 2. Mecánica del uelo Figu a 2.5 Pola del a ión. 2.4 Ecuaciones de mecánica del uelo. [21] L le a a cabo o odos los pe iles de uelo necesa ios pa a comple a la misión, exige hace uso de las ecuaciones de la mecánica del uelo, de mane a que posibili e ap ecia la a iación del empuje en los dis in os amos de uelo a ealiza . 2.4.1 Hipó esis gene ales. En p ime luga , se enume a án las hipó esis ealizadas pa a la ob ención de las ecuaciones pe i- nen es en cada amo de uelo: • Se conside a el a ión como un cue po ígido, lo que e i a así los e ec os de la ae oelas icidad. •A ión simé ico, es deci , iene un plano de sime ía. •Di ección del empuje del mo o ija. espec o al a ión •Tie a plana. •G a edad cons an e. •A mós e a en calma, no se ienen en cuen a los e ec os del ien o. 2.4.2 Sis ema de e e encia y sis ema de ejes Una ez conocidas las hipó esis, es necesa io conoce los sis emas de abajo u ilizados en la mecánica del uelo: •Sis ema de ejes ien o Es e sis ema de e e encia iene de inido po el ángulo de asien o de elocidad γ , ángulo de guiñada de la elocidad χy el ángulo de alabeo µ. 2.4 Ecuaciones de mecánica del uelo. [21] 21 Figu a 2.6 Ejes Vien o[28]. •Sis ema de ejes cue po. Es e sis ema iene de inido po el ángulo de a aque del a ión α , el ángulo de esbalamien o β y la de inición del empuje espec o a los ejes ien o a pa i de un ángulo de a aque ε y un ángulo de esbalamien o ν Figu a 2.7 Ejes cue po espec o al ho izon e [28]. 2.4.3 Sis ema de es g ados de libe ad. Teniendo en cuen a las hipó esis, los ejes y sis emas de e e encia ap opiados, se puede hace un es udio dinámico y cinemá ico del p oblema, que conduci ía a las siguien es ecuaciones: dx d =V cos(γ)cos(χ)(2.8) dy d =V cos(γ)sin(χ)(2.9) dh d =V sin(γ)(2.10) 22 Capí ulo 2. Mecánica del uelo mdV d =T cos(ε)cos(ν)−mgsin(γ)(2.11) mVcos(γ)dχ d = (Tcos(ε)sin(ν)−Q)cos(µ)+(L+Tsin(ε))sin(µ)(2.12) mV dγ d =−[(Tcos(ε)sin(ν)−Q)sin(µ)−(L+Tsin(ε))cos(µ)]−mgcos(γ)(2.13) dm d =−cT (2.14) No obs an e, en es e es udio, se a a desa olla el uelo simé ico, es deci , β=0yν=0. Se es ablece un modelo de es g ados de libe ad, pues o que se es udia el a ión a ándolo como una masa pun ual (su cen o de masas) donde su mo imien o iene dado en cada ins an e po la posición x=x(x,y,h) , la elocidad(V) y la masa (M). Po an o, se ob ienen las siguien es ecuaciones: dx d =V cos(γ)cos(χ)(2.15) dy d =V cos(γ)sin(χ)(2.16) dh d =V sin(γ)(2.17) W g dV d =T cos(χ)cos(ν)−D−Wsin(γ)(2.18) W gVdγ d = (L+Tsin(ξ))cos(µ)−Wcos(γ(2.19) W gVdχ d = (L+Tsin(ξ))sin(µ)(2.20) dM d =−cET(2.21) De es a o ma esul a un sis ema de 7 ecuaciones di e enciales o dina ias con 10 a iables dependien es: 7 a iables de es ado (de i adas): x,y,h,V,χ,γ,m y 3 a iables de con ol (no de i adas): α,π,µ . En es e ipo de uelo, se ienen 3 g ados de libe ad ma emá icos. Es po es o que se necesi an 3 condiciones o ligadu as de uelo que es ablecen el mo imien o que se desea que el a ión ealice en cada segmen o. Pa iendo de que se quie e ealiza un modelo de pe il gene al, se an a deja de lado los posibles i ajes po lo que el a ión pe manece á con enido en un plano e ical; es o es ablece una ligadu a de uelo que iene dada po µ=0 . Además, se oma á que el ángulo de a aque del empuje es é siemp e alineado con el del a ión ( ξ=α ). Debido a es as ligadu as es ablecidas, se á necesa io en cada amo de uelo ce a el sis ema de ecuaciones di e enciales añadiendo dos ecuaciones de uelo o ligadu as adicionales y compa ibles en e sí, además. Así se asegu a que el p oblema quede o almen e ce ado. Con odas las simpli icaciones es ablecidas, el sis ema de ecuaciones queda así: dx dh =V cos(γ)(2.22) 3 Mapas mo o es La p esen e in es igación se cen a en la elabo ación de mapas mo o es especí icos cen ados en los mo o es del B-767 300ER [ 24 ], pa iendo de da os exis en es de mo o es conocidos p opo cionados po el p o eso . Es e p oceso es undamen al pa a modela con p ecisión el consumo de combus ible, an o a ni el del ma , como a al i udes de c uce o; lo cual es esencial pa a op imiza la e iciencia ope a i a y el endimien o de la ae ona e. El abajo se ha desa ollado en a ias ases bien de inidas. Inicialmen e, se ecopila on da os de allados de mo o es, cuyos compo amien os y ca ac e ís icas ope a i as es án bien documen ados. Es os da os incluye on pa áme os c í icos, como el consumo especí ico de combus ible (TSFC), la po encia p oducida, las cu as de endimien o a di e en es al i udes y condiciones a mos é icas, en e o os. A con inuación, con es a base de da os obus a, se p ocedió a aplica écnicas de in e polación y ex apolación pa a adap a es os pa áme os a las especi icaciones de los mo o es del a ión en es udio. Tal in e polación pe mi ió ajus a los da os exis en es den o del ango de condiciones ope a i as conocidas, mien as que la ex apolación se u ilizó pa a p e e el compo amien o del mo o ue a de es os angos, asegu ando que las p oyecciones ue an lo más p ecisas posible. El uso de mé odos a anzados de in e polación, como splines cúbicos y eg esión polinómica, ga an izó, po un lado, una ansición sua e en e los pun os de da os conocidos y p opo cionó una modelación p ecisa en el espec o ope a i o del mo o ; po o o lado, la ex apolación se manejó con écnicas cuidadosamen e seleccionadas pa a minimiza e o es y man ene la iabilidad de los da os p oyec ados. Finalmen e, se alida on los mapas mo o es gene ados median e compa aciones con da os empí- icos. Los hallazgos mos a on una al a co elación en e los da os modelados y los eales, lo que nos pe mi e con i ma la e icacia del mé odo empleado. En es e capí ulo se de alla á el p oceso seguido pa a la elabo ación de es os mapas mo o es y las posibles p oblemá icas que pueden apa ece a lo la go de odo el p oceso. 29 30 Capí ulo 3. Mapas mo o es 3.1 Da os de pa ida y ob ención de alo es. En el análisis del endimien o de un mo o u bo án, los mapas de endimien o p opo cionan una isión c í ica de cómo el mo o se compo a en di e en es condiciones de ope ación. En es e con ex o, examinamos dos g á icas cla e: una pa a el ni el del ma y o a pa a 30,000 pies de al i ud que ep esen an la elación en e al i ud, elocidad, empuje ne o y consumo especí ico de combus ible. •G á ica a Ni el del Ma : A ni el del ma , la g á ica mues a que el empuje ne o del mo o aumen a signi ica i amen e con la elocidad, has a alcanza un pun o de sa u ación. Es o se debe a que el ai e denso a ni el del ma pe mi e una mayo can idad de oxígeno en la cáma a de combus ión, lo que mejo a la e iciencia de la combus ión y, en consecuencia, del empuje. Sin emba go, es e inc emen o en el empuje ne o iene acompañado de un aumen o en el consumo especí ico de combus ible (TSFC). En o as palab as, a medida que el empuje aumen a, ambién lo hace la can idad de combus ible eque ido pa a man ene ese empuje, e lejando una elación di ec a en e endimien o y consumo a ni el del ma . El consumo especí ico de combus ible en es a g á ica ambién mues a un aumen o con la elocidad, aunque el inc emen o no es lineal. Los mo o es u bo án es án diseñados pa a ope a más e icien emen e en cie os angos de elocidad y empuje, compo amien o e iden e en la g á ica. El mo o consume más combus ible a al as elocidades, pe o la e iciencia puede mejo a en elocidades de c uce o donde el consumo se op imiza. Figu a 3.1 Mapa mo o pa a ni el del ma dado. •G á ica a 30,000 Pies: A 30000 pies, la g á ica ilus a un cambio signi ica i o en el compo amien o del mo o . A es a al i ud, el empuje ne o disminuye en compa ación con el ni el del ma , debido a la meno densidad del ai e. La meno can idad de oxígeno en la en ada de ai e educe la e iciencia de la combus ión, lo que limi a el empuje que el mo o puede gene a . Sin emba go, el aumen o de la al i ud iene un e ec o posi i o en el consumo especí ico de combus ible. A es a al i ud, el TSFC iende a mejo a , mani ies a una elación in e sa con el empuje ne o. Es o se debe a que, aunque el mo o p oduce menos empuje, lo hace de mane a más e icien e en é minos de consumo de combus ible. El compo amien o a 30000 pies e ela que, pese a que el empuje ne o es meno , el mo o ope a más e icien emen e en cuan o a consumo de combus ible a es a al i ud se e ie e. Es o es bene icioso pa a uelos de la go eco ido, donde una mayo al i ud pe mi e una educción en el consumo de combus ible, hecho que op imiza la e iciencia global del uelo. 3.1 Da os de pa ida y ob ención de alo es. 31 Figu a 3.2 Mapa mo o pa a 30000 pies dado. •U ilidad de las G á icas: Es as g á icas son esenciales pa a plani ica ope aciones de uelo, ya que pe mi en a los ingenie os y pilo os en ende cómo el endimien o del mo o cambia con la al i ud y la elocidad. Con es a in o mación se pueden oma decisiones in o madas sob e la al i ud óp ima de uelo y la elocidad pa a maximiza la e iciencia del combus ible y del endimien o del mo o . Además, la comp ensión de es as elaciones ayuda a ajus a las es a egias de uelo pa a op imiza el consumo de combus ible y mejo a la economía de ope ación de la ae ona e. Pa a el desa ollo de es e abajo, las g á icas necesa ias ue on p opo cionadas po el p o eso de la asigna u a, lo que acili ó signi ica i amen e el acceso a es os da os. Ma izando que es e ipo de in o mación suele se de di ícil acceso debido a las polí icas de con idencialidad de las emp esas del sec o ae onáu ico. No obs an e, las g á icas p esen adas inicialmen e mos aban cie as limi aciones que di icul aban su uso di ec o en el análisis eque ido. Es as p oblemá icas se de allan a con inuación y mo i a on un abajo adicional de p ocesamien o y adap ación de los da os. • Las cu as de es os mo o es no se adap aban a los que iene el a ión de es udio; po an o, hab ía que adap a los de alguna mane a pa a que el consumo especí ico es u ie a ajus ado pa a nues a ae ona e y de es e modo ob ene un modelo sólido. • Los da os plan eados es aban en o ma o PDF ,po lo que había que emplea una he amien a de posp ocesado pa a la ob ención de los y así g a ica los co ec amen e y analiza los da os pe inen es. 32 Capí ulo 3. Mapas mo o es 3.1.1 Ob ención de p ime as g á icas El paso siguien e del p esen e es udio es digi aliza los mapas mo o es y así pode a a los da os desde la he amien a de MATLAB. T as un análisis po meno izado se llegó a la conclusión de u iliza el p og ama WebPlo Digi ize [ 5 ] online. Con es a sencilla aplicación podíamos ob ene las coo denadas de los pun os de la g á ica y, pos e io men e pasa a g a ica los da os ob enidos con ma lab . P ocedimien o Esencialmen e, lo que se quie e lle a a cabo es ob ene una nube de pun os abundan es, con el obje i o ep ensen a la g á ica 3D, en la que se pod á e eniendo la al u a ijada, cómo a ía el consumo especí ico con la elocidad. Ob enida dicha man a de pun os podemos ex ae el consumo especí ico en cada ins an e conociendo la elocidad y la al u a de uelo. Ello se á siemp e conocido, ya sea po las ligadu as de uelo, ya po la no ma i a de uelo de la ae ona e de es udio. •1. Ca ga imagen. Subi la imagen en o ma o .jpg o.png. •2. Calib ación de ejes. Calib a los ejes del g á ico, de acue do con las escalas isibles en la imagen. Es o incluye la de inición de los lími es y las unidades de los ejes X e Y. •3. Ma cado de pun os de in e és. Ma ca, en es e caso, un o al de 42 pun os con p ecisión, pa a así ob ene una nube de pun os lo su icien emen e abundan e que pe mi ie a ep esen a la g á ica con exac i ud. •4. Expo ación de da os. Con los da os ob enidos el paso siguien e e a impo a los da os a MATLAB en modo de ma iz y pos e io men e ep esen a las g á icas. •5. G a icado. Con la he amien a de plo 3 de MATLAB y ep esen ando po ilas, amos c eando líneas. G acias al comando hold on epe ensen amos la o alidad de la g á ica. •6. Pe sonalización. Finalmen e nomb amos los ejes y damos í ulo a la g á ica con lo que ob enemos un esul ado isible. 3.1 Da os de pa ida y ob ención de alo es. 33 Aquí enemos los esul ados ob enidos con el p ocedimien o an e io men e de allado: Figu a 3.3 G á ica ob enida pa a ni el del ma . Figu a 3.4 G á ica ob enida pa a 30000 pies. 34 Capí ulo 3. Mapas mo o es P oblemá ica Como ya se ha comen ado an es, accede a los da os del mapa mo o de una plan a de po encia especí ica es muy complicado sino p ác icamen e imposible. Es po ello, que se debe adap a la g á ica que se ha acili ado po pa e del p o eso a la plan a de po encia que se quie e es udia en es e abajo. Po es e mo i o se debe de " eescala " la g á ica, si se busca una ep esen ación ealis a de nues o mo o . Ya que pa a los angos de empujes en los que nos mo emos las g á icas an e io men e mencionadas no p esen an alo es ningunos, en el apa ado siguien e se mos a á el p oceso lle ado a cabo pa a el " eescalado" de la g á ica y su pos e io implemen ación en el código de MATLAB pa a su alidación. Pa a conclui , sen lo ela i o a la p oblemá ica de las unidades de ep esen ación, es as ienen que a a se con sumo cuidado pues un pequeño desliz puede ocasiona un e o de magni ud signi ica i amen e conside able. Po odo ello du an e odo el es udio se ha abajado en el SI, adap ando odas las magni udes a es e. En conclusión, las unidades empleadas se án las siguien es: •Consumo Easpecí ico: 1/s. •Velocidad: m/s. •Empuje: kN. Pa a la adap ación de los alo es de las g á icas (3.1) y (3.2) se han empleado las con e siones necesa ias pa a la adap ación a los alo es del sis ema in e nacional y en consecuiencia, su co ec o uso en es e abajo. 3.1.2 Reescalado En es e apa ado se p ocede a explica el p ocedimien o seguido pa a el eescalado de las g á icas; es o se hace con la in ención de que las g á icas e lejen el compo amien o de la plan a mo o a,obje o de es udio; es deci , los PW-400 de P a & Wi ney. Es impo an e lle a a cabo es e p ocedimien o, ya que, de lo con a io no se pod ía ealiza la en ol en e de uelo ealis a y consecuen emen e los esul ados ob enidos ca ece ían de la e acidad exigida. Mé odo seguido. El p ocedimien o lle ado a cabo pa a el eescalamien o es el siguien e: • En p ime luga , se oma un pun o de elocidad conocida; en es e caso se omó has a un pun o de ascenso que iene dado po la no ma i a igen e y los p ocedimien os no males de la ae ona e. Se ep esen an los alo es de empuje y elocidad has a ese pun o en la g á ica siguien e. 3.1 Da os de pa ida y ob ención de alo es. 35 Figu a 3.5 G á icas de empuje y elocidad en e al iempo espec i amen e. • Se cogen 4 pun os ca ac e ís icos en ambas g á icas, con los que ob ene a ios pun os de e e encia y p ocede a la pos e io compa ación; en es e caso, se han cogido pun os que p esen a an un cambio en la endencia del empuje pa a hace lo más ácil y isual. • A con inuación, se compa an esos alo es ob enidos en el código con los de la g á ica pe inen e, con la inalidad de examina si es e alo queda po encima o po debajo del alo de e e encia que habíamos omado con an e io idad. • Una ez hecho lo an e io , se escalaban los ejes mul iplicando los alo es de empuje máximo y mínimos espec i amen e y se comp obaba la elocidad pa a la que sucedía ese empuje ob enido. • Si esa elocidad es aba den o de nues o ango, el eescalado se conside a co ec o y, po an o, se concluye que la adap ación la g á ica se ha ealizado co ec amen e. • Finalmen e se con inuaba con es os alo es y se comp obaba si el alcance e a álido pa a la ae ona e de es udio. 36 Capí ulo 3. Mapas mo o es Hipó esis asociadas al eescalado Pa a ga an iza la alidez del p ocedimien o de eescalado aplicado a los mapas mo o es y su co ec a implemen ación en el modelo de simulación, ha sido necesa io es ablece una se ie de hipó esis undamen ales que han guiado es e p oceso: • Se conside a que el mapa mo o de e e encia p opo cionado ep esen a ielmen e el compo - amien o gene al de una plan a mo o a de ipo u bo án, pe mi iendo su adap ación al mo o PW4000 del Boeing 767-300ER median e un eescalado p opo cional y consis en e. • En condiciones de despegue, se ha impues o como c i e io que el empuje máximo disponible sea un 30 % supe io al empuje eque ido po la ae ona e a MTOW. Es e ma gen asegu a su icien e capacidad de espues a an e escena ios c í icos. El empuje mínimo se adap a p opo cionalmen e a es e nue o eje. • Pa a las condiciones de c uce o, el eje de empuje se ha escalado man eniendo la misma p opo ción ela i a que en el mapa o iginal, ga an izando cohe encia uncional en el ango ope a i o más ele an e. • La palanca de gases, en endida como la elación en e el empuje solici ado T y el empuje máximo disponible Tmáx, se exp esa en po cen aje median e la ó mula: Palanca de gases (%) =T Tmáx ·100 (3.1) Es a a iable pe mi e e alua el g ado de es ue zo p opulsi o eque ido en cada ase del uelo. • En cuan o al eje e ical del mapa (consumo especí ico de combus ible, TSFC), se ha asumido que se conse a el equilib io ene gé ico, es deci : ˙mje ·hje =˙mGNL ·hGNL (3.2) De es a elación se ob iene la exp esión pa a eescala el TSFC del GNL: TSFCGNL =TSFCje ·hje hGNL (3.3) Donde hje y hGNL son las ene gías especí icas del que oseno y del gas na u al licuado, espec i amen e. • Se asume que las p es aciones del mo o no cambian signi ica i amen e al sus i ui el que oseno po GNL, más allá del ajus e del TSFC y del almacenamien o c iogénico necesa io. • El GNL se conside a no es a i icado en los depósi os, pe mi iendo a a lo como una sus ancia homogénea pa a simpli ica el modelado del compo amien o e modinámico en uelo. • Se ha ealizado un p ediseño mecánico p elimina de los depósi os ex e nos, e i icando que es os pueden se in eg ados es uc u almen e sin comp ome e la in eg idad del uselaje ni el cumplimien o del MTOW. Es as hipó esis han sido undamen ales pa a lle a a cabo un eescalado ealis a y consis en e con las ca ac e ís icas de la ae ona e, pe mi iendo así el uso de mapas mo o adap ados a un sis ema de p opulsión al e na i o basado en GNL sin comp ome e la alidez de los esul ados ob enidos en el es udio. 3.1 Da os de pa ida y ob ención de alo es. 37 Tabla 3.1 Valo es de ene gía especí ica u ilizados en el eescalado del consumo especí ico de combus ible (TSFC).. Combus ible Ene gía especí ica Unidad Je -A (Que oseno) 43 MJ/kg Gas Na u al Licuado (GNL) 50 MJ/kg Hid ógeno líquido (LH2) 120 MJ/kg Amoníaco (NH3) 22.5 MJ/kg 3.1.3 Resul ados y conclusiones En es e apa ado se comen a án y enseña án los hallazgos ob enidos as el eescalado de las g á icas con la idea de implemen a lo pos e io men e en el código del es udio. Se p ecisa hace una dis inción en e la g á ica a ni el del ma y a 30000 pies, que son las empleadas du an e odo el abajo. Compo amien o a ni el del ma . En es a g á ica en 3D ob enemos una sábana de pun os pa a dis in os alo es de consumo especí ico (TSFC), elocidad de uelo y empuje desa ollado po los mo o es. El consumo especí ico de un u bo án, de inido como la masa de combus ible consumida po unidad de empuje gene ado, exhibe una cu a ca ac e ís ica, en unción de la elocidad de uelo al ni el del ma . Es a cu a puede di idi se en es egiones p incipales: •1. Régimen de bajo a ance. A bajas elocidades, el consumo especí ico es ele ado, debido a la baja e iciencia del com- p eso y de la u bina. El lujo de ai e a a és del mo o es ela i amen e bajo, lo que limi a la po encia é mica que puede se con e ida en empuje. Además, la elación de bypass es menos e ec i a a bajas elocidades, lo que educe la e iciencia p opulsi a. •2. Régimen de c uce o. A elocidades de c uce o, el consumo especí ico alcanza un mínimo. En es e pun o, se log a un equilib io óp imo en e la e iciencia del comp eso y de la u bina; la elación de bypass con ibuye de mane a signi ica i a a la gene ación de empuje. La disminución del consumo especí ico en es a egión se debe a la mejo a en la e iciencia e modinámica del ciclo y a la mayo e iciencia p opulsi a. •3. Régimen de al a elocidad. A medida que aumen a la elocidad de uelo, el consumo especí ico comienza a inc emen a se nue amen e. Es e aumen o se debe p incipalmen e a la c ecien e pé dida po esis encia ae odinámica del mo o , que equie e un mayo lujo de masa de ai e a a és del mo o pa a man ene el empuje. Además, la e iciencia del comp eso y de la u bina puede disminui lige amen e a al as elocidades, a causa de e ec os comp esibles y a la limi ación de la empe a u a de en ada a la u bina. 38 Capí ulo 3. Mapas mo o es Figu a 3.6 G á ica ob enida pa a ni el del ma . Compo amien o a 30000 pies El compo amien o del consumo especí ico de un u bo án a una al i ud de c uce o ípica, como 30000 pies, p esen a ca ac e ís icas dis in i as en compa ación con el ni el del ma . La disminución de la densidad del ai e a es a al i ud in oduce una se ie de ac o es que in luyen signi ica i amen e en la e iciencia del mo o . •1. Reducción de la masa de ai e en an e. La meno densidad del ai e a g an al i ud gene a una disminución de la masa de ai e que ing esa al mo o po unidad de iempo. Es o limi a la po encia é mica que puede se ex aída del combus ible y, po consiguien e, el empuje gene ado. •2. Aumen o de la elación de bypass e ec i a. La disminución de la densidad del ai e inc emen a la elocidad del lujo de ai e a a és del mo o pa a man ene un lujo másico cons an e. Es e aumen o en la elocidad del lujo de ai e a a és del bypass mejo a la e iciencia p opulsi a, pues o que una mayo p opo ción del empuje o al es gene ado po el lujo de bypass. •3. E ec os de la empe a u a. La empe a u a del ai e a 30000 pies es signi ica i amen e más baja que al ni el del ma . Es a disminución de empe a u a aumen a la densidad del ai e a la en ada del comp eso , lo que mejo a su e iciencia. Sin emba go, la empe a u a más baja ambién educe la ene gía é mica disponible en los p oduc os de combus ión, lo que puede limi a lige amen e la po encia especí ica del mo o . •4. Pé didas po esis encia. Las pé didas po a as e ae odinámico del mo o , an o in e nas como ex e nas, se en a ec adas po la al i ud. A 30000 pies, es as pé didas pueden se meno es, debido a la meno densidad del ai e, lo que con ibuye a una lige a mejo a en la e iciencia global del mo o . 4.2 Es udio de combus ibles 45 Tabla 4.1 Tabla compa a i a de los combus ibles. Combus ible Hp [MJ/Kg] Densidad [kg/L] Masa [Kg] Volumen [L] Je A-1 43 0.84 59640 81000 H2120.9 0.0708 21371 301850 NH322.5 0.683 113978.7 166879.5 GNL 51 0.451 50014.4 124155.3. 4.2.2 Resul ados ene gé icos Los esul ados del análisis ene gé ico compa a i o en e dis in os combus ibles pa a misiones de alcance máximo en ae ona es e elan una ma cada supe io idad del hid ógeno c iogénico. Al con as a el desempeño del hid ógeno con combus ibles con encionales como el que oseno A-1 y al e na i as como el amoníaco y el gas na u al licuado (GNL), se e idencia una cla a endencia que se explica en lo que sigue. El que oseno A-1, combus ible de e e encia en la a iación come cial, es ablece un benchma k en é minos de ene gía especí ica y densidad ene gé ica. Sin emba go, al e alua la iabilidad de o os combus ibles pa a misiones de la go alcance, se obse a que an o el amoníaco como el GNL p esen an dé ici s ene gé icos signi ica i os en compa ación con el que oseno. Es o implica que, pa a alcanza un alcance equi alen e al ob enido con que oseno, una ae ona e p opulsada po amoníaco o GNL eque i ía una mayo masa de combus ible, lo cual impac a ía nega i amen e en la ca ga ú il y la e iciencia global de la misión. Es e aspec o se á es udiado con mayo de alle en apa ados pos e io es. Po su pa e, el hid ógeno c iogénico des aca po su ele ada ene gía especí ica, que supe a incluso a la del que oseno. Es a ca ac e ís ica lo posiciona como el único combus ible e aluado capaz de iguala o incluso p e alece el alcance máximo alcanzable con que oseno, sin comp ome e la ca ga ú il de la ae ona e. Si bien el hid ógeno p esen a desa íos e elado es en cuan o a su almacenamien o y manejo debido a su es ado c iogénico, dichas complicaciones se án analizadas en los p óximos apa ados con el in de e alua su iabilidad eal. En conclusión, los da os ob enidos en es e es udio espaldan la a i mación de que el hid ógeno c iogénico es el combus ible más p ome edo pa a misiones de alcance máximo en ae ona es. Su supe io idad ene gé ica, si se co eja con o os combus ibles al e na i os, lo con ie e en una opción a ac i a pa a la desca bonización del sec o ae onáu ico y el cumplimien o de los obje i os de sos enibilidad ambien al. No obs an e, es undamen al con inua in es igando y desa ollando ecnologías que pe mi an op imiza su almacenamien o, anspo e y u ilización en aplicaciones ae onáu icas, ya que ac ualmen e p esen a desa íos signi ica i os en é minos de in aes uc u a, segu idad y densidad olumé ica. En es e con ex o, el gas na u al licuado (GNL) se posiciona como una posible al e na i a iable a co o y medio plazo. Aunque su ene gía especí ica no alcanza a la del hid ógeno, o ece una no able educción de emisiones en e al que oseno con encional, una densidad ene gé ica acep able y una in aes uc u a pa cialmen e adap able desde o os sec o es como el ma í imo o indus ial. Además, los sis emas c iogénicos eque idos pa a su almacenamien o son más sencillos de implemen a que los del hid ógeno, lo que acili a su adopción en pla a o mas exis en es con adap aciones mode adas. Po an o, el GNL ep esen a una solución de ansición ealis a hacia una a iación más sos enible, en la que combina bene icios medioambien ales con una ac ibilidad écnica y ope a i a po lo cual se con ie e en un candida o i me pa a aplicaciones en ae ona es come ciales den o de la p óxima gene ación. 46 Capí ulo 4. Compa ación de combus ibles 4.2.3 Resul ados másicos. Un análisis exhaus i o de la masa de dis in os combus ibles pa a ae ona es, conside ando un olumen de anque es ánda de 81000 li os, e ela una endencia in e esan e. Si bien el que oseno A-1 ha sido el combus ible de e e encia du an e décadas, su densidad ene gé ica, aunque ele ada, no es el único ac o a conside a en el diseño de una ae ona e. Al compa a la masa de que oseno con la de hid ógeno, amoníaco y gas na u al licuado (GNL) pa a el mismo olumen de anque, se obse a que los es úl imos p esen an una densidad ma cadamen e meno . Es o implica que, pa a almacena la misma can idad de ene gía química, se eque i ía un mayo olumen de anque pa a el hid ógeno, amoníaco y GNL en compa ación con el que oseno. Sin emba go, es a apa en e des en aja se e compensada po la mayo e iciencia ene gé ica del hid ógeno, que pe mi e consegui mayo es alcances con una meno masa o al de combus ible. El amoníaco y el GNL, aunque más densos que el hid ógeno, ambién p esen an una densidad in e io a la del que oseno. Es o sugie e que, desde el pun o de is a de la masa, es os combus ibles pod ían se al e na i as iables. A pesa de ello, es undamen al conside a los desa íos asociados a su almacenamien o y manejo, especialmen e en el caso del hid ógeno y el GNL, que equie en de sis emas de almacenamien o c iogénico. Los anques de almacenamien o c iogénico deben con a con un aislamien o é mico de al a calidad pa a minimiza las pé didas de ene gía po e apo ación. Es e aislamien o é mico, si bien es necesa io pa a ga an iza la e iciencia del sis ema de p opulsión, añade masa al conjun o de la ae ona e. Po lo an o, el bene icio en é minos de masa del combus ible puede e se pa cialmen e compensado po el aumen o de masa asociado al sis ema de almacenamien o. Po odo lo dicho, el hid ógeno, amoníaco y GNL p esen an una densidad meno que el que oseno, da os que se aducen en una meno masa de combus ible pa a un olumen de anque dado, es esencial conside a los desa íos asociados al almacenamien o y manejo de es os combus ibles, en pa icula en el caso del hid ógeno y el GNL. La elección del combus ible óp imo pa a una ae ona e depende á de un análisis mul i ac o ial que conside e, no solo la masa del combus ible, sino ambién la e iciencia ene gé ica, el alcance, la segu idad, la in aes uc u a de suminis o y o os ac o es ele an es. 4.2.4 Conclusión: elección del GNL como al e na i a iable T as analiza de alladamen e, an o la iabilidad ene gé ica como la compa a i a másica en e di e en es combus ibles al e na i os al que oseno, se concluye que el gas na u al licuado (GNL) ep esen a la opción más equilib ada y ac ible pa a su implemen ación en la a iación come cial a medio plazo. Aunque el hid ógeno c iogénico ha demos ado se el combus ible con mayo endimien o ene gé ico, su uso conlle a una se ie de desa íos écnicos, es uc u ales y de segu idad que di icul an su adopción inmedia a. La necesidad de sis emas de almacenamien o al amen e especializados, jun o con los p oblemas de i ados de su baja densidad olumé ica y su manipulación c iogénica ex ema, hacen que, aun p ome edo , su iabilidad ope a i a aún dependa de impo an es a ances ecnológicos. Po su pa e, el amoníaco, aunque ambién mues a un po encial in e esan e, p esen a se ias limi aciones en cuan o a oxicidad, emisiones de NO x , y compa ibilidad con ma e iales ae onáu icos, lo que comp ome e su aplicabilidad di ec a en en o nos ope a i os ci iles. En es e con ex o, el GNL su ge como la mejo al e na i a, al o ece una educción signi ica i a de emisiones en e al que oseno, una in aes uc u a pa cialmen e adap able desde el sec o ma í imo y una densidad ene gé ica acep able que pe mi e man ene un equilib io en e alcance, peso y olumen. Además, su pe il de segu idad, aunque no exen o de iesgos, es más manejable que el de o as al e na i as más complejas. 4.2 Es udio de combus ibles 47 En de ini i a, el GNL ep esen a una solución de ansición ealis a y e ec i a hacia una a iación más sos enible, pues pe mi e a anza hacia la desca bonización del anspo e aé eo sin comp ome e la ope a i idad de las ae ona es ac uales ni exigi ans o maciones ecnológicas ex emas a co o plazo. 5 Diseño de los depósi os El p esen e capí ulo se cen a en la ca ac e ización de allada de los sis emas de almacenamien o de hid ógeno líquido a bo do de ae ona es. Se analiza án aspec os geomé icos, mecánicos y ope a i os undamen ales pa a el diseño de es os depósi os. En e los ac o es a conside a des acan: •Emplazamien o: Se e alua án las dis in as al e na i as de ubicación de los anques, conside ando las limi acio- nes espaciales de la ae ona e. •Dimensiones: Se de e mina án las dimensiones óp imas de los depósi os en unción de la capacidad eque ida de hid ógeno líquido y las es icciones geomé icas impues as. •Solici aciones mecánicas: Se analiza án las ca gas a las que es a án some idos los depósi os debido a la p esión in e na del luido. A pa i de es e análisis exhaus i o, se de ini án las ca ac e ís icas inales de los depósi os, incluyendo su geome ía, dimensiones, ma e iales cons i u i os y espeso es. 5.1 Conside aciones pa a el diseño. [16] Tomando como e e encia los cálculos del capí ulo an e io -en la abla 4.1 - se ha es ablecido un lími e supe io de 9525.6 kg pa a la masa de los depósi os de gas na u al licuado. Es e alo se ob iene al compa a la masa de combus ible necesa ia pa a ealiza una misión equi alen e con ambos ipos de p opulsan e: 50114.4 kg de me ano en e a los 59640 kg de que oseno inicialmen e conside ados. Es impo an e des aca que es a es imación no incluye la masa de los componen es auxilia es del sis ema de almacenamien o, como bombas y ál ulas, ya que es os elemen os se conside an pa e de la masa acía de la ae ona e. El olumen de almacenamien o eque ido pa a el GNL es ep esen a i amen e mayo , alcanzando los 124.1553 m3 en compa ación con los 81 m3 de que oseno (Je A-1). Es a di e encia implica la necesidad de inco po a depósi os adicionales, ya sea en la bodega o en la zona subala . No obs an e, se man end á el ap o echamien o de los depósi os ala es exis en es en la medida de lo posible. Los depósi os se diseña án como cilind os de pa ed delgada, hipó esis álida siemp e que el espeso e del depósi o sea meno que una décima pa e del diáme o ( e<D 10 ). Es a ap oximación pe mi e simpli ica el análisis es uc u al al asumi una dis ibución de ensiones p ác icamen e uni o me a a és del espeso de la pa ed. En es e con ex o, se pueden aplica las ecuaciones clásicas de la esis encia de ma e iales pa a cilind os de bajo espeso , desp eciando la componen e adial de la ensión po se conside ablemen e meno que las componen es longi udinal y ans e sal. 49 50 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os La p esencia de un luido a p esión en el in e io de los depósi os gene a á un es ado ensional bidimensional. No obs an e, debido al educido espeso de las pa edes, la componen e adial de la ensión puede desp ecia se en p ime a ap oximación, ya que su magni ud es conside ablemen e meno que la ensión ans e sal. De es e modo, los es ue zos que con o man el es ado de ensión bidimensional son una ensión longi udinal y o a ans e sal, al y como se ep esen a en las imágenes siguien es: (a) Tensión longi udinal: dis ibución de ensiones a lo la go del eje del cilind o, p o ocadas po la p esión in e na. (b) Tensión ans e sal (ci cun e encial): isualiza- ción del es ado ensional en la sección ans e sal del depósi o. Se ep esen a la acción de la p esión in e na gene ando es ue zos en la pa ed del cilin- d o. Figu a 5.1 Rep esen ación de los es ados ensionales p edominan es en un depósi o cilínd ico some ido a p esión in e na [11]. Las exp esiones pa a su cálculo ienen dadas po las siguien es exp esiones: •Tensión longi udinal: σL=p 2 •Tensión angencial σ =p donde: •p: es la di e encia de p esión in e na y ex e na. • : es el adio. • : es el espeso de la pa ed. Po ello, pa a el diseño de los depósi os se aplica el c i e io de Von-Misses: σ m = 1 2[(σL−σ )2] = √3p 2 (5.1) 5.2 Localización de los depósi os. 51 5.2 Localización de los depósi os. La selección del emplazamien o de los depósi os de hid ógeno líquido es un aspec o cla e en el diseño de la ae ona e. Si bien la adición ha si uado los anques de combus ible en el in e io de las alas, la capacidad limi ada de es a con igu ación (81.000 li os) esul a insu icien e pa a almacena el olumen de me ano líquido eque ido ( 124.1553 li os). Aunque es udios ecien es sugie en una endencia hacia la sepa ación de los sis emas de almacenamien o y es uc u a, en es e caso se explo a án odas las al e na i as posibles pa a op imiza el diseño. Con el obje i o de inc emen a la capacidad de almacenamien o, se examina án di e en es op- ciones de ubicación, como la bodega de ca ga y la zona subala . Se analiza án las en ajas e incon enien es de cada al e na i a, conside ando ac o es como la accesibilidad, la segu idad, el impac o en el cen o de g a edad y la e iciencia ae odinámica. El obje i o es selecciona la con igu- ación que pe mi a maximiza la capacidad de almacenamien o sin comp ome e el endimien o de la ae ona e. 5.2.1 En el in e io de las alas. De mane a adicional, el combus ible de las ae ona es se ha almacenado en las alas, a la pa que en las supe icies de con ol, lo que pe mi e ap o echa , po an o el espacio disponible en su in e io . G acias a los planos del B-737 del ATA-28 [ 1 ], se puede conoce el sis ema de combus ible comple o de es a ae ona e, obse ando que odo el combus ible se almacena en el in e io de las alas y en el cajón cen al. Pe o cabe des aca que, pa a es e es udio odo el combus ible se encon a á en las alas, excluyendo, po an o la capacidad del anque cen al. Figu a 5.2 Esquema ATA-28 del b-737. Es a idea comen ada implica no conside a el olumen disponible en ese anque cen al, pe o al mismo iempo no se end á en cuen a el espacio pe dido po las cos illas en el in e io de las alas, lo que pe mi i á calcula el diáme o máximo de los depósi os que se ins ala án en las alas. Teniendo en cuen a la con igu ación o iginal donde se anspo an 81000L de combus ible, se es ima que cada ala albe ga 40500 li os. Con ayuda de los planos [ 9 ] del B-767 especi icados abajo 52 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os y conociendo la supe icie ala o al (283.3m2) Figu a 5.3 Planos de la Ae ona e. 5.2 Localización de los depósi os. 53 Se ha podido hace una ep esen ación del ala pa a así con la idea de isualiza la disposición de los anques den o de la misma. Figu a 5.4 Modelo del ala del B-767. Con es e modelo, hab ía que es a las á eas que ocupan las supe icies hipe sus en ado as, an o del bo de de a aque como de salida; además de es a un 15% ex a debido al desconocimien o del espacio pe dido po las cos illas y la gue illos del in e io del ala. De es a mane a se ob iene el espacio ese ado pa a los anques de combus ible del in e io del ala: Figu a 5.5 P oceso de ob ención de los depósi os en el ala. 54 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os Apoyándonos en las ilus aciones mos adas y conside ando las dimensiones de las alas así como la can idad de combus ible que deben de almacena ; se ob iene el espeso del ala, (g acias al pa áme o c del ala), y po an o, se ob iene que el diáme o máximo de los depósi os in e io es es de 574.45mm. Usando es e esul ado, se ha lle ado a cabo un diseño basado en un banco de depósi os cilínd icos donde se end ía un olumen macizo de 40629 li os. Con base en es a con igu ación inicial, hay que ene en cuen a que no odo es e olumen macizo pod á se empleado pa a el almacenamien o de combus ible, ya que se debe de es a el olumen que ocupa ían ambos depósi os. Además, hay que ene en cuen a que el olumen inal del depósi o depende á del espeso necesa io, el cual es á suje o al ma e ial empleado. Pues o que se ienen las dos alas, se iene un olumen macizo de 81258 li os, pe o como se concluyó an e io men e, se á necesa io lle a un o al de 124.155 m3 ; po es o es necesa io consegui almacena los 42.897 m3 es an es. 5.2.2 Bodega del a ión. Una de las p ime as opciones que se plan ean pa a abo da la cues ión del almacenamien o de combus ible que se necesi a, minimizando al máximo el impac o en la ae odinámica del a ión es la ins alación de anques en la bodega del a ión. Sin emba go, es a ubicación p esen a limi aciones. Aunque es posible pode adap a la bodega del B-767 pa a albe ga los anques en es a zona, se penaliza ía po an o, la capacidad de almacenaje pa a el equipaje de odos los pasaje os y de es e modo; disminui el con o de los pasaje os que no pod ían gua da sus male as en es a zona du an e el uelo. Figu a 5.6 Planos y olumen de la bodega de ca ga. En consecuencia, siendo una solución peo ae odinámicamen e hablando, se plan ea la siguien e al e na i a más iable: diseña depósi os debajo de las alas. Es a opción pe mi i ía una disposición de 4 anques de 10.724 m3 lo que sa is a ía los equisi os de combus ible sin comp ome e el espacio de almacenamien o del equipaje de los pasaje os de la ae ona e. Es a nue a disposición gene a una disyun i a en e la búsqueda de cumpli la capacidad de ca ga de la ae ona e- además de minimiza su impac o en la ae odinámica-, y así como en el con o de 5.3 E ec os en la ae odinámica. 61 Es a elección conlle a un meno impac o en el coe icien e de esis encia debido a una meno supe icie mojada. Desde el pun o de is a es uc u al, es os anques ambién implican un meno peso, ya que el espeso eque ido pa a sopo a la p esión de diseño es in e io a consecuencia de su meno diáme o. Po an o, eniendo en cuen a, an o conside aciones ae odinámicas como es uc u ales, se jus i ica la elección de anques de 1.6 me os de diáme o, cuya inclusión queda e lejada en la nue a pola de la ae ona e, que se p esen a a con inuación: Figu a 5.15 Compa ación en e las pola es. Queda decidido así, que la opción elegida es de 1.6m de diame o con una longi ud o al de 6.93m de los que, 3.6 me os co esponden al amo cilínd ico. Finalmen e, la con igu ación con el ala, se ía la siguien e: Figu a 5.16 Rep esen ación del ala comple a. Concluido el es udio de las di e en es opciones posibles y de e minada la con igu ación más iable pa a el caso de es udio, se ía ace ado compa a es e esul ado con las con igu aciones más comunes u ilizadas en la ac ualidad. 62 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os B-52 S a o o ess Ac ualmen e, el uso de depósi os ex e nos es habi ual en a iones mili a es. Un ejemplo de g an amaño es el B-52 S a o o ess [ 8 ], que cuen a con dos anques ex e nos de 30000 galones cada uno (equi alen es a 11356.24 li os), con dimensiones de 6.65 m de longi ud y un diáme o ap oximado de 1.5 m. Es a ae ona e iene una longi ud de 48.5 m, lo que ep esen a un 9% menos que el B-767, y su en e gadu a es de 56.4 m, un 17.39% mayo que la del B-767. Es as p opo ciones son aco des con el p opósi o del B-52, diseñado como un bomba de o es a égico subsónico de la go alcance. Cabe des aca que, aunque el B-767 es simila al B-52, los depósi os añadidos al B-767 pa a pode ealiza misiones simila es con me ano líquido son un 4% más g andes que los del B-52. Figu a 5.17 B-52 S a o o ess. 5.4 Ma e iales De inida la geome ía de los depósi os des inados a con ene hid ógeno líquido, es c ucial analiza cuál es el ma e ial más adecuado pa a es e in, eniendo en cuen a ac o es como el peso, la compa ibilidad con el GNL y los eque imien os es uc u ales. Es undamen al eco da que el peso o al de los depósi os no debe supe a los 41954 kg, ya que, de lo con a io, se end ían que ajus a o os pa áme os de la ca ga ú il pa a no sob epasa el MTOW (Maximum Takeo Weigh ) de la ae ona e. Conside ando es os aspec os, se analiza án los siguien es ma e iales: una aleación de aluminio- magnesio, ace o inoxidable y i anio come cial. 5.4.1 Conside aciones es uc u ales Pa a ga an iza la es abilidad es uc u al de los depósi os, se u iliza á la exp esión de la ensión equi alen e de Von Mises, al como se mencionó al inicio de es e capí ulo. De una pa e, la p esión c í ica del GNL es á en o no a 3 y 5 ba es, pe o como medida de segu idad, se es ablece á una p esión de diseño mecánico de 10 ba es debido a la posible ince idumb e. DE o a pa e, se aplica á un ac o de segu idad de 1.5 al lími e elás ico del ma e ial u ilizado, pa a así aumen a la segu idad es uc u al de los anques. Se conside a á que el líquido pe manece de mane a es á ica en el in e io del depósi o, esul ado de una p esión uni o me y cons an e. Es a hipó esis puede ene alidez, g acias a los pa áme os de segu idad es ablecidos. Incluso en el momen o de máxima acele ación, es deci , du an e el despegue 5.4 Ma e iales 63 y el a e izaje, no se espe a un aumen o signi ica i o de la p esión debido al mo imien o del líquido, el cual se puede calcula con ayuda a la luidoes á ica: p(x,z)+ρU=c e;donde U =gz +a0x donde: pes la p esión del depósi o. ρ es la densidad del líquido, de 471.3 kg/m3 .ges el alo de la g a edad, de 9.81 m/s2 .zes el alo de la coo denada z del eje pe pendicula al ondo del depósi o. aes el ec o acele ación del depósi o.xes el ec o posición. Figu a 5.18 Si uación del depósi o de GNL. Pa a pode lle a a cabo es o, se in e ponen las condiciones de con o no en z y x: z=H0yx =0 , coincidiendo con el plano medio del depósi o y la supe icie luida, donde p(x1,H0) = p0 que se se asumi á como 9.5 ba es. La exp esión de p esiones en el in e io del depósi o queda como: p(x,z)−p0=ρ(g(H0−z)−a0x)(5.7) La acele ación máxima ocu e du an e el despegue alcanzando un alo de 2.73 m/s2 , al y como se obse a en la siguien e g á ica: 64 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os Figu a 5.19 E olución de la acele ación du an e el uelo.. Teniendo en cuen a las medidas del depósi o, se ob iene que la p esión máxima en el pun o más des a o able es de 10.2 ba es. Es o con i ma que no exis en aumen os ele an es en la p esión debido a las acele aciones de la ae ona e du an e el pe il de uelo, a causa de p incipalmen e a la baja densidad del GNL y de que las acele aciones no son al as. Con odas es as conside aciones sob e la mesa, se puede empeza a discu i qué ma e ial emplea en el diseño de los anques. 5.4.2 Aleación aluminio-magnesio. La aleación de magnesio AZ31B [ 2 ] se ca ac e iza po un lími e elás ico de 260 MPa y una densidad de 1770 kg/ m3 , ampliamen e empleada en la indus ia ae oespacial, se conside a en es e es udio debido a las siguien es en ajas: •Peso lige o. El magnesio es el me al es uc u al más li iano, lo que pe mi e una educción impo an e del peso del a ión. Dado que en las ae ona es el peso es un ac o c í ico pa a la e iciencia del combus ible, es a p opiedad es una en aja conside able al diseña anques c iogénicos que deben se lige os pa a maximiza el endimien o del uelo. •Al a elación esis encia/peso. Aunque más lige a, la aleación AZ31B p opo ciona una buena esis encia en elación con su peso, lo cual pe mi e man ene la in eg idad es uc u al del anque sin ag ega excesi o peso adicional. Es o es esencial pa a maximiza la capacidad de almacenamien o de GNL sin comp ome e la segu idad. •Facilidad de con o mado. La aleación AZ31B es ela i amen e ácil de con o ma en ío, acili ando la c eación de 5.4 Ma e iales 65 o mas complejas pa a los anques c iogénicos. Es o es pa icula men e impo an e cuando se equie e que los depósi os encajen en es uc u as es ingidas den o del uselaje del a ión. •P opiedades de amo iguación de ib aciones. El magnesio iene buenas p opiedades de amo iguación de ib aciones, aspec o que pue- de con ibui a educi la a iga es uc u al en los anques p oducidas po las ib aciones p oducidas du an e el uelo. Es o es un pun o impo an e pa a ga an iza la du abilidad y con iabilidad del anque a la go plazo. •Compa ibilidad é mica. El magnesio iene un coe icien e de expansión é mica bajo, ci cuns ancia en ajosa en condiciones de empe a u as ex emadamen e bajas, como es el caso del almacenamien o de GNL a -197°C. Es o minimiza la de o mación del anque an e a iaciones é micas, c ucial en ope aciones c iogénicas. Sin emba go, p esen a las siguien es des en ajas: •Baja esis encia a la co osión. Aunque la aleación AZ31B iene mejo esis encia a la co osión que el magnesio pu o, sigue siendo suscep ible a la co osión, especialmen e en p esencia de humedad o ambien es ag esi os, como los encon ados en la a iación. En los anques c iogénicos de GNL, es o pod ía ep esen a un iesgo que obliga ía a aplica a amien os o ecub imien os p o ec o es adicionales, lo que aumen a ía los cos os de ab icación y man enimien o. •Duc ilidad limi ada a bajas empe a u as. A empe a u as c iogénicas, la duc ilidad del magnesio puede e se a ec ada y pod ía hace que el ma e ial se uel a ágil. Pa a anques que deben sopo a ciclos de llenado y aciado con cambios de p esión, es a agilidad a bajas empe a u as pod ía se un p oblema de segu idad. •Riesgo de in lamabilidad. Po más que es e iesgo es á más elacionado con el p oceso de ab icación y manipulación del ma e ial, es impo an e esal a que el magnesio, en o ma de pol o o i u as, puede se in lamable, po lo que pod ía eque i medidas de segu idad adicionales du an e la p oducción de los anques. •Baja esis encia a al as empe a u as. Si bien los anques de GNL almacenan el gas a empe a u as muy bajas, du an e las ases de uelo en condiciones ambien ales ex emas o en caso de allos, es i al no ol ida que la aleación AZ31B iene una baja esis encia a al as empe a u as, condición que pod ía limi a su desempeño en algunas si uaciones c í icas. •Cos e. Pese a que el magnesio ha is o una educción en sus cos os, sigue siendo más ca o de p ocesa en compa ación con o as aleaciones, como es el caso del aluminio. Es a ci cuns ancia, sumada a los equisi os de p o ección con a la co osión y las posibles complicaciones de ab icación, pod ía aumen a el cos o o al de p oducción de los anques. En de ini i a, la aleación AZ31B o ece en ajas impo an es en é minos de lige eza y con o - mabilidad y iene limi aciones signi ica i as pa a su uso en anques c iogénicos de hid ógeno en a iones. Su baja esis encia a la co osión y la posible agilidad a bajas empe a u as son ac o es c í icos que con iene conside a . Pa a que sea iable su uso, se ían necesa ios a amien os adicio- nales o combina la con o os ma e iales o e es imien os que mejo en su esis encia en condiciones c iogénicas, escena io que ambién pod ía ele a los cos os de ab icación. Con los da os mecánicos ob enidos, se pueden calcula los espeso es de los anques eniendo en cuen a las conside aciones es uc u ales an e io es: 66 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os Depósi o en el in e io de las alas. Al lle a se a cabo el es udio de es os depósi os, se indicó que enían un olumen de 40.629 m3 y un diáme o de 574.55mm. Po ello, aplicando la exp esión de Von Misses se concluye que los depósi os de la aleación de aluminio deben ene un espeso de 3.99mm; es o nos lle a a un peso de 777.4851 kg po semiala. Depósi os debajo de las alas. Siguiendo el mismo p ocedimien o de Von Misses que en el caso an e io , se llega a un espeso de 1.453mm, de donde esul a un peso de 221.2601 kg po cada uno de los depósi os, con una capacidad de almacenamien o de 12.4 m3po depósi o. Depósi os de la bodega. Con el mismo mé odo de Von-Misses se llega a un espeso de 3.7479 mm pa a el depósi o p incipal y de 2.4986 pa a los secunda ios. Es o a oja un peso de 958kg y un olumen de 53.7669 De es a mane a, se ob ienen los siguien es esul ados pa a ambas con igu aciones: • Depósi os in e nos y ex e nos en las alas: se calcula que el peso o al de los anques de AZ31B es de 2440.0106kg; a es o se añade un 15% debido al peso añadido po los anclajes y e ue zos pe inen es del ala des inados a la ins alación de cada uno de los mismo, llegando, po an o, a 2806.01219 kg. Con es os cálculos, se ob iene un olumen o al de 126.85 m3 , además de un ma gen másico de 6719.5871 kg dedicado a aislan es y como úl ima opción a aumen a la capacidad o el alcance del B-767. • Depósi os in e nos de las alas y en la bodega: en es a con igu ación se calcula que el peso o al de los anques de AZ31B es de 2890.30kg, ya con el ma gen comen ado del 15% de donde se ob iene un olumen o al de 130.75 m3 ; además, un ma gen másico de 6635.31 kg des inados a aislan es y la posible op imización del p oceso. 5.4.3 Ace o Inoxidable. El siguien e ma e ial suje o de análisis es el ace o inoxidable [ 3 ]; ca ac e izado po un lími e elás ico 550 MPa y una densidad de 7900 kg/m3. Además p esen a las siguien es en ajas: •Al a esis encia a la co osión. El ace o inoxidable es al amen e esis en e a la co osión, p opiedad pe en o ia cuando se abaja con GNL,dado su ca ác e co osi o en de e minadas condiciones. •Resis encia mecánica. Mues a una excelen e esis encia a la acción, lo cual pe mi e con ene el GNL bajo al as p esiones sin comp ome e la in eg idad es uc u al del anque. •Buena esis encia a empe a u as ex emas. El ace o inoxidable man iene sus p opiedades mecánicas, an o a empe a u as muy bajas -como las alcanzadas en el almacenamien o de me ano c iogénico- como a al as empe a u as. •Du abilidad. Se a a de un ma e ial muy du ade o y capaz de sopo a ciclos epe idos de expansión y con acción sin de e io a se ácilmen e. •Impe meabilidad al GNL. A di e encia de algunos o os ma e iales, el ace o inoxidable iene baja pe meabilidad al GNL, lo que educe el iesgo de ugas a ni el molecula . 5.4 Ma e iales 67 •Disponibilidad y expe iencia en su uso. El ace o inoxidable es ampliamen e disponible y exis en muchas écnicas bien es ablecidas pa a ab ica lo y solda lo. Po con a, p esen a di e sas des en ajas: •Peso. Aunque es esis en e, el ace o inoxidable es más pesado que o os ma e iales como las aleaciones de aluminio o los compues os a anzados. Es o puede se un incon enien e en aplicaciones ae onáu icas, donde el peso es un ac o de e minan e pa a la e iciencia del combus ible. •Cos o. El ace o inoxidable es más ca o que algunas al e na i as, como el aluminio o algunos plás icos e o zados con ib a. Es e cos o puede aumen a con los g ados de ace o más a anzados eque idos pa a sopo a condiciones ex emas. •F agilización po hid ógeno. A pesa de su esis encia, el ace o inoxidable puede e se a ec ado po la agilización inducida po el hid ógeno, donde á omos de hid ógeno pene an en el ma e ial y lo debili an con el iempo. •Conduc i idad é mica. P esen a una conduc i idad é mica más baja en compa ación con algunos me ales como el aluminio, pod ía supone un p oblema en la ges ión é mica del anque de GNL. •Di icul ades en la soldadu a c iogénica. Como es conocido, el ace o inoxidable se puede solda ; sin emba go, la in eg idad de las soldadu as a empe a u as c iogénicas puede e se comp ome ida, si uación que eque i ía con oles de calidad muy igu osos y écnicas de soldadu a especializadas. •Expansión é mica Que ace o inoxidable enga un coe icien e de expansión é mica ela i amen e al o, signi- ica que puede expandi se o con ae se signi ica i amen e cuando se some e a cambios de empe a u a, y po an o, que puede gene a ensiones en el anque. En sín esis,el ace o inoxidable o ece una excelen e esis encia y du abilidad pa a aplicaciones c iogénicas, pe o an o el peso, como el cos o y la posibilidad de agilización po hid ógeno lo hacen menos ace ado pa a a iones de la go alcance, donde la e iciencia es c í ica. En algunos casos, las aleaciones lige as o ma e iales compues os pod ían o ece un mejo balance en e endimien o y peso. Con odos los da os mecánicos ob enidos, se pueden calcula los espeso es de los anques eniendo en cuen a las conside aciones es uc u ales an e io es: Depósi os en el in e io de las alas. Aplicando nue amen e la exp esión de Von-Misses, se ob iene un espeso de 0.6785 mm lo que dispone un peso de 1642.64kg po semiala. Depósi os debajo de las alas. En es e caso se ob iene un espeso de 1.889mm, lo que lle a a un peso de 467.203 kg po cada depósi o, es o es, un peso o al de 1868.81 en o al y un olumen de 12.47 m3 po depósi o y un o al de 49.89 m3 68 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os Depósi os en la bodega. En es a si uación se ob iene un espeso de 1.8mm pa a el depósi o p incipal y de de 1.2 mm en los secunda ios, es o a oja un peso de 2028.3kg y un olumen de 54.052 m3. Po odo lo an e io , se calcula que: •Depósi os in e nos y ex e nos en las alas: Se calcula que el peso o al de los anques de ace o inoxidable es de 5154.01 kg. A es o se le añade un 15% debido al peso añadido po los anclajes y e ue zos pe inen es del ala pa a la ins alación de cada uno de los mismo, llegando, po an o, a 5927.1152 kg. Con es os cálculos, se ob iene un olumen o al de 127.24 m3 ; además, de un ma gen másico de 3598.48 kg dedicado a aislan es y, como úl ima opción, aumen a la capacidad o el alcance del B-767. •Depósi os in e nos y en la bodega: Se calcula que el peso o al de los anques de ace o inoxidable es de 6110.525kg con el ma gen comen ado del 15% de donde se ob iene un olumen o al de 131.44 m3 ; además, un ma gen másico de 3415.075 kg des inados a aislan es y la posible op imización del p oceso. 5.4.4 Ti anio. Finalmen e, el úl imo ma e ial a alo a es el i anio [ 4 ], ca ac e izado po un lími e elás ico si uado en e los 330 y 500 MPa - se oma á un alo p omedio de 415 MPa- y con una densidad de 4500 kg/ m3 . En p ime luga se comen a án las en ajas de la implemen ación de es e ma e ial en los anques: •Al a esis encia a la co osión. El hecho de que el i anio iene una excelen e esis encia a la co osión, especialmen e en en o nos ag esi os, que lo con ie e en un ma e ial ideal pa a almacena GNL que puede se co osi o a la go plazo. •Resis encia a bajas empe a u as. El i anio man iene su esis encia mecánica incluso a empe a u as ex emadamen e bajas, como las necesa ias pa a almacena GNL en su o ma líquida (ap oximadamen e -197°C). A di e encia de o os ma e iales, el i anio no se uel e ágil en es as condiciones. •Relación esis encia-peso. El i anio p esen a una de las mejo es elaciones esis encia-peso en e los me ales. Es o es decisi o en aplicaciones ae onáu icas, donde se busca educi el peso o al del a ión sin comp ome e la segu idad ni la in eg idad es uc u al del anque. •Du abilidad y ida ú il. La du abilidad de los anques de i anio ienden a se muy du ade os, los con ie e en idóneos pa a aplicaciones que se equie en una ida ú il p olongada sin necesidad de man enimien o in ensi o. •Compa ibilidad con hid ógeno. El i anio es menos suscep ible a la agilización po hid ógeno en compa ación con o os ma e iales me álicos, lo que mejo a la segu idad y la con iabilidad de los anques en con ac o con hid ógeno líquido. A con inuación, se alo an sus des en ajas: 5.4 Ma e iales 69 •Al o cos o. El i anio es signi ica i amen e más ca o que o os ma e iales como el aluminio o algunos ace os inoxidables. El cos o de ex acción y p ocesamien o del i anio es ele ado, lo cual inc emen a el p ecio inal del anque. •Di icul ad de ab icación. El i anio es di ícil de abaja y ab ica , ya que equie e equipos especializados y écnicas a anzadas, como soldadu a en a mós e as con oladas. Es o puede aumen a el iempo de p oducción y los cos os asociados. •Disponibilidad limi ada. Compa ado con o os me ales el i anio no es ex emadamen e a o, si se compa a con o os me ales, lo que puede impac a la cadena de suminis o y la capacidad de p oducción a g an escala. •Baja conduc i idad é mica. El i anio iene una baja conduc i idad é mica, que pod ía no se la ideal en aplicaciones donde el con ol de la empe a u a del anque es c í ico. Es o puede eque i un mayo aislamien o é mico si se co eja con o os ma e iales. •Densidad ela i amen e al a. Con una excelen e elación esis encia-peso,el i anio es más denso que ma e iales como el aluminio, lo que pod ía se un incon enien e en algunos diseños de anques lige os. En conclusión, el i anio es un ma e ial excepcionalmen e ue e y esis en e a la co osión, excelen e en aplicaciones que equie en sopo a condiciones ex emas, como el almacenamien o de GNL. Sin emba go, su al o cos o, di icul ad de p ocesamien o y o os ac o es limi an su uso gene alizado en la indus ia ae onáu ica. Si el p esupues o y la p oducción a g an escala no son limi an es, el i anio es una opción muy a ac i a. Teniendo odos es os da os sob e la mesa y p ocediendo como ya se ha hecho, con los dos ma e iales an e io es, se calculan los espeso es necesa ios pa a la implemen ación de es os anques en el B-767. Depósi os en el in e io de las alas. Pa a es e caso el espeso calculado es de 0.8993mm lo que implica un peso de 1239. kg po semiala, el olumen disponible queda como 43.03 m3. Depósi os debajo de las alas. Pa a es os depósi os se calcula un espeso de 2.5048mm lo que esul a en un peso de 352.64 kg po depósi o, con un olumen de 49.7912 m3capaz de po a el olumen necesa io. Depósi os en la bodega. Pa a es os depósi os se ob ienen unos espeso es de 2.3mm pa a los p incipales y de 1.6mm pa a los secunda ios, ello a oja un peso o al de 1527.6 kg y un olumen o al de 53.97 m3. De es a o ma, se pueden ob ene los siguien es esul ados: • Depósi os in e nos y ex e nos en las alas: se ob iene un peso o al de 3889.76 kg a los que añadimos el 15% de misceláneos, llegando a un peso de 4473.224kg. Resul a un ma gen o al de 5052.376 kg que pueden se dedicados a aislan es o a la mejo a de las ca ac e ís icas de la ae ona e. Además se ob iene un olumen disponible de 127.12 m3. • Depósi os in e nos y en la bodega: en es e segundo caso se ob iene un peso con ando con ese 15% des inado a anclajes de 5535.07kg con un olumen disponible de 131.24 m3 ; deja, 70 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os po an o,un ma gen másico de 3990.535kg pa a posibles mejo as de la con igu ación y la in oducción de aislan es. 5.4.5 Compa ación de esul ados Una ez lle ado a cabo el es udio compa a i o en e los ma e iales, se llega a las siguien es conclu- siones: • En p ime luga , se concluye la necesidad de emplea ecub imien os que e i en posibles p oblemas de la agilización del ma e ial po las pa ículas de GNL. Es o se debe al amaño del hid ógeno a ómico, causan e de que pueda in undi se en los ma e iales y, po an o agilizándolos. • En segundo luga , espec o a la esis encia a la co osión, ac o más que impo an e en la indus ia ae oespacial donde la exposición a ambien es ag esi os es muy común, los es ma e iales some idos a examen p esen an buenas p opiedades, des acando el i anio sob e odos ellos. Sin emba go, el i anio p esen a una mayo complejidad de ab icación, da o que enca ece el p oceso; po con a el ace o es el más ba a o de los es analicados. • En e ce luga , espec o al peso, se obse a que los es ma e iales son álidos pa a cumpli con las imposiciones mecánicas y olumé icas es ablecidas p e iamen e; po ello odos son suscep ibles a se u ilizados en el es udio. El ace o es suscep ible a desca a se debido al poco ma gen másico que a oja as el es udio sin ene en cuen a las apo aciones de los aislan es y ecub imien os de los depósi os. Po el con a io, el aluminio es el que apo a mejo esul ado, con un ma gen de 6719.588 kg. Se ha escogido el aluminio 2024 -3 dado que es el ecub imien o más empleado en la indus ia ae oespacial. P esen a una densidad de 2780 kg/ m3 y con un espeso de 2mm, se ob iene un aumen o de 871.4128kg en las con igu aciones p esen adas. Todo es o se mues a de mane a esumida en la siguien e abla: Tabla 5.3 Compa ación en e ma e iales pa a la con igu ación de depósi os in e nos en el ala y depósi os ex e nos. Ma e ial Espeso in e no [mm] Espeso ex e no [mm] Peso o al [kg] Capacidad [m3] Ma gen [kg] Aleación Al-Mn 3.99 1.453 3677.42 126.85 5848.18 Ace o inoxidable 0.6785 1.889 6798.53 127.24 2727.07 Ti anio 0.8993 2.505 5344.64 127.39 4180.96 Tabla 5.4 Compa ación en e ma e iales pa a la con igu ación de depósi os in e nos en el ala y en la bodega. Ma e ial Espeso p incipal [cm] Espeso secunda io [cm] Peso o al [kg] Capacidad [m3] Ma gen [kg] Aleación Al-Mn 3.7479 2.4986 3761.71 130.85 5763.89 Ace o inoxidable 1.8 1.2 6981.94 131.44 2524.67 Ti anio 2.3 1.6 6406.41 131.24 3119.15 Respec o a las ablas 5.3 y 5.4 , pueden ex ae se a ias conside aciones ele an es en elación con los ma e iales seleccionados y los espeso es empleados pa a la con igu ación es uc u al de los depósi os: • Se ha ga an izado que la capacidad o al de combus ible almacenado supe e la eque ida pa a la misión, cumpliendo así con los obje i os ope a i os del es udio. 5.5 T ansmisión de calo : e apo ación del gas na u al licuado. 77 • kes la conduc i idad de los ma e iales. El depósi o es á o mado po 3 capas: la del ma e ial esi en e, aislamien o y e es imien o, cada una con una con ec i idad p opia. • son los adios de cada capa, En p ime a ins ancia, se conocen los alo es de 1 y 2 ya que son los es án asociados a los espeso es de los depósi os; 3 depende á del espeso del aislan e y 4 se conoce á una ez de inido 3 , pues se es ablece un espeso de e es imien o de 2mm. Re e ido an e io men e, se á casi a ciencia cie a la ins alación de aislan es al ededo de los depósi os pa a pode man ene el es ado líquido del combus ible. Con es a in ención y a modo de es udio, se an a compa a los esul ados en e los esul ados sin aislan e y con una capa aislan e lo que pe mi i á compa a el uncionamien o de ambos casos. Hay da os comunes pa a ambas si uaciones, como el cocien e de película ex e no asociado al ai e y el in e no asociado al me ano líquido. Pa a la de e minación de los coe icien es de película se á necesa io calcula el núme o de Nussel (Nu): Nu =hLc k(5.9) La de e minación del Nussel se necesi a con a con los alo es e modinámicos del ai e y del GNL. Además de es e, ambién se á necesa io calcula o os núme os adimensionales como el P and l, G asho y Reynolds. Todos ellos de inidos de la siguien e mane a: 1. P and l (P ): elación en e la iscosidad cinemá ica y la di usi idad é mica del luido: P =ν α(5.10) 2. G asho (G ): elación en e las ue zas de lo abilidad y las ue zas iscosas. G =gβ∆TL3 ν2(5.11) 3. Reynolds (Re): elación en e ue zas ine ciales y las ue zas iscosas de un luido. Re =ρVL µ(5.12) Si se quie e o ece un es udio con bases co ec as, se an a lle a a cabo simulaciones con y sin aislan es de modo que pe mi a con on a de o ma de allada la e iciencia é mica, las pé didas y man enimien o del es ado líquido del combus ible en las condiciones de la misión a lle a a cabo. Es os esul ados o ece án una idea pa a la con o mación de una base sólida en la oma de decisiones en cuan o al diseño inal del sis ema de almacenamien o. Coe icien e de película con el ai e ex e io El coe icien e de película (h) es un pa áme o cla e en el es udio de la ans e encia de calo po con ección. Pa a calcula es e alo , se e alua án dos si uaciones: el despegue y el uelo en c uce o, ya que ambas p esen an di e encias no ables en las condiciones de lujo y empe a u a. A pa i de es e análisis, se selecciona á el escena io más c í ico con el que e alua el impac o p oducido. El cálculo del coe icien e de película equie e el uso de co elaciones empí icas que elacionan h con las ca ac e ís icas del luido, la geome ía del sis ema y las condiciones del lujo. En es e caso, el enómeno é mico se clasi ica como con ección o zada ex e na con lujo pa alelo al con o no del depósi o. Po an o, esul a ap opiado emplea una co elación empí ica basada en el núme o de Reynolds, ya que es e pa áme o pe mi e ca ac e iza adecuadamen e el égimen del 78 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os lujo y, en consecuencia, de e mina con p ecisión el coe icien e con ec i o asociado. Los da os pa a las simulaciones son los siguien es: Tabla 5.5 P opiedades del ai e a di e en es al i udes. Al i ud [km] Densidad [kg/m3] Viscosidad [Pa·s] Capacidad calo í ica [J/kg·K] Conduc i idad é mica [W/m·K] 0 1.225 1.826×10−51007 25.51×10−3 10.5 0.412 1.46×10−5995 22.32×10−3 La longi ud ca ac e ís ica (L) pa a los depósi os ex e io es se conside a de una longi ud de 6.93m. Con es e escena io se calculan los siguien es Reynolds: •Despegue: Re = 1.099 ×108. •C uce o: Re = 4.623 ×107. Pa a los depósi os in e io es de las alas se asume que la con ección ocu e con la supe icie ala y no con el juego de ubos, ya que es os no es án en con ac o di ec o con el ai e ex e io . En es e caso, la longi ud ca ac e ís ica (L) se oma como la cue da media de 6.98m. Con lo que se calculan los siguien es Reynolds: •Despegue: 3.37×107. •C uce o: 4.66×107. Pa a los depósi os in e nos en la bodega se asume que la con ección ocu e con la supe icie del uselaje de la ae ona e y no con el juego de depósi os in e nos, pues o que es os no es án en con ac o di ec o con el ai e ex e io . En es e caso, la longi ud ca ac e ís ica (L) se oma á como la longi ud de la bodega ocupada po los anques; es deci , de 16.27m. •Despegue: Re = 1.099 ×108. •C uce o: Re = 4.623 ×107. En base a los alo es de Reynolds calculados, la co elación de Chil on-Colbu n [ 22 ] esul a la adecuada pa a es e caso: NuL= (0.037Re4/5 L−871)P 1/3(5.13) Con es o, al a ía de e mina el núme o de P and l, pe o pa a ello es necesa io ob ene la iscosidad cinemá ica y la di usi idad é mica, que se calcula como: ν=µ ρ α=k ρcp (5.14) Quedando los siguien es esul ados pa a las p opiedades del ai e: Tabla 5.6 Resul ados pa a el P and l. Si uación ν[m2/s]α[m2/s]P Despegue 1.49×10−52.07×10−50.723 C uce o 3.54×10−55.44×10−50.651 Con los alo es de Re y P ya calculados, se ob iene el núme o de Nussel con o me a 5.13 y a pa i de ahí se calcula el coe icien e de película pe inen e: 5.5 T ansmisión de calo : e apo ación del gas na u al licuado. 79 •Despegue: – Pa a los anques ex e io es en Nu es de 89177.537 y po an o, el coe icien e de película es de 328.271 W/m2K. – Pa a los anques de alas se iene un Nu de 34160.57 y el coe icien e de película es de 124.847 W/m2K. – Pa a los anques de la bodega se iene un Nu de 177268.9166 y el coe icien e de película es de 277.94. W/m2K •C uce o: – Pa a los anques ex e io es el Nu es de 42696.2583 y su coe icien e de película es de 137.5152W/m2K. – Pa a los anques del ala el Nu es de 42974 y su coe icien e de película es de 107.419 W/m2K. – Pa a los anques de la bodega se iene un Nu de 84909.653 y el coe icien e de película es de 116.483 W/m2K. Como se puede ap ecia en los esul ados ob enidos; la si uación más es ic i a es en el despegue ya que el coe icien e de película es más ele ado y, po an o, exis i á mayo ans e encia de calo . Con el desa ollo del coe icien e de película del GNL in e no, es a emos en disposición de alo a si es e anula al ya calculado. 80 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os Coe icien e de película del me ano in e no Al igual que en el caso del ai e ex e io , es necesa io u iliza una co elación pa a calcula el núme o de Nussel (Nu) y, con ello, es ablece el coe icien e de película (h) co espondien e a la con ección na u al en me ano líquido a -197°C. Pa a es a si uación, la co elación más ap opiada es la analogía p opues a po Chu chill y Chu [ 22 ] pa a con ección lib e en un cilind o ho izon al la go. Es a analogía es álida pa a un ango de alo es más amplios pa a el Raleigh en con ección na u al; quedando su exp esión de la siguien e mane a: NuD=  0.60 +0.387Ra1/6 D h1+0.559 P 9/16i8/27    2 (5.15) En es a co elación mencionada, se necesi a calcula el núme o de Raleigh (Ra) y el P and l (P ). Las ca ac e ís icas del hid ógeno c iogénico son las siguien es: Tabla 5.7 Ca ac e ís icas del me ano. Densidad Viscosidad Capacidad Conduc i idad Coe icien e de (kg/m3) (Pa·s) calo í ica é mica expansión é mica (J/kg·K) (W/m·K) (1/K) 471,3 1.9391×10−43367.3 0,21126 0,0133 Con es os da os p esen ados, ob enemos los siguien es esul ados: Tabla 5.8 Resul ados pa a el me ano. ν[m2/s]α[m2/s]P 4.11×10−71.331×10−73.09 Dado que el núme o de Rayleigh puede ob ene se median e la exp esión Ra =A(P ·G )n[27], y conside ando que, pa a la geome ía cilínd ica de los anques diseñados, los alo es empí icos son A=1yn=1, se concluye que el núme o de Rayleigh se educe a: Ra =P ·G Pa a el cálculo del núme o de G asho ( G ), se oma á como longi ud ca ac e ís ica el diáme o de los depósi os. Es a conside ación pe mi e dis ingui cla amen e en e los depósi os ex e io es e in e io es, ya que sus dimensiones ca ac e ís icas di ie en, lo cual in luye di ec amen e en los alo es de con ección na u al asociados a cada caso. • Depósi os ex e nos: con unos depósi os de 1.6m de diáme o se ob iene un G = 7.055×1014 . Con es o se calcula un Ra = 2.18 ×1015 y un Nu = 16182.35. Finalmen e, un coe icien e de película de 258.007 W/m2K • Depósi os in e nos: con unos depósi os de 0.57445m de diáme o se ob iene un G = 3.265× 1014 . Con es ose calcula un Ra = 1.0089×1014 y un Nu = 5846.665. Finalmen e, un coe icien e de película de 259.637 W/m2K •Depósi os en la bodega: 5.5 T ansmisión de calo : e apo ación del gas na u al licuado. 81 – Depósi os p incipales: eniendo un diáme o de 1.5m, se ob iene un G = 5.813×1014 . Con es o se calcula un Ra = 1.796×1015 y un Nu = 15174.905. Finalmen e, un coe icien e de película de 258.07 W/m2K. – Depósi os secunda ios: eniendo un diáme o de 1m, se ob iene un G = q.722 ×1014 . Con es o se calcula un Ra = 5.322×1015 y un Nu = 10139.091. Finalmen e, un coe icien e de película de 258.648 W/m2K. Dichos esul ados son ele ados pe o lógicos con los núme os adimensionales ob enidos, ya que un núme o de G asho y un núme o de Rayleigh muy ele ados indican un égimen de con ección muy ele ado. Po an o, se á i al el uso de aislan es pa a su iabilidad. 5.5.2 Si uación sin aislan e. Al no emplea aislan es, la si uación queda como: Q=Ti−Te 1 hiA1+ln( 2 1) 2πk1L+ln( 3 2) 2πk2L+1 heAe =hequA e (Ti−Te)(5.16) Pa a los depósi os ex e nos y omando su supe icie ex e na como e e encia, se iene: Tabla 5.9 Coe icien es de películas según el ma e ial del depósi o ex e io . Ma e ial Conduc i idad é mica (W/m·K) Á ea de e e encia (m2) Coe icien e de película equi alen e (W/m2·K) Aleación de aluminio 100 50.21 186.6578 Ti anio 180 50,21 186.6926 Po o o lado, pa a los depósi os in e io es, omando el á ea de la semiala y además eniendo en cuen a que se asume que la conducción de calo es con el p opio ai e in e no del ala y no di ec amen e con el ai e inciden e de la co ien e ex e na,la ó mula queda ía como: Q=Ti−Te ln( 2 1) 2πk1L+ln( 3 2) 2πk2L+1 heAe =hequA e (Ti−Te)(5.17) Tabla 5.10 Coe icien es de películas según el ma e ial de los depósi os in e nos. Ma e ial Conduc i idad é mica (W/m·K) Á ea de e e encia (m2) Coe icien e de película equi alen e (W/m2·K) Aleación de aluminio 100 283.3 4.4456 Ti anio 180 283.3 4.4457 En es e con ex o, la ae ona e puede queda se sin combus ible po dos mo i os p incipales: el p ime o, y el más e iden e, es que ha ago ado odo el combus ible disponible (conside ando además que una pa e se e apo a). El segundo mo i o es que se ha alcanzado el pun o c í ico del hid ógeno en los depósi os, lo que ha p o ocado que odo el combus ible se con ie a en gas. Po ello esul a indispensable moni o ea el compo amien o de los depósi os p esen es en la con igu ación al obje o de conoce la e olución de la masa líquida y de gas den o de los mismos, po un lado y con ola la p esión y e i a así que es a aumen e en exceso, cuyo p incipal e ec o se ía la e apo ización de odo el líquido, po o o. Con es e p opósi o, se ha lle ado a cabo un con ol sob e los depósi os po medio de la imple- men ación de una una se ie de códigos de MATLAB. 82 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os 5.6 Con ol de la e olución de los depósi os Una ez de inida la a qui ec u a mecánica de los depósi os de almacenamien o de gas na u al licuado (GNL), esul a undamen al ca ac e iza el compo amien o e modinámico del combus ible a lo la go de oda la en ol en e de uelo. Dado que el me ano expe imen a a iaciones en sus p opiedades ísicas y de ase debido a las condiciones ope a i as de la ae ona e, es necesa io desa olla un modelo p eciso que pe mi a analiza su e olución den o de los anques. En es e capí ulo se de alla la me odología empleada pa a el modelado del in e io de los depósi os, incluyendo los p incipios ísicos, ecuaciones undamen ales y ap oximaciones compu acionales u ilizadas en su implemen ación. Como se ha mencionado en apa ados an e io es, en la con igu ación inicial, los depósi os es a án llenos de GNL en condiciones c iogénicas pa a alimen a el mo o de la ae ona e. Dado el compo amien o del me ano, se debe ga an iza que el sis ema ope e siemp e den o de la campana de la zona bi ásica. Es o plan ea di e sas di icul ades, pues el consumo de combus ible a lo la go de la misión p o oca á un aumen o de la p esión en el depósi o. Además, debido a la baja empe a u a del GNL, la ans e encia de calo po con ección se á signi ica i a, lo que pod ía inc emen a la apo ización del combus ible y di icul a su ex acción. Po ello, es de i al impo ancia supe isa la e olución del depósi o pa a ga an iza una ope ación óp ima en odas las ases del uelo, e i ando cualquie si uación que comp ome a la misión. Figu a 5.23 Diag ama T-s del me ano [15]. 5.6.1 Ecuaciones de compo amien o. En es e apa ado, se a a lle a a cabo la explicación de las a iables implicadas en el p oblema de los depósi os así como las ecuaciones y elaciones u ilizadas pa a ce a el p oblema co ec amen e. En p ime luga las a iables a calcula en el p oblema son las siguien es: Tabla 5.11 Va iables conside adas en el modelado del compo amien o del me ano en los depósi os. Va iable Símbolo Unidad Masa de gas mgkg Masa de líquido mlkg Tempe a u a TK P esión PBa Con o me al compo amien o del me ano, se debe ga an iza que el sis ema ope e siemp e den o de la campana de la zona bi ásica. Es o plan ea di e sas di icul ades, ya que el consumo de 5.6 Con ol de la e olución de los depósi os 83 combus ible a lo la go de la misión p o oca á un aumen o de la p esión en el depósi o. Además, debido a la baja empe a u a del GNL, la ans e encia de calo po con ección se á signi ica i a, lo que pod ía inc emen a la apo ización del combus ible y di icul a su ex acción. 5.6.2 Ecuaciones undamen ales y modelado del sis ema Asegu a el co ec o uncionamien o de los depósi os, es necesa io con ola a iables cla e como la p esión, la empe a u a y las masas de las ases líquida y gaseosa del me ano. Man ene la p esión bajo el lími e es uc u al de los depósi os es esencial pa a e i a allos mecánicos. Así mismo, la empe a u a debe pe manece po debajo de la empe a u a c í ica al obje o de ga an iza la coexis encia de ambas ases. Finalmen e, es c ucial moni o iza las masas de líquido y gas, dado que el mo o de la ae ona e equie e combus ible en es ado líquido pa a su uncionamien o óp imo. Las ecuaciones que desc iben la e olución de es as a iables son las siguien es: •Balance de masa:dm d =˙min −˙mou (5.18) •P ime p incipio de la e modinámica: δ˙ Q−PdV d =∂ ∂ mu−˙minhin +˙mou hou (5.19) •Conse ación del olumen: dV d =0⇒∂ ∂ m ρ=0(5.20) •Relación en e p esión y empe a u a en la zona bi ásica: P= (T)(5.21) Debido a la na u aleza bi ásica del sis ema, se imponen las siguien es condiciones adicionales: •No hay apo e ex e no de combus ible: ˙min =0. •La masa o al del sis ema se descompone en sus ases: m=mg+ml. •Aplicando la de inición de la ene gía in e na: mu =mg(hg−P ρg )+ml(hl−P ρl ) •Pa a la conse ación del olumen: ∂ ∂ mg ρg−ml ρl=0(5.22) • Pa a elaciona las de i adas empo ales con p opiedades e modinámicas conocidas, se aplica la egla de la cadena. Po ejemplo, pa a la en alpía del gas: ∂hg ∂ =∂hg ∂PT=c e ∂P ∂ +∂hg ∂TP=c e ∂T ∂ Es e p ocedimien o se ex iende a odas las de i adas necesa ias en la implemen ación compu- acional del modelo. 84 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os 5.6.3 Ob ención de las p opiedades del me ano Como se ha expues o en la sección an e io , es imp escindible dispone de da os p ecisos so- b e las p opiedades e modinámicas del me ano en condiciones c iogénicas y así pode modela co ec amen e su e olución en el iempo. Empleando el so wa e EES: Enginee ing Equa ion Sol e [ 15 ], en conc e o el módulo e e ido a las p opiedades e modinámicas, se han ob enido los siguien es da os esenciales pa a el modelado del sis ema: •P opiedades del me ano líquido a empe a u a cons an e. •P opiedades del me ano a p esión cons an e en es ado líquido y gaseoso. P oblemas encon ados con los da os A pesa de la u ilidad de EES pa a la ob ención de p opiedades e modinámicas, se han iden i icado cie as limi aciones en cuan o a la p ecisión de los da os gene ados, especialmen e en condiciones c iogénicas. En pa icula , se ha obse ado que EES p esen a des iaciones en las p opiedades del me ano en compa ación con o os modelos de e e encia más p ecisos, como REFPROP. Es as disc epancias pueden a ec a a la co ec a p edicción del compo amien o del me ano en el anque, lo que in luye de o ma di ec a en los cálculos de densidad, en alpía y capacidad calo í ica. Uno de los p oblemas más ele an es es la in e polación u ilizada po EES en egiones ce canas al cambio de ase, lo que puede gene a alo es menos p ecisos en compa ación con los ob enidos median e REFPROP, que emplea ecuaciones de es ado más a anzadas y ajus adas a da os expe i- men ales. Es a di e encia se uel e c í ica cuando se equie e una al a idelidad en la modelización del sis ema. Como consecuencia, si bien EES pe mi e ealiza es imaciones azonables, es ecomendable alida los esul ados con bases de da os más de alladas. Pa a e i a p oblemas elacionados con la ex acción de es os da os, se han iden i icado los da os ue a de ango y han sido eliminados y pos e io men e se ha in e polado en la zona pa a sua iza el compo amien o. Figu a 5.24 Rep esen ación de la de i ada de la en alpía espec o a la p esión. Como se puede obse a en la imagen 5.24, las luc uaciones de es e pa áme o ep esen ado puede o igina p oblemas con la con e gencia del sis ema. 5.6 Con ol de la e olución de los depósi os 85 5.6.4 Resolución del sis ema. Es ablecidas las ecuaciones undamen ales y ob enidas odas las p opiedades e modinámicas necesa ias, es posible abo da la esolución de la e olución del sis ema de depósi os como un conjun o de ecuaciones di e enciales o dina ias (EDOs). Es e sis ema es á compues o po es ecuaciones di e enciales que desc iben la e olución de la masa de la ase líquida, la masa de la ase gaseosa y la empe a u a del me ano den o de los depósi os. La p esión, po su pa e, no se esuel e di ec amen e, ya que en la egión bi ásica es á di ec amen e elacionada con la empe a u a a a és de la ecuación de es ado, lo que pe mi e calcula la de mane a inmedia a una ez ob enida la empe a u a. Pa a inicia la esolución del sis ema, es imp escindible conoce el caudal de combus ible eque i- do en cada ins an e po la ae ona e. Es e se de e mina a pa i del empuje y del consumo especí ico de combus ible (TSFC) ob enidos median e los mapas mo o es p esen ados en el Capí ulo 3. Una ez conocido el caudal de combus ible eque ido, se p ocede a la esolución numé ica del sis ema de ecuaciones di e enciales. Dado que el sis ema de ecuaciones plan eado es ígido, se ha op ado po u iliza el mé odo de in eg ación numé ica ode15s en MATLAB. Aunque ode45 es un mé odo de uso gene al, su aplicación en sis emas ígidos puede lle a a inexac i udes y iempos de cómpu o ele ados, po lo que ode15s es una mejo opción pa a ga an iza es abilidad y p ecisión en la solución. Un aspec o de e minan e en la esolución del p oblema es la ges ión del consumo de combus ible en los di e en es ipos de depósi os p esen es en la ae ona e. Exis en es ipos p incipales de depósi os: los ex e nos, los ubicados en el in e io del ala y los si uados en la bodega. Pa a op imiza la ope ación y minimiza la pé dida de combus ible po e apo ación, se ha de inido una es a egia de p ecedencia en el consumo de los depósi os. En p ime luga , se acían los depósi os ex e nos, que son los más expues os al in e cambio de calo con el ambien e y, po lo an o, los que p esen an mayo es asas de e apo ación. Ago ado el combus ible de es os depósi os, se p ocede al consumo del combus ible almacenado en los depósi os in e nos del ala; inalmen e, se u ilizan los depósi os de la bodega. Es a es a egia se ha de inido en base a los coe icien es de ans e encia de calo (’coe icien es de película’) de cada uno de los depósi os. Implemen a la es a egia de consumo escalonado, se han in oducido dos e en os en la in eg ación del sis ema de ecuaciones di e enciales, además de unas conside aciones ex a: • Se comenza á a consumi p ime o de los depósi os ex e nos del ala debido, que po se los más expues os al lujo ocasiona á una ans e encia de calo en es e pun o muy al a, hecho que p oduci á que la e apo ación de los depósi os sea muy g ande. • Hay que ene en cuen a que mien as se es á consumiendo de los depósi os ex e nos; los depósi os in e nos del ala es a án ya expues os a un lujo de calo , mucho menos ag esi o. Po an o, se comenza á a e apo a pa e del combus ible de es a pa e. • Cuando se llega a consumi odo el depósi o ex e no se pasa al consumo de los in e nos, man eniendo, po supues o el ma gen del 5% es an e es ipulado po la no ma i a. Teniendo odo es o en cuen a, ya se puede modela la e olución de los depósi os en los casos a es udia pos e io men e. 86 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os Resul ados ob enidos. Acabadas las simulaciones, el paso siguien e se ía e alua los esul ados y la in luencia del ma e ial de los depósi os de combus ible, pues, dependiendo del ma e ial, se ob end án unos esul ados u o os, según sea el a ión más o menos lige o. De esa o ma: •Depósi os de i anio: – Alige amien o: 4180.9631Kg. – Alcance máximo: 6054.83 km. – Au onomía: 7 ho as y 9 minu os. Figu a 5.25 E olución del combus ible en el depósi o. Figu a 5.26 E olución de las p esiones en el depósi o. 5.8 Dimensionado de los espeso es de los aislan es. 93 Figu a 5.31 Nue a pola de la ae ona e conside ando el e ec o del aislan e. Con es a nue a con igu ación, se p ocede a ealiza de nue o el es udio del alcance de la ae ona e, omando en conside ación an o las modi icaciones en el peso como en la esis encia ae odinámica. De es a mane a se asegu a una e aluación más p ecisa y ep esen a i a del desempeño eal espe ado pa a la ae ona e en condiciones ope a i as. 94 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os •Depósi os de aluminio: – Alige amien o: 2668.268Kg. – Alcance: 9271.01 km, – Au onomía: 11 ho as y 9 minu os. Figu a 5.32 E olución de los depósi os de aluminio. Figu a 5.33 E olución de la p esión en los depósi os de aluminio. •Depósi os de i anio: – Alige amien o: 1541.190Kg. – Alcance: 9281.1 km. – Au onomía: 11 ho as y 20 minu os. 5.8 Dimensionado de los espeso es de los aislan es. 95 Figu a 5.34 E olución de los depósi os de i anio. Figu a 5.35 E olución de la p esión en los depósi os de i anio. Con on ando es os esul ados con los ob enidos en el escena io p e io -se conside ó la ansmisión de calo y se alcanza on esul ados cla amen e insa is ac o ios ce canos a los 6000 km de alcance-, se puede a i ma que la si uación ac ual mues a una mejo a conside able y o ece esul ados más alen ado es. No obs an e, al compa a es os esul ados con el escena io ideal inicialmen e plan eado, se hace e iden e que la ansmisión de calo , jun o al aumen o adicional de peso gene ado po la inco po ación de los aislan es é micos, ha conducido a una educción signi ica i a en el alcance ope a i o de la ae ona e. Po an o, no se alcanza plenamen e el obje i o plan eado o iginalmen e pa a comple a la misión p oyec ada. En es e con ex o, esul a ele an e lle a a cabo un análisis exhaus i o sob e cómo ha e olucionado la con igu ación de pesos de la ae ona e has a el momen o ac ual, con in ención de iden i ica cla amen e los ac o es más in luyen es y diseña es a egias que pe mi an mi iga las consecuencias 96 Capí ulo 5. Diseño de los depósi os ad e sas obse adas en es a e apa del es udio. (a) E olución de pesos con aleación de aluminio. (b) E olución de pesos con i anio. Figu a 5.36 E olución de pesos de la ae ona e en la nue a con igu ación. Si el análisis del peso de la ae ona e esul a undamen al, ambién lo es examina el impac o que la inco po ación del aislan e iene sob e el po cen aje de palanca de gases. En pa icula , dicha inclusión conlle a un inc emen o signi ica i o en la esis encia ae odinámica, lo que exige un aumen o en la palanca de gases a lo la go del ayec o con el in de compensa los e ec os de i ados de es e inc emen o del d ag. Figu a 5.37 Palanca de gases(%) a lo la go de la misión es udiada. Tal como se ap ecia en la igu a 5.37 y en compa ación con la igu a 3.8, se e idencia un aumen o en la palanca de gases eque ida po la ae ona e en cada amo del uelo. Es e compo amien o pone de mani ies o la in e dependencia de los dis in os ac o es que in luyen en la ope ación, indicado de que el p oblema es á comple amen e acoplado. En consecuencia, se hace imp escindible lle a a cabo un es udio de op imización con el p opósi o de cumpli los obje i os de la misión en análisis. A pa i de lo expues o, se concluye que no es iable eplica en su o alidad la misión del B-767 bajo las condiciones conside adas en el p esen e es udio. 6 Op imización de esul ados T as conclui que la misión del a ión B-767 no es iable empleando Gas Na u al Licuado (GNL) como combus ible bajo la con igu ación inicialmen e p opues a, en es e capí ulo se examinan di e sas es a egias de op imización pa a mejo a sus ancialmen e los esul ados ob enidos. El obje i o es hace ac ible es a con igu ación al e na i a median e modi icaciones especí icas. Se plan ean, en conc e o, los siguien es escena ios de e aluación: • In oduci modi icaciones en el sis ema de aislamien o é mico, ajus ando así los coe icien es de película pa a mejo a el endimien o é mico y educi las pé didas ene gé icas. Es e en oque ambién inco po a mejo as simul áneas en el diseño mecánico y es uc u al de los anques. • Implemen a mejo as sus anciales en el aislamien o é mico ex e no de los depósi os, com- plemen ado con una op imización in eg al del diseño es uc u al y mecánico pa a minimiza las pé didas é micas y mejo a el endimien o gene al del sis ema. En odos es os escena ios, se econoce explíci amen e que cualquie inc emen o del espeso del ma e ial aislan e conlle a ine i ablemen e un aumen o en el diáme o ex e no del anque. Es e inc e- men o dimensional a ec a di ec amen e a la esis encia ae odinámica del a ión (pola aumen ada), lo que gene a una mayo esis encia al a ance y, po consiguien e, una demanda supe io de empuje en cada ins an e del uelo. Consecuen emen e, es o implica un inc emen o en la capacidad eque ida de almacenamien o de combus ible pa a man ene la au onomía planeada. Es e acoplamien o en e a iables é micas, es uc u ales y ae odinámicas se á conside ado cuidadosamen e du an e el p oceso de op imización, buscando equilib a el endimien o é mico y es uc u al de los anques con las necesidades ope a i as y el consumo especí ico de combus ible. De o ma pa alela, es indispensable ene en cuen a po supues o las ba e as en el diseño de los anques, pues o que, en el caso de los depósi os in e nos del ala, no se puede aumen a el espeso del aislan e an o como se quie a, debido a que no es ísicamen e imposible con el espacio que queda en su in e io . Po es a azón, es e aspec o debe de se un ac o que se iene que oma en conside ación en el momen o del diseño. 97 98 Capí ulo 6. Op imización de esul ados Con odo ello, el diag ama de lujo seguido en la implemen ación de es a op imización es el siguien e: Inicio Inc emen o es- peso aislan e Aumen o diáme o ex e no anques Mayo supe - icie expues a Inc emen o esis en- cia ae odinámica Mayo empuje eque ido Inc emen o com- bus ible eque ido Inc emen o peso depósi os y combus ible ¿Peso o al excede ma gen disponible? Desca a con igu ación Acep a con igu ación Finaliza op imización No Sí Figu a 6.1 Diag ama de lujo del p oceso de op imización del espeso del aislan e en los anques.. 6.1 P ime a opción: aumen a espeso del aislan e de los depósi os ex e nos. 99 6.1 P ime a opción: aumen a espeso del aislan e de los depósi os ex e nos. En es e apa ado se a ap ocede a examina la posibilidad de aumen a el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos de 5 a 10 cm mien as se deja el espeso de los depósi os in e nos del ala con el espeso o iginal pa a e i a posibles p oblemas con el espacio en el ala. 6.1.1 Cálculo de los nue os coe icien es de película. Con el obje i o de mejo a aún más la iabilidad y endimien o de la ae ona e u ilizando GNL como combus ible, se necesi a analiza de enidamen e los e ec os é micos in oluc ados en el diseño de los depósi os. En es e apa ado se es udia á de o ma especí ica cómo in luyen los coe icien es de película sob e las pé didas é micas del sis ema, coe icien es que de e minan en g an medida la e iciencia del aislamien o é mico y, po ende, ienen un impac o di ec o sob e la e olución de la empe a u a y la p esión in e nas del anque. Con es e in, se lle a á a cabo una e aluación de allada o ien ada a de e mina los alo es óp imos de es os coe icien es, ga an izando un equilib io en e el desempeño é mico eque ido, la esis encia ae odinámica esul an e y el peso o al del sis ema. La me odología de e aluación conside a á odas las implicaciones es uc u ales y ae odinámicas de i adas de es as modi icaciones. Depósi os ex e nos. Dados los esul ados ob enidos en las e aluaciones an e io es y eniendo en cuen a que oda ía exis e ma gen de peso disponible pa a op imiza el desempeño global de la ae ona e, en es e apa ado se analiza una es a egia consis en e en inc emen a el espeso del aislan e de los anques ex e nos. Es e aumen o de espeso implica un cambio desde los espeso es iniciales, conduciendo a un inc emen o del diáme o ex e no de los depósi os. Sin emba go, conside ando que exis e ma gen su icien e en é minos de peso y es uc u a, se p opone ap o echa es a ci cuns ancia pa a mejo a la capacidad é mica del sis ema, asegu ando una mayo e iciencia ene gé ica. Conc e amen e, al modi ica el espeso del aislan e desde sus alo es iniciales de mane a con olada, se ob iene un inc emen o en la capacidad in e na e ec i a de almacenamien o de combus ible. Es po ello que como p ime a mejo a, se a a pasa a un espeso de 10cm en los depósi os ex e nos, quedando la con igu ación po an o: Tabla 6.1 Resul ados pa a depósi os ex e nos. Depósi os Espeso [cm] Volumen [m3] Peso heq [W/m2K] Ex e io es 10 2.119 482.297 5.0359 Cabe des aca que, como consecuencia di ec a del inc emen o en el espeso del ma e ial aislan e p opues o en los apa ados an e io es, se p oduci á ine i ablemen e un aumen o en el diáme o ex e no de los depósi os de almacenamien o de combus ible. Es e inc emen o dimensional gene a un á ea ans e sal mayo , lo que a su ez inc emen a la supe icie expues a al lujo ae odinámico du an e el uelo. Dicha ampliación en la supe icie expues a iene implicaciones signi ica i as en la esis encia ae odinámica de la ae ona e, lo cual e leja una modi icación conside able de la pola ae odinámica. Es deci , se p oduci á un aumen o adicional en la esis encia al a ance, asun o que debe á se cuidadosamen e conside ado en los cálculos de endimien o y e iciencia ene gé ica pos e io es. Po consiguien e, la pola ae odinámica del a ión se á nue amen e e aluada y ac ualizada, quedando ep esen ada con los alo es que se indican in a: 100 Capí ulo 6. Op imización de esul ados Figu a 6.2 Nue a pola pa a un espeso de 10cm de aislan e. Depósi os in e nos del ala. Dado que los depósi os en cues ión no han sido obje o de modi icaciones espec o a su diseño o condiciones de aislamien o é mico desde los análisis p e iamen e ealizados, no exis e una a iación signi ica i a en sus ca ac e ís icas ísicas ni en sus pa áme os ope a i os. Po es a azón, se man end án los alo es p e iamen e de e minados pa a los mismos, los cuales ue on ob enidos a pa i de los análisis y cálculos desc i os en apa ados an e io es. Es os da os cons i uyen, po an o, la e e encia básica pa a cualquie e aluación pos e io , ya que e lejan ielmen e el compo amien o é mico y es uc u al ac ual de los depósi os en ausencia de modi icaciones adicionales. Tabla 6.2 Resul ados pa a los aislan es de depósi os in e nos. Depósi os Espeso [cm] Volumen [m3] Peso heq [W/m2K ] In e io ala 5 8.065 887.446 2.056 Con odos es os da os sob e la mesa se iene la siguien e dis ibución de pesos de la ae ona e: Figu a 6.3 Nue a dis ibución de pesos de la ae ona e. 6.1 P ime a opción: aumen a espeso del aislan e de los depósi os ex e nos. 101 Los esul ados ob enidos pa a es a opción son los siguien es: •Depósi os de Aluminio: – Alcance: 9600 km – Tiempo de uelo: 11 ho as y 54 minu os Figu a 6.4 E olución de los depósi os de aluminio. Figu a 6.5 E olución de la p esión en los depósi os de aluminio. •Depósi os de i anio: – Alcance: 9607 km – Tiempo de uelo: 11 ho as y 55 minu os 102 Capí ulo 6. Op imización de esul ados Como se da la ci cuns ancia de que la e olución de los depósi os de aluminio y i anio ienen una e olución muy simila , se ha mos ado en las igu as 6.4 y 5.35 la e olución en el caso de la aleación de aluminio. En elación con los esul ados ob enidos, se con i ma que se ha log ado una mejo a en el alcance de la ae ona e; a pesa de que dicha mejo a sigue siendo insu icien e pa a cumpli con los equisi os de la misión. Es e compo amien o se e leja en la e olución del consumo de combus ible en el depósi o ex e no, cuyo aciado aho a equie e un iempo de 7 ho as y media, debido a la op imización del aislamien o é mico. No obs an e, es a mejo a conlle a un inc emen o en la esis encia ae odinámica, lo que, a su ez, exige un mayo empuje, al como se e idencia en los esul ados p esen ados. Figu a 6.6 Palanca de gases eque ida. 6.2 Segunda Opción: aumen a espeso en los depósi os in e nos y ex e nos. En es a ase del p oceso de op imización, se p ocede á a ealiza un es udio en el que, al igual que en el apa ado an e io , se inc emen a á el espeso de los depósi os ex e nos. Empe o, en es a ocasión, ambién se conside a á un aumen o en el espeso de los depósi os in e nos, con el obje i o de e alua su impac o en el desempeño global de la ae ona e. 6.2.1 Cálculo de los coe icien es de película. Depósi os ex e nos. Tal y como se calculó en el apa ado an e io : Tabla 6.3 Resul ados pa a depósi os ex e nos. Depósi os Espeso [cm] Volumen [m3] Peso heq [W/m2K ] Ex e io es 10 2.119 482.297 5.0359 6.3 Te ce a opción: educi el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos. 109 Asimismo, la e olución en la palanca de gases en es e caso se e ambién educida, al y como se mues a: Figu a 6.15 E olución de la palanca de gases con la nue a con igu ación. La ayec o ia seguida po la ae ona e du an e oda la misión se ía la siguien e: Figu a 6.16 Pe il de uelo de la ae ona e du an e la misión. Tal como se e idencia en las igu as y en los esul ados p esen ados, la con igu ación seleccionada pe mi e lle a a cabo la misión de es udio con éxi o. Pa icula men e, se ha log ado un inc emen o del 0.84% en el alcance espec o a la misión o iginal, cumpliendo con el ma gen del 5% de ese a de combus ible. Po lo an o, es a con igu ación se pe ila como una opción al amen e p ome edo a en la selección inal de la con igu ación más a o able. Además de es a con igu ación, se pueden ex ae las siguien es conclusiones: •Reducción en la palanca de gases: Se obse a cómo la posición media de la palanca de gases ha disminuido desde un 87% en el caso 2 has a un 78% en el caso ac ual, lo que es una mues a de po qué la ae ona e es capaz pode lle a a cabo la misión.hecho que se explica po que empuje necesa io en 110 Capí ulo 6. Op imización de esul ados cada amo es in e io y en consecuencia, el consumo y el gas o de combus ible se educe conside ablemen e. •Disminución de la esis encia ae odinámica: O a disminución ob ia se hace pa en e en la pola de la ae ona e; cuando se usa un espeso meno en los anques ex e nos, es a se e educida, con ibuyendo a una disminución de la esis encia y po an o del empuje. •Op imización del uso del depósi o ex e no: Se ha egis ado una educción en el iempo de uso del depósi o ex e no, pasando de 8 ho as en la con igu ación an e io a 4 ho as en la ac ual. Es e aspec o es especialmen e ele an e, ya que pe mi e un uso más emp ano de los depósi os in e nos, minimizando la apo ización del combus ible mien as es os pe manecen inac i os. 6.4 Cua a opción: educi el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos has a los 3cm. Demos ando que la educción del espeso del aislan e ex e no de 10 cm a 5 cm esul a bene iciosa debido a la disminución en la esis encia ae odinámica asociada a los depósi os ex e nos, esul a azonable e alua si es a endencia se man iene al con inua educiendo dicho espeso . Con es a inalidad, se p ocede á a analiza si es posible con inua disminuyendo el espeso del aislan e más allá de los 5 cm sin comp ome e el cumplimien o de la misión, o si, po el con a io, es e alo ep esen a el lími e in e io den o de la con igu ación conside ada. Depósi os ex e nos. Tabla 6.7 Resul ados pa a depósi os ex e nos. Depósi os Espeso [cm] Volumen [m3] Peso heq [W/m2K ] Ex e nos 3 4.606 594.5059 15.2095 Depósi os en el ala. Tabla 6.8 Resul ados pa a depósi os in e nos. Depósi os Espeso [cm] Volumen [m3] Peso heq [W/m2K ] In e nos 7 9.14 1659.366 1.7237 Con los da os p esen es, la dis ibución de pesos de la ae ona e queda como se e leja en la igu a in e io : 6.4 Cua a opción: educi el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos has a los 3cm. 111 Figu a 6.17 Repa o de pesos de la 4 con igu ación. Si se lle a a cabo la simulación con la con igu ación mencionada, se ob ienen los siguien es esul ados: •Alige amien o: 1927.4 kg •Alcance: 11588.7 km •Tiempo de uelo: 14 ho as y 07 minu os Figu a 6.18 E olución de los depósi os con la nue a con igu ación. 112 Capí ulo 6. Op imización de esul ados Figu a 6.19 E olución de la p esión con la nue a con igu ación. De acue do con las igu as an e io es, cuando el espeso de los depósi os ex e nos se educe en exceso, el coe icien e de película disminuye de mane a signi ica i a. Como consecuencia, el combus ible almacenado en es os depósi os expe imen a una e apo ación acele ada, ago ándose en menos de 2.5 ho as. Es e enómeno impide alcanza el obje i o de la misión en é minos de alcance máximo, lo que con i ma los esul ados ob enidos en el análisis p e io. En conclusión, se es ablece un lími e in e io en el espeso del aislamien o ex e no, po debajo del cual la con igu ación deja de se iable pa a el cumplimien o de la misión. 6.5 Va iaciones a la con igu ación o iginal. En es a sección se analiza án di e sas modi icaciones a la con igu ación o iginal con el obje i o de e alua la sensibilidad y a iabilidad de los esul ados ob enidos en la op imización p e ia. A a és de es os ajus es, se p e ende iden i ica posibles mejo as adicionales en la e iciencia de la ae ona e y alida la obus ez de la solución op imizada. 6.5.1 Usa únicamen e los depósi os bajo las alas. Una ez alcanzado el obje i o de maximiza el alcance de la ae ona e, su ge la cues ión de si se ía posible ealiza nue as modi icaciones en la con igu ación p esen ada. Dado que, como se ha obse ado en los casos 2 y 3, la mayo con ibución al inc emen o del alcance p o iene de los depósi os ubicados en el in e io del ala, esul a pe inen e analiza la iabilidad de una con igu ación en la que únicamen e es os depósi os sean u ilizados. Po lo an o, en es a sección se e alua á si p escindi de los depósi os ex e nos pe mi i ía alcanza los equisi os de la misión, op imizando aún más el endimien o de la ae ona e y educiendo los e ec os nega i os asociados a la esis encia ae odinámica y el consumo de combus ible. En es e análisis, se man end á la con igu ación de aislamien o es ablecida en el caso 3, es deci , con un espeso de 7 cm. Es e alo ep esen a el máximo posible den o del espacio disponible en el ala, asegu ando así la mejo e iciencia é mica sin comp ome e la in eg ación es uc u al de los depósi os in e nos. 6.5 Va iaciones a la con igu ación o iginal. 113 Tabla 6.9 Resul ados pa a depósi os in e nos. Depósi os Espeso [cm] Volumen [m3] Peso heq [W/m2K ] In e nos 7 9.14 1659.366 1.7237 Teniendo en cuen a odas las conside aciones an e io es, el esul ado ob enido pa a es a simulación es el siguien e: •Alige amien o: 4629.3 kg •Alcance: 8948.8 km •Tiempo de uelo: 10 ho as y 34 minu os Figu a 6.20 E olución del combus ible en el depósi o del ala. Figu a 6.21 E olución de la p esión en el depósi o del ala. 114 Capí ulo 6. Op imización de esul ados Como se obse a en las igu as y, al como e a p e isible, la u ilización exclusi a de los depósi os si uados en las alas no pe mi e alcanza la misión con el alcance máximo eque ido. Al analiza los esul ados con de enimien o, se ap ecia que el iempo es an e pa a comple a la misión co esponde p ecisamen e al apo e p opo cionado po los depósi os ex e nos en la con igu ación o iginal. Es deci , al p escindi de es os depósi os, la ae ona e no dispone del ma gen de combus ible necesa io pa a cumpli con el obje i o de la misión. Es e esul ado e a espe able debido al ajus ado ma gen de combus ible con el que se ope aba desde el inicio del es udio. Además, la imposibilidad de aumen a el espeso del aislamien o en los depósi os in e nos, o iginado po las es icciones de espacio en la zona del ala, limi a la capacidad de op imización é mica y consecuen emen e, la e iciencia en el almacenamien o de combus ible. 6.6 Op imización inal: búsqueda del espeso ex e no óp imo. A pa i de los análisis ealizados en las secciones an e io es, se han ob enido una se ie de conclu- siones undamen ales que o ien an la op imización inal del diseño: • Impo ancia del espeso de los depósi os in e nos del ala: Los depósi os in e nos ubicados en el ala desempeñan un papel c ucial en la consecución del alcance máximo de la misión. Sin emba go, su espeso máximo es á limi ado a 7 cm dadas las es icciones de espacio impues as po la es uc u a del ala. Además, exis e una cie a ince idumb e asociada a la disponibilidad eal de espacio en es a zona, lo que impide una mayo op imización en es a con igu ación. • Op imización del espeso de los depósi os ex e nos: Se ha demos ado que el uso de los depósi os ex e nos es indispensable pa a comple a la misión de máximo alcance. No obs an e, su espeso debe si ua se den o de un ango óp imo de 5 a 10 cm. – Si el espeso supe a los 10 cm, la esis encia ae odinámica aumen a ía en exceso, lo que p o oca ía un inc emen o en el empuje eque ido y, po ende, un mayo consumo de combus ible, ci cuns ancia que imposibili a ía el cumplimien o de la misión. – Po o o lado, si el espeso se educe po debajo de 3 cm, los anques ex e nos se ago a ían demasiado ápido, lo que impedi ía alcanza la dis ancia es ipulada en la misión. Con base en es as obse aciones, el siguien e paso consis e en de e mina el espeso óp imo de los depósi os ex e nos den o del in e alo iden i icado, con el obje i o de maximiza la e iciencia ope a i a de la ae ona e y ga an iza el éxi o de la misión. En p o de una au oma ización del esul ado, se p ocede á a ealiza la op imización del espeso del aislan e de los anques ex e nos, dado que es la única a iable necesa ia pa a la op imización del diseño. Es e p oceso se lle a á a cabo en conjun o con odos los códigos p e iamen e mencionados. Pa a ealiza es a op imización, se es ablecen las siguien es conside aciones: • Va iable a minimiza : el espeso del aislan e de los depósi os ex e nos ( ex ) se á la a iable a op imiza . • Función obje i o: la unción que p ecisa maximiza se es el alcance de la ae ona e, de inido como: φ=S( ex )−Smax (6.1) donde S( ex ) ep esen a el alcance ob enido con la nue a con igu ación de depósi os ex e nos e in e nos en el ala, y Smax co esponde al alcance máximo de 11 700 km. 6.6 Op imización inal: búsqueda del espeso ex e no óp imo. 115 • Res icciones: En es e caso, las es icciones son cla as: el espeso del aislan e de los anques in e nos del ala se man iene en un alo cons an e que pod á a ia pa a disminui el peso de la ae ona e sin comp ome e el alcance, es deci , ala =c e cm (6.2) Con oda es a in o mación sob e la mesa, se p ocede á a la o mulación de la unción obje i o y, pos e io men e, se implemen a á el p ocedimien o numé ico pa a de e mina el espeso mínimo del aislan e en los depósi os ex e nos que pe mi a cumpli con los equisi os de la misión de mane a sa is ac o ia. Pa a ello, se emplea á la unción mincon de MATLAB, la cual pe mi i á esol e el p oblema de op imización bajo las es icciones p e iamen e es ablecidas, ga an izando que la solución ob enida cumpla con los c i e ios de iabilidad y e iciencia de inidos en el es udio. 6.6.1 Resul ados ob enidos. P ime a i e ación. En es a p ime a i e ación, se man end á el espeso de los depósi os in e nos en su alo máximo pe mi ido, es deci , ala =7cm. Se comenza á el es udio con es a con igu ación debido a que, como se ha concluido p e iamen e, la a iable que eje ce mayo in luencia en el alcance de la ae ona e es p ecisamen e el espeso de es os depósi os in e nos. Po lo an o, analiza es a con igu ación pe mi i á es ablece una e e encia cla e pa a e alua el impac o de posibles a iaciones en los depósi os ex e nos. Pa a ob ene un o den de magni ud del alo ob enido y así e i ica su cohe encia, se puede azona que, al emplea el espeso máximo de aislamien o en los depósi os in e nos, el espeso óp imo del aislamien o en los depósi os ex e nos debe ía si ua se en un ango ce cano a los 5 cen íme os inicialmen e es udiados. Es e azonamien o se basa en el hecho de que, al maximiza el aislamien o de los depósi os in e nos, se educe la necesidad de compensa pé didas é micas en los depósi os ex e nos, lo que sugie e que el espeso eque ido en es os úl imos no debe ía excede signi ica i amen e los alo es p e iamen e analizados. Pa a es e caso, el espeso óp imo calculado pa a alcanza el máximo alcance es de ex = 5.867 cm,lo que pe mi e log a una au onomía de S=11710.466 km. Es e esul ado ep esen a un e o del espec o al alcance máximo de 11 700 km co espondien e a la con igu ación o iginal del B-767. |S−Smax| Smax ×100 =0.0893%, Dicho ma gen de e o es insigni ican e en é minos ope a i os, ap eciación que con i ma la iabilidad de la con igu ación op imizada p opues a. 116 Capí ulo 6. Op imización de esul ados Finalmen e, al analiza los pesos de la ae ona e, se e i ica que el peso máximo al despegue (MTOW) se cumple sin excede los lími es es ablecidos. Además, el ma gen másico es an e es de 1557.693 kg , lo que ga an iza el cumplimien o de uno de los equisi os iniciales del es udio, asegu ando que la con igu ación op imizada espe e la es icción de peso es ablecida. Figu a 6.22 Dis ibución de pesos de la ae ona e as la op imización. Segunda i e ación. En es e caso, se ha seguido un p ocedimien o análogo al del análisis p e io, modi icando especí i- camen e el espeso del aislan e en los depósi os ex e nos. La es a egia consis e en educi dicho espeso has a un alo mínimo acep able, con la in ención de examina el impac o de es a educción en el peso o al de la ae ona e y e i ica si sigue siendo posible cumpli con los equisi os de alcance es ablecidos. Es e en oque pe mi e explo a un posible ma gen de op imización adicional en el diseño de los depósi os, e aluando si la disminución en peso es uc u al puede log a se sin comp ome e signi ica i amen e el endimien o global de la misión. T as ealiza los cálculos co espondien es, se ob ienen los siguien es alo es op imizados pa a los espeso es: •Espeso depósi os ex e nos: 7.0125 cm. •Espeso depósi os in e nos: 6.756 cm. Con es a con igu ación se log a una educción de masa o al equi alen e a 1318.23 kg espec o a la con igu ación o iginal del Boeing 767-300ER, espe ando en odo momen o el MTOW de la ae ona e. Además, se alcanza un eco ido o al de S=11704.63 km , lo que ep esen a un e o ela i o del 0.0395% en elación con el obje i o de alcance ijado inicialmen e. 6.6 Op imización inal: búsqueda del espeso ex e no óp imo. 117 Figu a 6.23 E olución del combus ible en el depósi o del ala. Figu a 6.24 E olución de la p esión en el depósi o del ala. Es a con igu ación ep esen a una opción iable desde el pun o de is a ope a i o, en la medida en que pe mi e cumpli con el alcance obje i o, a la ez que o ece una educción de masa ú il conside able. A pesa de ello, al p esen a un ma gen más ajus ado que el de la op imización an e io , su aplicación pod ía es a suje a a mayo es es icciones en escena ios con al as ince idumb es ope a i as. Aun así, puede conside a se una al e na i a a ac i a cuando se p io iza la e iciencia es uc u al sin comp ome e la iabilidad de la misión. . 7.4 Escena io de medio alcance: adap ación a ope aciones de bajo cos e. 125 7.4 Escena io de medio alcance: adap ación a ope aciones de bajo cos e. Es e apa ado su ge a aíz del auge de las ae olíneas de bajo cos e, cuya es a egia ope a i a se undamen a en la ealización de ayec os de meno dis ancia de o ma consecu i a. Es a modalidad pe mi e educi signi ica i amen e los cos es ope a i os, especialmen e los asociados a las asas ae opo ua ias en los ae opue os de des ino, lo que a su ez acili a la o e a de a i as más compe i i as pa a los pasaje os. Con el obje i o de e alua la iabilidad de es a es a egia, se ha conside ado un ayec o ep esen- a i o de 2000 km, equi alen e, po ejemplo, a una conexión di ec a en e Mad id y Be lín. Pa a ello, ha sido necesa io adap a la en ol en e de uelo de la ae ona e a un pe il ope a i o p opio de misiones de medio alcance. Dicha adap ación se ha ealizado modi icando los amos de ascenso, c uce o y descenso p esen es en la misión de la go alcance, ajus ándolos con o me a la no ma i a igen e y a las p ác icas es ánda en ope aciones de co a-media dis ancia. En pa icula , se han sus i uido los ni eles de uelo o iginales —FL350,FL370 yFL400— po al i udes más bajas y más aco des con ayec os de es a na u aleza, conc e amen e FL240,FL260 yFL280. Asimismo, la elocidad de c uce o se ha educido desde Mach 0.85 aMach 0.76, cohe en e con el pe il ene gé ico y ope a i o ípico en es e ipo de u as. Con es as modi icaciones, se ob iene un pe il de uelo más ep esen a i o de las condiciones eales bajo las que ope an muchas compañías de bajo cos e, lo cual pe mi e analiza con mayo p ecisión la aplicabilidad y endimien o de la con igu ación de depósi os in e nos pa a es e ipo de misiones. No obs an e, es a con igu ación adap ada pa a uelos de media dis ancia p esen a una se ie de desa íos ope a i os que deben se cuidadosamen e conside ados. En p ime luga , al ola a ni eles de al i ud más bajos, la empe a u a ex e io aumen a no ablemen e espec o a los uelos de la go alcance, lo que inc emen a el g adien e é mico en e el ex e io y el combus ible c iogénico almacenado en los depósi os. Es a di e encia é mica más acusada puede in ensi ica la ansmisión de calo hacia el in e io de los anques, p o ocando una ele ación más ápida de la p esión in e na debido a la apo ización p og esi a del GNL. Es e enómeno se e ag a ado po el hecho de que los amos de ascenso ep esen an las ases más exigen es en é minos de empuje eque ido, ya que la ae ona e debe supe a mayo es esis encias ae odinámicas en una a mós e a más densa y con meno e iciencia p opulsi a. Como consecuencia, el mo o ope a a egímenes más al os du an e más iempo, gene ando un mayo apo e é mico al sis ema, lo que ambién puede con ibui indi ec amen e al aumen o de p esión en los depósi os. Po an o, en escena ios de ope ación con uelos consecu i os, donde los depósi os no son econdicionados é micamen e en e e apas, se co e el iesgo de que la p esión in e na alcance alo es c í icos an es de comple a la secuencia de ayec os p e is a, comp ome iendo la segu idad o o zando una in e upción an icipada de la ope ación. P ecisamen e, es e apa ado iene como obje i o analiza en de alle la e olución de la p esión in e na de los depósi os bajo es e nue o pe il de uelo, e aluando así la iabilidad del GNL como combus ible al e na i o pa a una ae ona e capaz de adap a se an o a con igu aciones de la go como de medio alcance, comple ando de es a o ma el es udio in eg al de ope a i idad de la pla a o ma. 126 Capí ulo 7. Aplicaciones El pe il de uelo adap ado queda, po an o, de inido de la siguien e mane a, e lejando los cambios necesa ios en las ases de ascenso, c uce o y descenso pa a ajus a se a ayec os de media dis ancia. Es os cambios incluyen una educción de los ni eles de uelo (FL), disminuyendo desde el FL380 ca ac e ís ico de los uelos de la go alcance has a un máximo de FL310 en c uce o. Asimismo, las ases de ascenso se ealizan de o ma más escalonada, con al i udes in e medias más bajas (FL150 y FL240), y se educen los iempos en al i ud de c uce o. Es as modi icaciones pe mi en simula de o ma ealis a el compo amien o ope a i o de la ae ona e en u as más co as, al como las que p edominan en las ae olíneas de bajo cos e. Figu a 7.8 Pe il de al u as de la nue a con igu ación. Figu a 7.9 Alcance de la nue a con igu ación. 7.4 Escena io de medio alcance: adap ación a ope aciones de bajo cos e. 127 7.4.1 E aluación de uelos conca enados sin epos a . Una ez adap ado el pe il de uelo a ayec os de medio alcance, el siguien e paso consis e en analiza cuán os uelos consecu i os pod ían ealiza se sin necesidad de epos a combus ible. Es a e aluación debe conside a no solo el alcance máximo eó ico, sino ambién los má genes de segu idad asociados al combus ible emanen e y las limi aciones impues as po las condiciones e modinámicas den o de los depósi os, en pa icula la p esión máxima admisible. Desde un pun o de is a pu amen e ene gé ico, y conside ando únicamen e el alcance de la ae ona e, se ía eó icamen e posible ealiza has a un o al de cinco uelos consecu i os de 2000 km, alcanzando así los 10 000 km de eco ido acumulado. No obs an e, es a es imación no con empla el inc emen o p og esi o de la p esión in e na en los depósi os c iogénicos a lo la go del iempo debido a la ans e encia de calo desde el ex e io , lo que pod ía comp ome e la segu idad ope a i a de no ges iona se adecuadamen e. Desde es a pe spec i a, pa a una e aluación ealis a y conse ado a, es imp escindible ene en cuen a la e olución é mica y de p esión den o de los anques de GNL a lo la go de oda la misión conca enada, así como de los má genes de combus ible es ablecidos po la no ma i a ae onáu ica igen e. En p ime luga se a a es udia cómo se ía la e olución del combus ible y de la p esión en los anques p esen es pa a el p ime uelo más co o: Figu a 7.10 E olución de la p esión en el p ime uelo. Tal y como se obse a en la Figu a 7.10, la e olución de la p esión a lo la go del ayec o es ela i amen e con enida, especialmen e en el depósi o in e no. Es e compo amien o se explica po la es a egia de consumo implemen ada, en la cual dicho depósi o no ha sido u ilizado du an e el uelo. En consecuencia, el inc emen o de p esión obse ado en su in e io se debe únicamen e a la e apo ación p og esi a del GNL causada po la ansmisión de calo desde el ex e io . Es e enómeno é mico, aunque p esen e, esul a limi ado en es e pe il de misión de co a dis ancia, pe mi iendo man ene las condiciones de ope ación den o de má genes segu os. A con inuación, se p ocede á a simula cuán os uelos consecu i os pod ían ealiza se bajo es a con igu ación man eniendo los depósi os sin epos a , espe ando en odo momen o los lími es máximos de p esión es ablecidos en su in e io . Es e análisis pe mi i á e alua la iabilidad ope a i a de u iliza el Boeing 767-300ER con una con igu ación adap ada a ayec os de media dis ancia, como los de 2000 km, en un con ex o de uelos conca enados, al y como ocu e en las ope aciones de las ae olíneas de bajo cos e. Se p e ende con ello de e mina el núme o máximo de uelos 128 Capí ulo 7. Aplicaciones posibles sin comp ome e la in eg idad es uc u al ni la segu idad del sis ema de almacenamien o c iogénico. Figu a 7.11 E olución de la p esión pa a los dos p ime os uelos. En es e caso, se puede comp oba en la igu a 7.11 cómo el depósi o ex e no se acía an es de alcanza las 7 ho as de ope ación, al y como ya se había obse ado p e iamen e en la igu a 6.24. Es e hecho explica el cambio en la asa de inc emen o de la p esión en los anques in e nos, siendo una consecuencia di ec a de que es os comienzan a se u ilizados ac i amen e pa a el suminis o de combus ible a la ae ona e. A pa i de ese momen o, los depósi os ex e nos pe manecen comple amen e acíos, y la demanda de combus ible ecae exclusi amen e sob e los anques in e nos. A con inuación, se p esen a la e olución co espondien e al e ce uelo consecu i o bajo es a con igu ación. Es impo an e des aca que, en es e escena io, únicamen e se u ilizan los depósi os in e nos, ya que los ex e nos pe manecen comple amen e acíos desde la inalización del segundo uelo. La e olución de las a iables cla e du an e es e e ce ayec o se mues a a con inuación: Figu a 7.12 E olución de la p esión pa a los es p ime os uelos. 7.4 Escena io de medio alcance: adap ación a ope aciones de bajo cos e. 129 Como se ap ecia en la igu a 7.14, la p esión en los depósi os du an e es e e ce uelo consecu i o se man iene po debajo del umb al máximo es ablecido de 10 ba es. No obs an e, el ma gen es an e es insu icien e pa a ga an iza la iabilidad de un cua o uelo sin excede dicho lími e de p esión. Siendo los pe iles de uelo los siguien es en es e caso de 3 uelos conca enados: Cada uno de los es ayec os simulados ha sido ejecu ado u ilizando el mismo pe il de uelo adap ado pa a media dis ancia, al y como se de alló en apa ados an e io es. Es e pe il incluye ases de ascenso, c uce o y descenso ajus adas a uelos de 2000 km, con al i udes de c uce o más educidas (FL280, FL300 y FL320) en compa ación con la con igu ación o iginal pa a uelos de la go alcance. Es as a iaciones buscan ep esen a de o ma ealis a las condiciones ope a i as p opias de u as ípicas en ae olíneas de bajo cos e. Figu a 7.13 Alcance de los es uelos conca enados. Figu a 7.14 E olución de la al u a y iempo de los es uelos. 130 Capí ulo 7. Aplicaciones A pa i de es a úl ima simulación, se concluye que bajo la con igu ación ac ual es posible ealiza un o al de es uelos consecu i os de 2000 km cada uno. El ac o limi an e en es e caso es el inc emen o acumula i o de p esión en los depósi os, el cual impide la con inuidad ope a i a más allá del e ce ayec o. Es a limi ación puede explica se po los siguien es mo i os: • Modi icación del pe il de uelo: Pa a adap a se a ayec os de media dis ancia, se ha ediseñado la en ol en e de uelo educiendo las al i udes alcanzadas. Como consecuencia, la empe a u a ambien e media du an e el ayec o es supe io , lo que in ensi ica la ans e encia de calo hacia los depósi os y, po an o, acele a el aumen o de p esión en su in e io . • Mayo p opo ción de amos de ascenso: En uelos más co os, la ase de c uce o —donde el mo o ope a con mayo e iciencia y el consumo es más uni o me— se e educida. Es o implica una mayo p esencia ela i a de amos de ascenso, ca ac e izados po una mayo exigencia en é minos de empuje y, en consecuencia, un inc emen o en el consumo de combus ible, ci cuns ancia que epe cu e di ec amen e en el inc emen o de la p esión. • Depósi os ex e nos acíos: Una ez que los depósi os ex e nos se han aciado comple amen e, man ene los en la con igu ación supone una penalización innecesa ia en é minos de peso y esis encia ae odinámica, sin apo a ningún bene icio ope a i o adicional. A la luz de los esul ados ob enidos, se ecomienda conside a una econ igu ación ope a i a pa a los ayec os de media dis ancia en los que se p e ea la ejecución de múl iples uelos consecu i os sin epos aje. En es e con ex o, esul a aconsejable p escindi de los depósi os ex e nos una ez que su con enido ha sido comple amen e consumido, con el in de educi an o la masa es uc u al innecesa ia como la esis encia ae odinámica adicional que apo an. Es a modi icación pe mi i ía op imiza el endimien o global de la ae ona e en uelos sucesi os, al iempo que mi iga ía el aumen o de p esión en los depósi os in e nos. Además, es impo an e señala que, as comple a los es uelos consecu i os, queda aún una can idad emanen e de combus ible en los depósi os in e nos de ap oximadamen e 9623 kg. Es a si uación, lejos de supone una en aja, ep esen a una ine iciencia ope a i a, ya que implica un cos e económico asociado al anspo e de combus ible que no ha sido u ilizado. Desde la pe spec i a de una compañía aé ea, es e exceden e supone una pé dida di ec a, al habe in e ido en un ecu so que no con ibuye e ec i amen e al cumplimien o de la misión. Po odo ello, se concluye que es a con igu ación, si bien écnicamen e iable, no esul a óp ima en é minos de en abilidad y e iciencia ope a i a. Adicionalmen e, pod ía explo a se la posibilidad de implemen a es a egias de e ige ación pasi a o mejo as en el aislamien o é mico de los anques in e nos, con el obje i o de minimiza la acumulación de p esión du an e uelos múl iples. Es a adap ación, jun o con una plani icación adecuada del pe il de uelo, pod ía ex ende el núme o de ayec os consecu i os iables sin necesidad de epos a , aumen ando así la lexibilidad ope a i a de la ae ona e en u as de media dis ancia. 7.4 Escena io de medio alcance: adap ación a ope aciones de bajo cos e. 131 7.4.2 Vuelos conca enados sin depósi os ex e nos. Es e apa ado su ge a pa i del análisis ealizado p e iamen e, donde se obse ó que los depósi os ex e nos se acían an es que los in e nos du an e los uelos conca enados. Es o plan ea la posibilidad de es udia la iabilidad de ealiza ayec os consecu i os empleando únicamen e los depósi os in e nos del ala. Es a p opues a se sus en a en los siguien es a gumen os: • Al p escindi de los depósi os ex e nos, la esis encia ae odinámica de la ae ona e se educe, lo que conlle a una disminución del empuje eque ido y, en consecuencia, del consumo de combus ible. • Al elimina los depósi os ex e nos una ez consumidos, se e i a anspo a peso innecesa io du an e el es o de la ope ación, é mino que con ibuye a una mayo e iciencia es uc u al y ope a i a. Lle ando a cabo el mismo p ocedimien o que en el caso an e io , la e olución de los depósi os in e nos pa a los dos p ime os uelos consecu i os se ep esen a a con inuación. En es e escena io, se ha p escindido comple amen e de los depósi os ex e nos, po lo que oda la demanda ene gé ica de la misión ecae exclusi amen e sob e los anques in e nos del ala. Figu a 7.15 E olución de la p esión en los depósi os in e nos. La g á ica pone de mani ies o que pa a es os uelos conca enados la p esión no supond ía una limi ación, ya que se man iene den o de los má genes es ablecidos du an e oda la ope ación. Sin emba go, y como se ha demos ado en apa ados an e io es, la au onomía o al de la ae ona e con es a con igu ación se si úa lige amen e po encima de las 10 ho as. Es o implica que, aunque aún exis a ma gen en cuan o a la p esión in e na del depósi o, no se ía iable comple a un uelo adicional, ya que la can idad de combus ible es an e no se ía su icien e pa a sa is ace los equisi os ene gé icos de o o ayec o comple o de 2000 km. Finalmen e, la can idad de combus ible es an e en es a si uación se ía de ap oximadamen e 9864 kg, un alo simila al obse ado en el caso an e io . Pese a ello, eniendo en cuen a que la can idad inicial de combus ible emba cado e a in e io al no con a con los depósi os ex e nos, es e emanen e ep esen a un po cen aje mayo espec o al o al. Es e hecho pone nue amen e de mani ies o que es a opción ampoco se p esen a como una de las con igu aciones más iables desde el pun o de is a ope a i o y económico, al implica una meno e iciencia en la u ilización del combus ible disponible. 132 Capí ulo 7. Aplicaciones A pa i del análisis ealizado, se puede conclui que ambas con igu aciones —con y sin depósi os ex e nos— p esen an limi aciones ope a i as que comp ome en su iabilidad como soluciones óp imas pa a uelos conca enados de media dis ancia. En el caso de la con igu ación que incluye los depósi os ex e nos, si bien pe mi e ealiza es uelos consecu i os de 2000 km espe ando los lími es de p esión en los anques, p esen a como incon enien e p incipal la acumulación de combus ible emanen e en los depósi os in e nos, que asciende a 9623 kg. Es a can idad, no u ilizada en la misión, ep esen a una pé dida económica pa a la ae olínea y e idencia un dimensionamien o poco e icien e del sis ema de almacenamien o pa a es e ipo de ope ación. Po o o lado, la con igu ación sin depósi os ex e nos educe la esis encia ae odinámica y la masa o al emba cada, lo que se aduce en un meno consumo y meno es exigencias de empuje. No obs an e, es a mejo a no pe mi e aumen a de mane a signi ica i a el núme o de uelos consecu i os. Aunque se log a man ene la p esión in e na den o de los lími es es ablecidos, la au onomía o al apenas supe a las 10 ho as, lo que impide ealiza un e ce uelo comple o. Además, la can idad de combus ible emanen e en es e caso, de 9864 kg, po cen aje mayo espec o al o al emba cado, lo que e leja nue amen e una subu ilización del combus ible disponible. Es e esul ado es, en pa e, espe able, dado que el Boeing 767-300ER ha sido concebido pa- a misiones de la go alcance. Al adap a el pe il de uelo pa a ayec os más co os, cambian signi ica i amen e las condiciones ope a i as, incluyendo meno es al i udes de c uce o, mayo es empe a u as y amos de ascenso más demandan es, lo que in luye nega i amen e en la e iciencia gene al. Los esul ados ob enidos, empe o, pe mi en a i ma que, pese a no se su p opósi o o igi- nal, es a ae ona e pod ía desempeña ope aciones de media dis ancia en de e minados con ex os, man eniendo má genes de segu idad adecuados y sin comp ome e la in eg idad de la misión. 8 Resul ados ob enidos U na ez ob enidos esul ados cohe en es y op imizados en la medida de lo posible pa a una p ime a ap oximación, esul a con enien e ealiza una compa ación en e la mejo de las con igu aciones ob enidas y la si uación o iginal de e e encia. Es e análisis pe mi i á iden i ica las en ajas y des en ajas asociadas al uso de gas na u al licuado (GNL) como combus ible al e na i o. Pa a la elabo ación de es a conclusión, se emplea án los esul ados más a o ables ob enidos, co espondien es a la p ime a opción de op imización y al caso de máximo alcance. Se deja án de lado las di e en es con igu aciones de i adas de la si uación inicial, cen ándose exclusi amen e en el caso de e e encia y la al e na i a op imizada. 8.1 Discusión de los esul ados El p incipal obje i o de es e abajo ha sido es udia la iabilidad del uso de gas na u al licuado (GNL) como combus ible al e na i o pa a la pla a o ma seleccionada, en es e caso el Boeing 767-300ER, e aluando su capacidad pa a ealiza una misión de máximo alcance. A pa i de la con igu ación más a o able, se ha ob enido un alcance de 11799 km , lo que ep esen a un inc emen o del 0.83% espec o al alo de e e encia co espondien e a la ae ona e en su con igu ación o iginal, cuyo alcance es de 11700 km. Es impo an e des aca que es os esul ados posi i os se han log ado man eniendo un equilib io en e la maximización del olumen de combus ible almacenado a bo do y la minimización de las pé didas é micas a a és de los nue os anques c iogénicos inco po ados al diseño. Es a úl ima se ha abo dado median e la selección adecuada de los espeso es de los ma e iales aislan es empleados. En elación con los esul ados ob enidos, y as la e olución del p oceso de diseño y op imización, se obse a que es os han sido cohe en es y, en muchos casos, alen ado es, dadas las p es aciones alcanzadas. A pa i de es e análisis, pueden ex ae se las siguien es conclusiones ele an es: • El espeso del aislan e en los depósi os ubicados en el in e io del ala se ha iden i icado como uno de los ac o es más in luyen es en la consecución del máximo alcance. Un aumen o en dicho espeso pe mi e educi signi ica i amen e el lujo de calo hacia el in e io del depósi o, e i ando que las empe a u as y p esiones in e nas supe en los alo es c í icos, y posibili ando así comple a la misión con éxi o. • El espeso de los aislan es de los depósi os ex e nos ep esen a la p incipal a iable de op imización de la misión. El p oceso i e a i o de diseño ha pe mi ido aco a un ango ope a i o iable pa a es a magni ud. Po un lado, espeso es excesi os inc emen an la supe icie on al y, con ello, la esis encia ae odinámica, lo cual equie e un mayo empuje y conduce a un aumen o del consumo de combus ible, haciendo in iable la misión. Po o o lado, espeso es insu icien es educen dicha esis encia, pe o p o ocan una ele ada ans e encia 133 134 Capí ulo 8. Resul ados ob enidos é mica o iginado po el con ac o di ec o con la co ien e ex e na a Mach 0.85, lo que ocasiona en una ápida e apo ación del GNL, que impide comple a el ayec o p e is o. • El peso o al cons i uye un ac o limi an e esencial, dado que el Maximum Take-O Weigh (MTOW) no puede se supe ado en ningún caso. A pesa de la inco po ación de los de- pósi os ex e nos, la con igu ación inal man iene un ma gen de masa ope a i o su icien e, especialmen e ú il pa a minimiza las posibles ince idumb es asociadas a las suposiciones y simpli icaciones del modelo empleado. A pesa de que la misión es ipulada puede se comple ada con la con igu ación seleccionada, se obse a un inc emen o signi ica i o en el empuje eque ido pa a su ejecución. Es e aumen o lle a, ine i ablemen e apa ejado, una mayo demanda de combus ible, lo cual cons i uye una de las p incipales limi aciones iden i icadas en el p esen e abajo. Dicha penalización en el consumo ene gé ico debe se conside ada como un ac o c í ico en la e aluación global de la iabilidad del uso de gas na u al licuado (GNL) como al e na i a al combus ible con encional. Figu a 8.1 Compa ación de la posición de la palanca de gasas du an e el ayec o en ambas con igu- aciones . Tal y como se puede obse a en la Figu a 8.1, en odos los amos de la misión analizados, el empuje eque ido esul a signi ica i amen e supe io debido a la inco po ación de los depósi os ex e nos. Es a di e encia es especialmen e no able du an e el amo de c uce o, donde se pasa de eque i ap oximadamen e un 53 % del empuje máximo a ce ca de un 90 % pa a man ene el uelo de c uce o a Mach 0.85 bajo condiciones no males. Po o a pa e, en lo ela i o al aislamien o é mico, se ha demos ado que uno de los ac o es más de e minan es en la pé dida de endimien o de la misión es la ansmisión de calo hacia los depósi os c iogénicos. Dado que el gas na u al licuado (GNL) debe se almacenado a una empe a u a c iogénica de -196ºC, esul a indispensable ga an iza un aislamien o é mico adecuado que asegu e la iabilidad de la ope ación du an e oda la misión. Du an e el p oceso de diseño y op imización, se ha obse ado una endencia descenden e en los coe icien es de película é mica asociados a cada depósi o, lo cual con i ma que la e olución del p oceso de op imización ha seguido una ayec o ia cohe en e y a o able. A con inuación, se de allan los esul ados más ep esen a i os: • En los depósi os ex e nos, el coe icien e de película se ha educido desde un alo inicial de 186 W m2K has a alcanza un alo inal de 9.5 W m2K . Es a educción pone de mani ies o la