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
en Ingenie ía Ae oespacial
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión
aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con combus ibles
al e na i os
Au o : Ana Isabel Maqueda Fe nández
Tu o : F ancisco J. Jiménez-Espada o
T abajo Fin de G ado
en Ingenie ía Ae oespacial
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión
aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Au o :
Ana Isabel Maqueda Fe nández
Tu o :
F ancisco J. Jiménez-Espada o
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
III
T abajo Fin de G ado: El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación
ae ona e-mo o con combus ibles al e na i os
El ibunal nomb ado pa a juzga el P oyec o a iba indicado, compues o po los siguien es
miemb os:
P esiden e:
Vocales:
Sec e a io:
Acue dan o o ga le la cali icación de:
El Sec e a io del T ibunal
Fecha:
Au o :
Ana Isabel Maqueda Fe nández
Tu o :
F ancisco J. Jiménez-Espada o
V
A mi amilia y amigos.
VII
Ag adecimien os
uie o exp esa mi más since o ag adecimien o a odas aquellas pe sonas que, de una o ma
u o a, me han acompañado en es e camino y han hecho posible la ealización de es e abajo.
A mi amilia, especialmen e a mis pad es, José Ma ía y Mª Ca men, y a mi he mano José Ma ía,
po su apoyo incondicional, po se mi e ugio en los momen os di íciles y po con ia en mí
incluso cuando yo dudaba. G acias po ues a paciencia in ini a, po b inda me siemp e ánimos
y po da me las he amien as necesa ias pa a segui adelan e. Es e log o es ambién ues o.
A mis amigos, an o los que han es ado a mi lado du an e la ca e a como aquellos de ue a, po
aguan a me en los momen os de es és, po su apoyo sin condiciones y po eco da me que siemp e
hay un mo i o pa a eí , incluso en los días más complicados. G acias po ues as palab as de
ánimo, po ues a paciencia y po es a ahí, incluso cuando no enía mucho iempo pa a
de ol e os el a o .
También quie o ag adece a odos los p o eso es y compañe os que han compa ido conmigo es e
camino, apo ando conocimien os, ideas y apoyo. A quienes han dedicado su iempo y es ue zo a
guia me y a aquellos que han con ibuido, de una u o a o ma, en es e p oyec o.
A odos oso os, g acias.
Ana Isabel Maqueda Fe nández
Se illa, 2025
Q
IX
Resumen
l p esen e abajo de in de g ado analiza el uso del hid ógeno líquido como combus ible pa a
ae ona es, es udiando su iabilidad, en ajas y desa íos en compa ación con los
combus ibles con encionales. Se ealiza un es udio de allado de di e sas ae ona es y su
adap ación pa a ope a con hid ógeno, e aluando aspec os cla e como el almacenamien o
c iogénico, la e iciencia ene gé ica y el impac o ambien al.
Pa a ello, se lle a a cabo una modelización del compo amien o é mico de los anques de
hid ógeno y se analizan dis in os ma e iales óp imos pa a su cons ucción, conside ando sus
p opiedades mecánicas y é micas. Asimismo, se examinan los e ec os de la apo ización y las
pé didas de hid ógeno en uelo, p oponiendo es a egias pa a mi iga es os e ec os y op imiza la
au onomía de la ae ona e.
Los esul ados ob enidos pe mi en comp ende mejo los e os asociados al uso del hid ógeno en
a iación y o ecen una base pa a u u as in es igaciones en el desa ollo de sis emas de p opulsión
más sos enibles.
E
XVII
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilus ación 2.1: Planos B200 ........................................................................................................... 8
Ilus ación 2.2: Planos ATR-72 ....................................................................................................... 9
Ilus ación 2.3: Planos A400M ...................................................................................................... 10
Ilus ación 2.4: Relación en e los ejes ien o, ho izon e local y cue po de la ae ona e. ............. 11
Ilus ación 2.5: Esquema del segmen o de despegue. ................................................................... 13
Ilus ación 2.6: Función logís ica pa a la acele ación en ie a en las misiones de las es
ae ona es ....................................................................................................................................... 14
Ilus ación 2.7: Esquema el a e izaje ........................................................................................... 20
Ilus ación 2.8: En ol en e de uelo misión B200 ....................................................................... 23
Ilus ación 2.9: Despegue B200 .................................................................................................... 24
Ilus ación 2.10: Acele ación B200 ............................................................................................... 25
Ilus ación 2.11: C uce o B200 ..................................................................................................... 25
Ilus ación 2.12: Descenso B200 ................................................................................................... 26
Ilus ación 2.13: Ap oximación y a e izaje B200 ........................................................................ 26
Ilus ación 2.14: En ol en e de uelo misión ATR-72 ................................................................. 27
Ilus ación 2.15: Despegue ATR-72 .............................................................................................. 28
Ilus ación 2.16: Ascenso ATR-72 ................................................................................................ 28
Ilus ación 2.17: Acele ación ATR-72 .......................................................................................... 29
Ilus ación 2.18: C uce o ATR-72 ................................................................................................ 29
Ilus ación 2.19: Descenso ATR-72 .............................................................................................. 30
Ilus ación 2.20: Ap oximación y a e izaje ATR-72 ................................................................... 30
Ilus ación 2.21: En ol en e de uelo misión del A400M. ........................................................... 31
Ilus ación 2.22: Despegue A400M .............................................................................................. 32
Ilus ación 2.23: Subida A400M ................................................................................................... 32
Ilus ación 2.24: Acele ación A400M ........................................................................................... 33
Ilus ación 2.25: C uce o A400M ................................................................................................. 33
Ilus ación 2.26: Descenso ATR-72 .............................................................................................. 34
Ilus ación 2.27: Ap oximación y a e izaje A400M .................................................................... 34
Ilus ación 3.1: Mapas ope a i os B200 ........................................................................................ 36
Ilus ación 3.2: Mapas ope a i os ATR-72 ................................................................................... 37
Ilus ación 3.3: Mapas ope a i os A400M .................................................................................... 38
Ilus ación 3.4: Mapas ope a i os pa a el H2del B200 ................................................................. 41
Ilus ación 3.5: Mapas ope a i os pa a el H2del ATR-72 ............................................................ 41
Ilus ación 3.6: Mapas ope a i os pa a el H2del A400M ............................................................. 42
Ilus ación 4.1: Rep esen ación g á ica del es ado ensional en cilind os de pa ed delgada ......... 44
Ilus ación 4.2:Diseño de la geome ía de los depósi os ............................................................... 49
Ilus ación 4.3: Relación D/L y el inc emen o de esis encia ....................................................... 52
Ilus ación 4.4: Compa ación de los coe icien es de esis encia ................................................... 52
Ilus ación 4.5: Relación en e D/L y el inc emen o de esis encia .............................................. 54
Ilus ación 4.6: Compa ación de los coe icien es de esis encia ................................................... 54
Ilus ación 4.7:Compa ación coe icien es de esis encia A400M caso 2 ...................................... 56
Ilus ación 4.8: Compa ación coe icien es de esis encia A400M caso 3 ..................................... 56
Ilus ación 4.9: Imagen F-16 con anques ex e nos ....................................................................... 57
Ilus ación 4.10: Imagen A400M con anque ex e no sob e el uselaje ........................................ 57
Ilus ación 4.11: Diag ama de ase H2 líquido ............................................................................. 62
Ilus ación 5.1: E olución pa áme os en los anques ex e nos B200 .......................................... 74
Ilus ación 5.2: E olución pa áme os en depósi os in e nos B200 .............................................. 75
Ilus ación 5.3: Nue a e olución de los pa áme os en depósi os ex e nos B200 ........................ 77
Ilus ación 5.4: Nue a e olución pa áme os en depósi os in e io es B200 ................................. 78
Ilus ación 5.5: E olución de pa áme os según el espeso del aislan e en anques ex e nos ....... 79
Ilus ación 5.6: E olución pa áme os en depósi os ex e nos ATR-72 ........................................ 83
Ilus ación 5.7: E olución pa áme os en depósi os in e io es ATR-72 ....................................... 84
Ilus ación 5.8: Nue a e olución pa áme os en depósi os ex e nos ATR-72 .............................. 85
Ilus ación 5.9: Nue a e olución pa áme os en depósi os in e io es ATR-72 ............................ 86
Ilus ación 5.10: E olución de pa áme os según el espeso del aislan e en anques ex e nos
ATR-72 ......................................................................................................................................... 87
Ilus ación 5.11: E olución pa áme os en depósi o ex e no A400M .......................................... 90
Ilus ación 5.12: E olución pa áme os en depósi os in e nos A400M ........................................ 91
Ilus ación 5.13: Nue a e olución pa áme os en depósi o ex e no A400M ................................ 92
Ilus ación 5.14: Nue a e olución pa áme os en depósi os in e nos A400M ............................. 93
Ilus ación 5.15: E olución de pa áme os según el espeso del aislan e en anque ex e no
A400M .......................................................................................................................................... 94
XIX
No ación
ISA
A mós e a Es ánda In e nacional
𝜃
𝜃!
𝛼"
h
𝑝
𝑝!
R
𝜇
Tempe a u a a mos é ica (K)
Tempe a u a a ni el del ma (K)
G adien e de empe a u a con la al i ud
Al i ud
P esión (Pa)
P esión a ni el del ma (Pa)
Cons an e de los gases ideales (287.05 J / (kg ·K))
Viscosidad (Pa·s)
𝜇!
𝜃##
g
𝜌
𝜌!
𝜌##
T
𝛾
M
Viscosidad a ni el del ma (Pa·s)
Tempe a u a en la opopausa (K)
G a edad (9.8 m/s2)
Densidad (kg/m3)
Densidad a ni el del ma (kg/m3)
Densidad en la opopausa (kg/m3)
Empuje (N)
Coe icien e adiabá ico
Mach
L
D
W
S
𝐶$
𝐶%
𝐶%!
Fue za de sus en ación
Fue za de esis encia
Peso
Supe icie
Coe icien e de sus en ación
Coe icien e de esis encia
Coe icien e de esis encia pa ási a
𝐶$&'(
Coe icien e de sus en ación máximo
𝐶%!,*+,'-
k
Coe icien e de esis encia pa ási a con igu ación limpia
Coe icien e de esis encia inducida
XXI
𝑐.,𝑇𝑆𝐹𝐶
Consumo especí ico
𝐻/
Pode calo í ico del combus ible
𝜋0
Relación de comp esión
1
𝑚
3
1
x
y
m
𝜇1
N
𝛾
𝜒
𝜎$
𝜎"
1
e
d
𝜎23
V
MTOW
Gas o
Dis ancia ho izon al
Dis ancia e ical
Tiempo
Velocidad
Masa
Coe icien e de icción
Fue za no mal
Ángulo de subida
Rumbo
Tensión longi udinal
Tensión ans e sal
Espeso
Radio
Diáme o
Tensión equi alen e de Von Mises
Volumen
Maximum Take O Weigh (Peso máximo al despegue)
1 INTRODUCCIÓN
El cambio a p ác icas de a iación sos enibles es uno de los emas más des acados den o del sec o
ae oespacial del siglo XXI. El anspo e aé eo, que ep esen a una pa e conside able de las
emisiones globales de dióxido de ca bono, es á bajo una p esión c ecien e pa a educi su impac o
ambien al mien as man iene la e iciencia ope a i a y la iabilidad económica. En es e con ex o,
el Hid ógeno Líquido (H₂) se p esen a como un combus ible al e na i o con un eno me po encial,
ya que su p oducción de ene gía no emi e ca bono, con i iéndose en un componen e undamen al
de las es a egias de desca bonización a ni el mundial.
La Figu a 1 mues a una compa ación en e di e en es uen es de ene gía, conside ando dos
aspec os cla es: la densidad ene gé ica g a imé ica (MJ/kg) y la densidad ene gé ica olumé ica
(MJ/L). Es e ipo de ep esen ación pe mi e en ende más ácilmen e las en ajas y des en ajas de
cada combus ible en si uaciones donde el peso y el olumen son ac o es de g an impo ancia,
como en la a iación. Se obse a que los combus ibles ósiles adicionales, como el diésel, JP-8 o
la gasolina o ecen un buen equilib io en e ambas densidades, lo que explica po qué se u iliza
an o en la indus ia ae onáu ica. En con as e, el hid ógeno en es ado líquido (H₂ liq) des aca po
su al a densidad ene gé ica g a imé ica (~120 MJ/kg), supe ando a cualquie de los combus ibles
mos ados en la g á ica, lo que lo con ie e en un candida o ideal pa a educi el peso del sis ema
de p opulsión. Po o o lado, su baja densidad olumé ica (~8 MJ/L) signi ica que es necesa io
más espacio pa a almacena lo, lo que plan ea e os signi ica i os en la in eg ación en el diseño de
ae ona es. A su ez, el hid ógeno comp imido (a 350 o 700 ba ) p esen a densidades olumé icas
incluso más bajas, lo que hace que el hid ógeno líquido sea la opción más iable pa a la a iación.
Es a igu a pe mi e en ende po qué, a pesa de sus desa íos, el hid ógeno líquido es una de las
al e na i as más p ome edo as pa a educi las emisiones en el anspo e aé eo.
Ilus ación 1. Rep esen ación de la densidad ene gé ica g a imé ica y olumé ica pa a
combus ibles con encionales y al e na i os.
El hid ógeno líquido, con una densidad ene gé ica supe io a la de los combus ibles ósiles en
é minos de masa, o ece en ajas signi ica i as pa a la a iación. Sin emba go, el almacenamien o
y manejo de H₂ plan ea nume osos e os écnicos. A empe a u as c iogénicas (~20 K), man ene
el hid ógeno en es ado líquido equie e un diseño a anzado de anques, ma e iales de al a
esis encia mecánica y bajo peso, y sis emas de aislamien o é mico e icien es pa a minimiza las
Modelo dinámico de a ión
8
8
en uelos p i ados de co o alcance. Es á equipado con dos mo o es P a & Whi ney Canada
PT6A-42, que son mo o es u bohélice.
A con inuación, se p esen an las ca ac e ís icas de in e és de es a ae ona e.
• Dimensiones:
- Dimensiones cabina de anspo e: 5,08 m la go, 1,47 m ancho y 1,47 m al o.
- Dimensiones ex e nas: longi ud del uselaje 13,3 m y al u a de 4,6 m.
• Pesos
- Peso en acío ope a i o (𝑀𝑇𝑂𝑊): 3848 kg.
- Peso máximo al despegue(𝑀𝑍𝐹𝑊): 5670 kg.
- Peso de combus ible máximo1(𝑀EF,+,&'(): 1653.344 kg.
• Pola
- Despegue: 𝐶%!,"G =0.0526;𝐶$&'(,"G = 1.3619.
- A e izaje: 𝐶%!,$% =0.0172;𝐶$&'(,$% = 1.7763.
- Con igu ación limpia: 𝐶%! =0.0199;𝐶$&'( = 1.1183.
- K=0.0416;Δ𝐶%,$H =0.01
- 𝑆1,E =28.14 𝑚A
• Techo de uelo: h=35000
• Alcance máximo: 1703 km
Ilus ación 2.1: Planos B200
2.4.2. ATR-72
El ATR 72, un e sá il a ión de pasaje os de u bohélice ha sido pa e undamen al de las lo as
aé eas de odo el mundo desde su in oducción. El ATR 72, ab icado po Leona do y Ai bus, es
conocido po su capacidad pa a ealiza misiones egionales y de co a dis ancia de mane a
e icien e y con iable.
Se a a de una ae ona e con una capacidad de en e 68 y 78 pasaje os, ep esen a i a del segmen o
de la a iación come cial egional, el cual cons i uye una pa e signi ica i a del á ico aé eo global
en la ac ualidad.Es ipulado po dos pe sonas y p opulsado po dos mo o es u bohélices P a &
Whi ney Canada PW100.
9
9
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
El AR-72 des aca po su economía ope a i a e his o ial de segu idad sólido. Lo usan nume osas
ae olíneas y compañías de odo el mundo, y es popula en egiones con dis ancias en e ciudades
ela i amen e co as. En el con ex o español, es e ipo de ae ona e se u iliza habi ualmen e en
uelos de ca ác e nacional o de co o eco ido, como los que conec an Málaga con Melilla o las
Islas Cana ias con des inos ce canos en el no e de Á ica, como Ma uecos.
Algunas ca ac e ís icas de in e és de es a ae ona e son:
• Dimensiones:
- Dimensiones cabina de anspo e: 14,1 m la go, 2,56 m ancho y 1,91 m al o
- Dimensiones ex e nas: longi ud del uselaje 27,16 m y al u a de 7,65 m
• Pesos
- Peso en acío ope a i o (𝑀𝑇𝑂𝑊): 13500 kg.
- Peso máximo al despegue(𝑀𝑍𝐹𝑊): 22800 kg.
- Peso de combus ible máximo1(𝑀EF,+,&'(): 5000 kg.
• Pola
- Despegue: 𝐶%!,"G =0,0597;𝐶$&'(,"G = 2,1706.
- A e izaje: 𝐶%!,$% =0,798;𝐶$&'(,$% = 2,2431.
- Con igu ación limpia: 𝐶%! =0,0226;𝐶$&'( = 1.59.
- K=0,0351;Δ𝐶%,$H =0,015
- 𝑆1,E =611𝑚A
• Techo de uelo: h=25000
• Alcance máximo: 1528 km
Ilus ación 2.2: Planos ATR-72
2.4.3. A400M
Pa a e mina de cub i el ango de a iones u bohélices disponibles en el me cado se ha ecu ido
a una ae ona e de g an amaño y capacidad de anspo e. El Ai bus A400M, conocido como el
"A las", ep esen a un hi o en la a iación mili a eu opea y en el anspo e aé eo es a égico en
Modelo dinámico de a ión
10
10
odo el mundo. Es e imp esionan e a ión de anspo e mili a combina ecnología de angua dia
con una capacidad de ca ga excepcional. Diseñado pa a lle a a cabo una amplia gama de misiones
de la go alcance mili a es y humani a ias, el A400M es un ejemplo de ingenie ía y colabo ación
in e nacional.
Es á equipado con cua o mo o es u bohélice Eu oP op In e na ional TP400-D6, cada uno capaz
de desa olla una po encia de 11.000 HP a ni el del ma . Puede anspo a has a 116 soldados
comple amen e equipados. Con una capacidad de ca ga de has a 37 oneladas, lo que le pe mi e
anspo a ehículos blindados, equipo mili a y paque es de ayuda humani a ia. Es u ilizado pa a
ope aciones de e acuación médica, anspo e de ehículos aé eos no ipulados (UAV) en e
o as.
Ca ac e ís icas de in e és de la ae ona e:
• Dimensiones:
- Dimensiones cabina de anspo e: 17,7 m la go, 4 m ancho y 3,85 m al o
- Dimensiones ex e nas: longi ud del uselaje 45,1 m y al u a de 14,7 m.
• Pesos
- Peso en acío ope a i o (𝑀𝑇𝑂𝑊): 78600 kg.
- Peso máximo al despegue(𝑀𝑍𝐹𝑊): 137500 kg.
- Peso de combus ible máximo1(𝑀EF,+,&'(): 37000 kg.
• Pola
- Despegue: 𝐶%!,"G =0,0698;𝐶$&'(,"G = 3,2.
- A e izaje: 𝐶%!,$% =0,698;𝐶$&'(,$% = 2,801
- Con igu ación limpia: 𝐶%! =0,0198;𝐶$&'( = 1.59.
- K=0,0496;Δ𝐶%,$H =0,03
- 𝑆1,E =243,4𝑚A
• Techo de uelo: h=40000
• Alcance máximo: 3300 km
Ilus ación 2.3: Planos A400M
11
11
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
2.5. Mecánica del Vuelo
Pa a analiza la demanda de empuje en las di e sas misiones de las ae ona es, es impe a i o
abo da las ecuaciones undamen ales de la mecánica del uelo. En es a sección, se expond án las
ecuaciones cinemá icas y dinámicas que igen los dis in os segmen os de las misiones. Pa a
simpli ica el análisis, se modela la ae ona e como una masa pun ual con es g ados de libe ad,
cen ándonos en su cen o de masa. Además, se adop an cie as hipó esis que acili an el es udio
del compo amien o ae odinámico y ciné ico del ehículo.
•
A ión como cue po ígido
•
A ión simé ico (β=0,ν=0)
•
Mo o ijo espec o al a ión
•
Tie a plana
•
G a edad cons an e
•
A mós e a en calma (ausencia de ien o)
Ilus ación 2.4: Relación en e los ejes ien o, ho izon e local y cue po de la ae ona e.
Bajo dichas hipó esis, las ecuaciones gene ales que de inen la cinemá ica y dinámica de la
ae ona e son:
𝑑𝑥
𝑑𝑡=𝑉cosγ𝑐𝑜𝑠χ
𝑑𝑦
𝑑𝑡=𝑉cosγsinχ
𝑑ℎ
𝑑𝑡=𝑉sinγ
𝑚𝑑𝑉
𝑑𝑡=𝑇cosεcosν−𝐷−𝑚𝑔1sin1γ
𝑚𝑉cos𝛾𝑑𝜒
𝑑𝑡=(𝐿+𝑇sin𝜀)𝑠𝑖𝑛1𝜇
Modelo dinámico de a ión
12
12
𝑚𝑉𝑑𝛾
𝑑𝑡=(𝐿+𝑇sin𝜀)cos𝜇−𝑚𝑔cos𝛾
𝑑𝑚
𝑑𝑡=−𝑐
En es as ecuaciones se iene la siguien e dependencia uncional de las dis in as ue zas,
coe icien es y ángulos:
𝐿=𝐿(ℎ,𝑉,α)
𝐷=𝐷(ℎ,𝑉,α)
𝑇=𝑇(ℎ,𝑉,𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜1𝑑𝑒1𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟)
𝑐.=𝑐.(ℎ,𝑉,𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜1𝑑𝑒1𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟)
ε=ε(α)
Inicialmen e, nos en en amos a un sis ema compues o po 7 ecuaciones di e enciales con 10
a iables dependien es. De es as, 7 son conside adas como a iables de es ado (𝑥,𝑦,ℎ,𝑉,χ,γ,𝑊),
2 a iables de con ol (α,µ) y una ú lima a iable, el empuje, que iene calculado a pa i de esas
7 ecuaciones.
Dichas ecuaciones se pueden educi aún más conside ando que el uelo a a es a siemp e insc i o
en un plano e ical, po lo que χ=1𝑐𝑡𝑒1=0, y consecuen emen e µ=0. Haciendo una úl ima
hipó esis de que el ángulo de a aque del empuje se conside a á en odo momen o coinciden e con
el ángulo de a aque del a ión 𝜀=α, las ecuaciones inales de uelo simé ico en un plano e ical
se educen a:
𝑑𝑥
𝑑𝑡=Vcosγ
𝑑ℎ
𝑑𝑡=Vsinγ
𝑊
𝑔𝑑𝑉
𝑑𝑡=T−D−Wsinγ
𝑊
𝑔V𝑑γ
𝑑𝑡=L−Wcosγ
𝑑𝑀
𝑑𝑡=−𝑐.𝑇
𝑊
Se iene aho a un sis ema de 5 ecuaciones di e enciales con 7 a iables dependien es: 5 a iables
de es ado y 2 a iables de con ol, eniendo así dos g ados de libe ad. Po an o, en cada segmen o
de uelo se á necesa io ce a el sis ema con dos ligadu as de uelo.
Una ez enemos es as ecuaciones, pa a su esolución numé ica se a a hace uso de las
he amien as de Ma lab.
2.5.1. Despegue
El despegue aba ca el in e alo comp endido en e la libe ación de enos al inicio de la pis a y la
llegada de la ae ona e a una elocidad y al i ud p e iamen e es ablecidas. Du an e es a ase, los
laps se man ienen en con igu ación de despegue y el en de a e izaje pe manece ex endido. Es a
maniob a puede subdi idi se en a ias e apas:
13
13
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 2.5: Esquema del segmen o de despegue.
• La ase de acele ación en ie a se ealiza has a que alcanza la elocidad de despegue
𝑉$GI =1.1𝑉"G,>J'++Du an e es a ase se asume que el coe icien e de sus en ación es aquel
co espondien e a 𝐶$,&'(.
• Du an e la ase de acele ación en ie a se supone un coe icien e de ozamien o µ≈
0.02 .T as alcanza la elocidad 𝑉$GI1 odas las uedas dejan de es a en con ac o con el
suelo.
2.5.2. Acele ación en ie a
Como se ha comen ado an es, es e segmen o se inicia con elocidad nula has a alcanza la
elocidad 𝑉$GI =ŒAK
L%M0&'!(,"*
. El a ión cuen a con odas las uedas sob e el suelo, po lo que se
end á una o ación ins an ánea a la elocidad de despegue, y el coe icien e de icción se conside a
del o den 𝜇≈0.02. Po o o lado, la pis a se supone ho izon al, po lo que 𝛾=01à1𝛼=𝜃.
Pa a la esolución de nues o sis ema, se equie e una ligadu a de uelo adicional. Pa a e i a
discon inuidades en el empuje demandado, se impond á una ley de acele ación conc e a has a
alcanza la acele ación cons an e con la que se e ec úan las dos ases es an es del despegue.
Al se la ley de acele aciones conocida, median e su in eg ación es posible ob ene la ley de
elocidades, así como conoce el iempo empleado en ealiza la ca e a de despegue.
En p ime a ap oximación, se puede asumi que la acele ación sigue una ley de ipo sigmoide, la
cual pe mi e ob ene una ansición ápida de la acele ación en los segundos inales pa a minimiza
así la discon inuidad de empuje en e ases.
a(𝑡)=𝐴#+𝐴#−𝐴A
•1+𝑄𝑒𝑥𝑝‘−𝐵 𝑐𝑑𝑡𝑜”𝑡−𝑡E•–—#
N
Los pa áme os que la de inen son: A#,AA,B,Q,c,ν. Los alo es de 𝐴#,1𝐴A son los
co espondien es a las asín o as ho izon ales cuando →∞(en despegue en ie a) y cuando iene
aà∞1(en la ase de edondeo) espec i amen e. Se ha escogido un alo de B=−5, Q=
1000, c=1 y ν=1.
Modelo dinámico de a ión
14
14
𝐴#=a(𝑡!)=𝑉$GI
A
2⋅𝑑𝑖𝑠𝑡
𝐴A=a”𝑡E•=𝑎1,OP-O,P1
A pa i de dicha unción, ya que son conocidas las acele aciones en los ins an es iniciales y inales,
es posible conoce el iempo en el cual se eco e la dis ancia de la pis a.
De es a o ma, el sis ema de ecuaciones queda de la siguien e mane a:
𝑑𝑉
𝑑𝑡=a(𝑡)
𝑑𝑥
𝑑𝑡=V(𝑡)
𝑁#+𝑁A=W−𝐿2
T=12ρ𝑉AS”𝐶%! +𝐶$max(𝑘𝐶$max −µ)•+W‘µ+ 𝑎
9.81–
𝑑𝑀
𝑑𝑡=−𝑐.T
Ilus ación 2.6: Función logís ica pa a la acele ación en ie a en las misiones de las es
ae ona es
2.5.3. Fase de edondeo
Es a ase, modelada como una maniob a de “pull up”, se lle a a cabo man eniendo un ac o de
ca ga ap oximadamen e cons an e (𝑛=1.2), y una acele ación ambién cons an e. Es a
acele ación puede de e mina se siemp e que se conozca el ángulo de salida de es e segmen o, γ>.
Pa a es ima el alo del ac o de ca ga se ha conside ado una elocidad media ep esen a i a,
ap oximadamen e igual a 1.151𝑉"G,>J'++. Asimismo, el coe icien e de sus en ación se ha
ap oximado como10.91𝐶$&'(,"G, , en línea con los alo es ípicos en con igu ación de despegue.
𝑛=12ρ”1.15𝑉s all,TO•A𝑆⋅0.9𝐶$max,TO
12ρ𝑉s all,TO
A𝑆𝐶$max,TO =1.2
Si in eg amos la ecuación que liga el ac o de ca ga con el ángulo de asien o de la elocidad, se
llega a:
15
15
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
𝑑γ
𝑑𝑡=𝑔𝑉(𝑛−1)⟶1 γ(𝑡)=𝑔(𝑛−1)
𝑎 ans ln<𝑉LOF +𝑎 ans
𝑉LOF =
𝑡E=𝑉LOF
𝑎 ans <𝑒' ans]0
4(-8#)−1=
𝑎 ans =𝑔(𝑛−1)
γ>ln<1.2𝑉s all,TO
𝑉LOF =
Es e segmen o se ex iende has a alcanza una elocidad de 1.21𝑉>J'++,"G, ya que, según la no ma i a
igen e, dicha elocidad debe alcanza se an es de supe a los 35 pies de al i ud.
Conocido el ins an e inal del segmen o y las condiciones de con o no impues as po las ligadu as
de uelo, el sis ema a esol e queda plan eado del siguien e modo:
𝑑𝑥
𝑑𝑡=Vcosγ
𝑑ℎ
𝑑𝑡=Vsinγ
𝑑γ
𝑑𝑡=𝑛−cosγ
𝑉𝑔
𝑑𝑀
𝑑𝑡=−cE1𝑇
2.5.4. Ascenso
Una ez alcanzado el ángulo de ascenso deseado, el despegue no se conside a inalizado has a que
se cumplan simul áneamen e dos condiciones: una al i ud supe io a 35 pies y una elocidad igual
o mayo a VA=1.2V`a,bcdee.
Po ello, si es as condiciones no se han cumplido, se ealiza una ase de ascenso a ángulo de subida
y acele ación cons an es e iguales a las del amo an e io .
En consecuencia, el sis ema de ecuaciones a esol e es el siguien e:
𝑑𝑥
𝑑ℎ=1
anγ>
𝑑𝑉
𝑑ℎ=𝑎 ans
𝑉sinγ>
T=12ρ𝑉ASC𝐷!+2𝑘(𝑊cos(γ>))A
ρ𝑉A𝑆+Wsin(γ>)+𝑊
𝑔𝑎 ans
𝑑𝑊
𝑑ℎ=−𝑔𝑐𝐸
𝑉sinγ>
𝑑𝑡
𝑑ℎ=1
𝑉sinγ>
A di e encia de las ases an e io es, aho a la a iable de in eg ación es la al u a, las cuales son
conocidas en los ins an es inicial y inal.
Modelo dinámico de a ión
16
16
2.5.5. Subida
En los segmen os de subida se ealiza una a iación del ángulo de ayec o ia,!que pasa de un alo
inicial dis in o de ce o a un alo inal nulo.
Al igual que en los casos an e io es, es os amos equie en la de inición de dos ligadu as de uelo
pa a pode se esuel os. En es e es udio se han conside ado dos segmen os de subida, man eniendo
las mismas ligadu as en ambos casos, pe o modi icando la ley que las de ine.
Las ligadu as de uelo empleadas consis en en impone las de i adas de la elocidad y del ángulo
de ayec o ia espec o a la al i ud, es deci , O2
O yO]
O .
Uno de los pe iles de ascenso conside ados es el ascenso a elocidad equi alen e cons an e, lo
que pe mi e es ablece una elación di ec a
1
𝑉(ℎ). Es a con igu ación esul a especialmen e
adecuada pa a alcanza al i udes de c uce o ele adas, ya que educe las exigencias de empuje y
limi a las acele aciones, mejo ando así la e iciencia del uelo en es a ase.
Adicionalmen e, se ha in oducido o o segmen o de ascenso ca ac e izado po una ley de a iación
de la elocidad con la al i ud,gO2
O ,!diseñada pa a acili a una ansición p og esi a y sua e en e
el inal del despegue (o del ascenso an e io , si ue a necesa io) y el inicio del amo a elocidad
equi alen e cons an e. Pa a consegui es a ansición sua e se ha empleado una unción ipo
sigmoide como base de la ley de con ol.
En cuan o a la e olución del ángulo de ayec o ia con la al i ud, γ(h), se ha adop ado una ley de
a iación lineal, de e minada a pa i de los alo es inicial y inal del ángulo, así como del in e alo
de al i ud co espondien e. γ(ℎ)=γh+γE−γh
ℎE−𝑔h(ℎ−ℎh)
A con inuación, se p esen an las leyes que desc iben la a iación de la elocidad con la al i ud.
La elocidad equi alen e se de ine como aquella que man iene cons an e la p esión dinámica al
conside a la densidad del ai e a ni el del ma . Es deci , co esponde a la elocidad que, aplicada
a la densidad es ánda a ni el del ma , p oduce la misma p esión dinámica que en las condiciones
eales de al i ud.
A pa i de es a de inición, y u ilizando el modelo de a mós e a es ánda ISA, es posible de i a la
elación en e la elocidad e dade a y la al i ud, lo cual pe mi e es ablece cómo a ía la elocidad
equi alen e a lo la go del pe il ascenden e.
𝑉(ℎ)=𝑉,£ρ!
ρ(ℎ)1 ⟶1 𝑑𝑉
𝑑ℎ=𝑉,‘𝑔
𝑅'𝛼"−1–‘1−𝛼"
𝜃!ℎ–4
5!6"8A
2α"θ!−‘1α"
θ!ℎ–<
Ai4
5!6"8Aj
Dado que la densidad disminuye con la al i ud, la elocidad se inc emen a ía al ealiza la subida.
No obs an e, exis e una disc epancia en e la acele ación al inal del amo de despegue y la
co espondien e al inicio del ascenso a elocidad equi alen e cons an e. Po ello, al igual que se
hizo en el análisis del despegue, se equie e una ansición p og esi a en e ambos egímenes. Es a
ansición se implemen a median e una unción sigmoide, que pe mi e de ini una ley con inua y
sua e pa a la a iación de la elocidad con la al i ud.
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17
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
𝑑𝑉
𝑑ℎ(ℎ)=𝐴#+𝐴A−𝐴#
”𝐶+𝑄𝑒k8l( 8 1)m•#
N
Al igual que en el despegue, las asín o as co esponden a los alo es de acele ación al inicio y al
inal del segmen o, asegu ando una ansición sua e en e ambos ex emos del pe il.
𝐴#=lim
→ 1¥𝑑𝑉
𝑑ℎ(ℎ)¦=𝑑𝑉
𝑑ℎ§"G (ℎh)
𝐴A=𝑑𝑉
𝑑ℎ§22o*J,
C=1 1 𝑄=1000 1 𝐵=0.1 1 ν=1
Una ez de inidas las ligadu as de uelo se pasa a esol e el sis ema de ecuaciones di e enciales
conociendo las al i udes en e las que se in eg a á.
𝑑𝑥
𝑑ℎ=1
anγ
n=1𝑔𝑉Asinγ𝑑γ
𝑑ℎ+cosγ
T=12ρ𝑉ASC𝐷!+2𝑘(𝑊𝑛)A
ρ𝑉A𝑆+Wsinγ+ 𝑊
9.81Vsinγ𝑑𝑉
𝑑ℎ
𝑑𝑊
𝑑ℎ=−𝑔⋅𝑐𝐸
𝑉sinγT
𝑑𝑡
𝑑ℎ=1
𝑉sinγ
2.5.6. Acele ación
En de e minadas ases del uelo, puede se necesa io aplica una acele ación o desacele ación con
el in de alcanza una condición especí ica, como po ejemplo la elocidad de c uce o es ablecida
pa a el égimen de ope ación.
En es e amo de acele ación se pa e de una elocidad igual a la alcanzada al inal del segmen o
de ascenso, man eniéndose un ángulo de ayec o ia nulo du an e oda la ase. Dado que en es a
maniob a se equie e una ele ada demanda de empuje, su du ación se limi a a pe iodos b e es
pa a e i a penalizaciones en el endimien o del mo o y en el consumo de combus ible.
Es ablecida una ligadu a de uelo co espondien e a γ=0, dado que la al i ud se man iene
cons an e, queda ija una segunda ligadu a, pa a la cual se a a impone una ley de acele ación
que pe mi a ob ene la elocidad de c uce o seleccionada.
Pa a es e amo se ha empleado una ley de acele ación de segundo g ado, la cual equie e conoce
los alo es de acele ación inicial, máxima y inal. Conocido el in e alo de elocidades a cub i
du an e la maniob a, es posible de e mina el iempo o al necesa io pa a comple a la ase de
acele ación.
Modelo dinámico de a ión
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24
Ilus ación 2.9: Despegue B200
Ascenso
Una ez ealizado el despegue se ealiza una subida di idida en dos amos con ligadu as de uelo
dis in as, las cuales han sido explicadas en la sección an e io . En conc e o, en es a misión, la
p ime a subida se ealiza has a una al u a de 200001𝑓𝑡, du an e la cual se educe la acele ación
del a ión (caída del empuje).
Du an e los segmen os de subida se modi ica el ángulo de asien o de la elocidad, de al o ma
que al inal de la subida dicho ángulo sea nulo, es deci , ene solo componen e ho izon al de la
elocidad (γ=0). En la p ime a subida se pasa de un ángulo de asien o de 8° a uno 4.5°. En los
úl imos 150001𝑓𝑡1pa a alcanza la co a de c uce o se educe dicho ángulo de asien o has a que la
ae ona e uele de mane a ho izon al.
Acele ación
Du an e el amo de acele ación, pa a alcanza la elocidad de c uce o de 1301𝑚/𝑠, se p oduce un
aumen o g adual en la demanda de empuje. La a iación de empuje sigue una o ma pa abólica.
Pa a ello se es ablece una unción cuad á ica pa a la acele ación, limi ada a un máximo de
0.5𝑚/𝑠A, has a que la elocidad alcance la elocidad de c uce o con una acele ación nula.
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El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 2.10: Acele ación B200
C uce o
Después de la ase de acele ación, la ae ona e en a en el c uce o, man eniendo una elocidad y
al i ud cons an es de 1301𝑚/𝑠 y 350001𝑓𝑡 espec i amen e. Es impo an e des aca que es e es el
amo de uelo más p olongado. El compo amien o obse ado coincide con las expec a i as
eó icas: el empuje necesa io es á di ec amen e elacionado con el peso de la ae ona e, y a medida
que se consume combus ible, es e equisi o de empuje disminuye.
Ilus ación 2.11: C uce o B200
Descenso
La ase de descenso se agmen a en es pa es, cada una ca ac e izada po un ajus e g adual en la
demanda de empuje de la ae ona e. Es o se ealiza con el p opósi o de log a una desacele ación
p og esi a que acili e la ap oximación y la ase de a e izaje.
Du an e la p ime a ase de descenso, la al i ud disminuye has a los 240001𝑓𝑡, aumen ando el
ángulo desde 0° has a 3°. El empuje demandado ambién se disminuye has a alo es de un 10%
del alo del empuje máximo en despegue.
Es e ni el de empuje se man end á du an e la segunda ase de descenso, donde la al i ud disminuye
has a los 7000𝑓𝑡. En es e caso, el ángulo de descenso aumen a has a un alo de 4°.
Modelo dinámico de a ión
26
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Po úl imo, en la e ce a y úl ima ase del descenso, se aumen a el empuje has a un 17% el alo
del empuje máximo en despegue. La al i ud se disminuye has a los11000𝑓𝑡1 a la cual se despliega
el en de a e izaje y se inicia la úl ima ase de la misión. El ángulo de descenso inal es 2°.
Ilus ación 2.12: Descenso B200
Ap oximación y a e izaje
En la ase inal del uelo, du an e la ap oximación, la ae ona e man iene una demanda cons an e
de empuje mien as despliega el en de a e izaje y educe g adualmen e su elocidad has a
alcanza el 1,15% de la elocidad de pé dida (𝑉>J'++). Luego, se inicia el p oceso de edondeo, que
equie e un aumen o en la po encia pa a educi el ángulo de descenso a ce o. Al oca ie a, se
disminuye lige amen e la demanda de empuje pa a minimiza la dis ancia de enado, log ando así
una decele ación en un espacio de 408.85 me os.
Ilus ación 2.13: Ap oximación y a e izaje B200
27
27
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Tabla 1: Resul ados misión B200
Combus ible
𝑪𝟏𝟐𝑯𝟐𝟑
𝑯𝟐
Rango(km)
1600.7
Al u a c uce o ( )
35000
Velocidad (m/s)
130
Consumo combus ible (kg)
1609’6
577’36
Tiempo misión (h)
3’8
3’76
Volumen combus ible (m3)
2’012
8’15
2.6.6. ATR-72
El ATR es una ae ona e usada en a iación ci il pa a cub i uelos de medio y co o alcance.
P esen a mayo capacidad de ca ga de pago que el B200 es udiado p e iamen e.
El p ocedimien o a segui pa a la de inición del pe il de misión es el mismo que en el caso que el
B200. Igualmen e, se a a es udia la misión de máximo alcance, la cual cuen a con los mismos
segmen os que el B200.
Ilus ación 2.14: En ol en e de uelo misión ATR-72
Despegue
El p oceso seguido pa a el p oceso de despegue es análogo al seguido pa a el caso del B200. Al
igual que an e io men e, pa a ealiza la maniob a se ha impues o una dis ancia de odadu a en
ie a de 850𝑚 y se ob iene que la al u a de 35𝑓𝑡 se supe a as 1145𝑚. De la misma mane a, se
Modelo dinámico de a ión
28
28
puede obse a como el empuje demandado es es a ase es el mayo de oda la misión. El ángulo
de subida con el que se inicia el siguien e segmen o es de 8°.
Ilus ación 2.15: Despegue ATR-72
Ascenso
Una ez supe ado los 35 se inicia el segmen o de subida, que a su ez es á di idido en dos subidas
con dis in as ligadu as de uelo.
En la p ime a subida se consigue alcanza una co a de 15000 disminuyendo el ángulo de subida
a 4′5°.
Una ez alcanzada dicha co a se ealiza un segundo segmen o de subida a elocidad equi alen e
cons an e has a alcanza la al u a de c uce o y que la elocidad sea ho izon al.
Ilus ación 2.16: Ascenso ATR-72
Acele ación
En es e segmen o se quie e alcanza el c uce o con una ley de acele ación cuad á ica, donde se
iene una acele ación máxima de 0′51𝑚/𝑠A y se busca ob ene una acele ación nula pa a el inicio
del c uce o con una elocidad de 140 m/s.
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El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 2.17: Acele ación ATR-72
C uce o
El segmen o de c uce o es aquel que ocupa la mayo pa e del iempo de uelo. El empuje
disminuye a medida que disminuye ambién la can idad de combus ible.
Ilus ación 2.18: C uce o ATR-72
Descenso
La e apa de descenso se ealiza de la misma mane a en 3 ases. Du an e la p ime a ase se
desciende has a los 15000 y se inc emen a el ángulo de descenso has a 4°, el empuje, el cual
sigue una ley igual que en el caso de B200, disminuye has a alo es del 10% el empuje de
despegue. El segundo amo se ealiza a empuje cons an e has a una al i ud de 6000 y
diminuyendo el ángulo a unos 2′5°. Finalmen e, una ez alcanzada dicha co a, se ealiza una
úl ima ase has a los 1000 y aumen ando el empuje.
Modelo dinámico de a ión
30
30
Ilus ación 2.19: Descenso ATR-72
Ap oximación y a e izaje
Po úl imo, en es e úl imo segmen o de la misión, se inicia la ase de ap oximación y a e izaje a
una al u a de 1000 con un ángulo de descenso de 2°. Du an e la ase de ap oximación, se lle a a
cabo la ex ensión del en de a e izaje, lo que conlle a un inc emen o de la esis encia
ae odinámica y, en consecuencia, un aumen o del empuje necesa io pa a man ene la ayec o ia
de descenso. En la maniob a de la e, el ángulo de ayec o ia se ajus a cuidadosamen e pa a
ga an iza un con ac o sua e y angen e con la pis a. Finalmen e, la dis ancia de enado eque ida
en pis a se es ima en ap oximadamen e 379,78 me os.
Ilus ación 2.20: Ap oximación y a e izaje ATR-72
Tabla 2: Da os de la misión del ATR-72
Combus ible
𝑪𝟏𝟐𝑯𝟐𝟑
𝑯𝟐
Rango(km)
2381
Al u a c uce o ( )
25000
Velocidad (m/s)
140
Consumo combus ible (kg)
4952’6
1810’3
Tiempo misión (h)
5
4.97
Volumen combus ible (m3)
6’19
25’55
31
31
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
2.6.7. A400M
El A400M se a a de un a ión de anspo e mili a de la go alcance. Se ha ealizado la misión de
máximo alcance con un c uce o a co a nominal. Pa a los dis in os segmen os de uelo se ha
seguido el mismo p ocedimien o que pa a el B200 y ATR-72.
Al igual que en los o os casos de las o as ae ona es se a a ep esen a el pe il de uelo de dicha
misión empleando el hid ógeno como combus ible así como una abla compa a i a de los
esul ados ob enidos empleando el combus ible ípico 𝐶#A𝐻A< y el 𝐻A
Ilus ación 2.21: En ol en e de uelo misión del A400M.
Despegue
Al a a se de una ae ona e mili a con ca ac e ís icas ác icas, pe mi e ealiza ope aciones de
despegue y a e izaje en co a dis ancia. En es a p ime a misión la dis ancia de pis a es de 1162’6m,
y se consigue supe a la al i ud de 35 a los 1428m ap oximadamen e. Se puede obse a como la
elación en e el empuje del c uce o p incipal con la de es a e apa es mayo que en los casos de las
ae ona es an e io es.
El ángulo de ascenso del inal de la ase de edondeo con el que se inicia el amo de subida es de
8°.
Modelo dinámico de a ión
32
32
Ilus ación 2.22: Despegue A400M
Subida
Al despegue le sigue un amo de subida pa a alcanza la al u a del p ime c uce o. Es a se ealiza
en 2 amos con las espec i as ligadu as de los casos an e io es. Se p ecisa de una educción del
ángulo de asien o, así como una ecogida del en de a e izaje y de los disposi i os
hipe sus en ado es. T as el p ime amo de subida se alcanza una al u a de 20000 y se ha
conseguido educi el ángulo de asien o a 4′5°. Se ealiza un segundo amo a elocidad
equi alen e cons an e donde el ángulo de asien o se a educiendo has a se nulo pa a inicia el
c uce o.
Ilus ación 2.23: Subida A400M
Acele ación
Una ez alcanzada la co a pa a ealiza el c uce o, se inicia un segmen o de acele ación de la
misma o ma que en los casos an e io es. La acele ación sigue una ley pa abólica con un alo
máximo de 0′5&
># pa a consegui los 2171𝑚/𝑠 necesa ios pa a ealiza el c uce o.
33
33
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 2.24: Acele ación A400M
C uce o
Una ez alcanzada la elocidad de c uce o en el segmen o an e io , es a se man iene cons an e a
una co a de 40000 eco iendo una dis ancia de 2500km.
Ilus ación 2.25: C uce o A400M
Descenso
El segmen o de descenso sigue la misma es uc u a que en las o as ae ona es. Se di ide en 3
amos con ligadu as dis in as. Al inicio, se educe el empuje a alo es del 10% del alo máximo
del empuje en despegue, así como el ángulo de descenso alcanza los 3° has a alcanza la co a de
20000 . En el segundo amo, que pe mi e descende has a la al u a de 7000 , el ángulo de
descenso a ía a 4º, mien as que la demanda de empuje pe manece cons an e. Finalmen e, en el
úl imo amo (has a los 1000 ) se p oduce un aumen o del empuje, has a un 15% el alo máximo
del empuje en despegue. El ángulo con el que se inicia la ase de edondeo pa a el a e izaje es de
2°.
Modelo de pan a p opulsi a
40
40
3.7. Mapas ope a i os pa a el hid ógeno líquido
En es e es udio, se pa e de la p emisa de que el endimien o del mo o no cambia á al u iliza
combus ibles al e na i os, en compa ación con los combus ibles je adicionales. Es o implica que
an o el empuje como el mapa ope a i o del mo o se man ienen cons an es, asumiendo que el
compo amien o del mo o con hid ógeno es idén ico al del mo o con que oseno, sal o po la
adap ación del consumo especí ico de combus ible (TSFC) al mayo pode calo í ico del
hid ógeno.
Pa a es ima la can idad de combus ible al e na i o que se necesi a ía en cada misión, se ha
ajus ado el TSFC (exp esado en kg/h/kN) en unción del pode calo í ico in e io . En es e p oceso,
se ha u ilizado como e e encia el pode calo í ico in e io del compues o 𝐶#A𝐻A<(43 MJ/kg), lo
cual pe mi e es ablece una base de compa ación con el hid ógeno líquido. Así, en cualquie pun o
del pe il de uelo con una demanda de empuje conocida, se puede calcula cuán a masa de
hid ógeno es necesa ia pa a sa is ace dicha demanda.
𝑇𝑆𝐹𝐶y#=𝑇𝑆𝐹𝐶03#y#$ ⋅𝐻E.03#y#$
𝐻E.y#
𝑊y#
3=𝑇𝑆𝐶𝐹y#⋅𝑇
Donde:
• 𝑊y#
3 es el consumo ins an áneo de hid ógeno (kg/h)
• 𝐻/.03#y#$ es el pode calo í ico in e io del Je uel (43 MJ/kg)
• 𝑇 es el empuje eque ido en un pun o especí ico del uelo (120 MJ/kg)
Es e mé odo pe mi e es ima el consumo de hid ógeno du an e el uelo al usa mapas ope a i os
que han sido ajus ados pa a e leja las p opiedades del combus ible de e e encia. Los esul ados
de es e análisis se ep esen an en las ep esen aciones siguien es.
41
41
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 3.4: Mapas ope a i os pa a el 𝐻Adel B200
Ilus ación 3.5: Mapas ope a i os pa a el 𝐻Adel ATR-72
Modelo de pan a p opulsi a
42
42
Ilus ación 3.6: Mapas ope a i os pa a el
𝐻A
del A400M
4. DISEÑO DE LOS DEPÓSITOS
El diseño de los depósi os pa a hid ógeno líquido en ae ona es plan ea una se ie de desa íos
únicos debido a las p opiedades del combus ible, como su baja densidad olumé ica y la
necesidad de man ene lo a empe a u as c iogénicas (-253 °C). A di e encia de los combus ibles
ósiles, que no equie en condiciones an ex emas, el hid ógeno líquido debe almacena se en
anques especializados que puedan man ene es as bajas empe a u as pa a e i a su e apo ación
y ga an iza la segu idad du an e odo el uelo. Es e apa ado se cen a á en los aspec os cla e del
diseño de los anques, conside ando an o los equisi os es uc u ales como ope a i os.
Una de las mayo es p eocupaciones al almacena hid ógeno líquido es la pé dida po e apo ación.
El hid ógeno c iogénico se encuen a en es ado bi ásico a empe a u as ex emadamen e bajas (en
o no a 20 K). En cualquie condición de uelo, exis i á un g adien e de empe a u a en e el
in e io del anque y el ambien e ex e io , lo que gene a á un lujo de calo hacia el depósi o. Es e
lujo é mico con ibuye a la apo ización del hid ógeno líquido y cons i uye una uen e
impo an e de pé dida ene gé ica. Po an o, el diseño debe en oca se en minimiza dicha
ans e encia é mica.
Aunque los anques es é icos son más e icien es desde el pun o de is a é mico debido a su
meno elación supe icie- olumen, los anques cilínd icos son más comunes po que esul an más
áciles y económicos de ab ica , o eciendo una elación simila en é minos de ans e encia de
calo . Sin emba go, además de la e iciencia é mica, el diseño de los anques debe in eg a o os
ac o es cla e, como la op imización del espacio en la ae ona e, la co ec a dis ibución de los
depósi os pa a no a ec a el cen o de g a edad y la necesidad de aisla adecuadamen e el
hid ógeno líquido pa a ga an iza su conse ación du an e odo el uelo.
La iabilidad de u iliza hid ógeno líquido como combus ible depende á, en g an medida, de la
e iciencia de es os depósi os. El e o es maximiza el almacenamien o, educi las pé didas po
apo ización y asegu a que el sis ema sea segu o y uncional, sin comp ome e el endimien o de
la ae ona e.
En es e capí ulo, se de ini án las ca ac e ís icas geomé icas, mecánicas y ope a i as de los
depósi os de hid ógeno líquido. Pa a lle a a cabo es e análisis, es undamen al conside a los
siguien es aspec os:
• Ubicación: De e mina el posicionamien o óp imo de los depósi os den o de la ae ona e.
• Tamaño: Es ablece las dimensiones de los depósi os, eniendo en cuen a an o las
es icciones de espacio disponibles como la can idad de combus ible necesa ia pa a la
misión.
• Es ue zos: E alua los es ue zos a los que es a án some idos los depósi os debido a la
p esión eje cida po el combus ible.
Es os ac o es son esenciales pa a ga an iza un diseño e icaz y segu o de los anques de
almacenamien o.
Diseño de los depósi os
44
44
4.5. Bases pa a el diseño de los depósi os
Los depósi os deben se diseñados pa a almacena la can idad de combus ible necesa ia pa a la
misión con más demanda de combus ible de cada ae ona e. Po lo an o, además de los depósi os
ubicados en las alas, se á necesa io inclui depósi os adicionales. Es o eque i á un análisis
cuidadoso pa a de e mina la ubicación más adecuada pa a es os anques adicionales.
Los depósi os se diseña án como cilind os de pa ed delgada (𝑒<#
#!𝐷)1.1De es a mane a, la
dis ibución de los es ue zos a a és del espeso es p ác icamen e uni o me. Los depósi os, en el
modelo de pa ed delgada, sopo an ensiones axiales y angenciales (ci cun e enciales). No hay
ensiones adiales signi ica i as, po lo que el es ado ensional se conside a bidimensional,
o mado po una ensión longi udinal (axial) y o a angencial (ci cun e encial), como se mues a
en la siguien e imagen:
Las exp esiones son las siguien es:
• Tensión longi udinal (axial) (𝜎$) σ$=𝑝𝑟
2𝑡
• Tensión ans e sal (o angencial) (𝜎")
σ"=𝑝𝑟
𝑡
Donde:
- p es la di e encia de p esión en e el in e io y el ex e io del depósi o
- es el adio del depósi o
- es el espeso de la pa ed del depósi o
La ensión equi alen e de Von Mises se u iliza á pa a el diseño de los espeso es de los anques:
Ilus ación 4.1: Rep esen ación g á ica del es ado ensional en cilind os de pa ed delgada
45
45
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
𝜎23 =£12[(𝜎$−𝜎")A]=√3𝑝𝑟
2𝑡
Pa a ga an iza un diseño segu o, se impond á que la ensión de se icio 𝜎23 sea in e io a la
ensión admisible del ma e ial di idida po un coe icien e de segu idad, que en es e es udio se
conside a igual a 2: 𝜎23 ≤𝜎'O&
2
4.6. Ubicación
Uno de los aspec os más impo an es a conside a en es e es udio es la ubicación de los depósi os
de combus ible. T adicionalmen e, el combus ible se almacena en el in e io de las alas de la
ae ona e. Pa a es e análisis, se ha conside ado la capacidad máxima de almacenamien o en las
alas como el olumen o al disponible en el in e io de ambas alas.
Como se obse a en la Tabla 4.1, es e olumen disponible esul a insu icien e pa a cub i la
can idad de hid ógeno líquido eque ida pa a comple a la misión. Es o obliga a conside a la
inco po ación de depósi os adicionales en o as ubicaciones de la ae ona e.
Al compa a el olumen almacenable en las alas con la ene gía eque ida, calculada a pa i del
empuje, el iempo de uelo y el consumo especí ico del mo o (TSFC), se obse a que las alas
solo pe mi en cub i una acción limi ada de la demanda. En conc e o, el olumen disponible
cub i ía únicamen e el 24.0 % en el B200, el 22.1 % en el ATR-72 y el 20.7 % en el A400M, sin
conside a pé didas po e apo ación.
Po an o, es necesa io es udia ubicaciones adicionales pa a aloja depósi os suplemen a ios que
pe mi an alcanza la au onomía necesa ia pa a la misión.
La Tabla 4.1 mues a la compa ación en e el olumen disponible en las alas y el olumen
necesa io pa a cub i la misión, así como el po cen aje de cobe u a en cada caso:
Tabla 6: Compa ación de olúmenes
Ae ona e
Capacidad de la
ae ona e (m3)
Capacidad
necesa ia pa a la
misión (m3)
Cobe u a (%)
B200
2.056
8.56
24.0
ATR-72
6.22
28.11
22.1
A400M
62.81
303.43
20.7
La capacidad necesa ia pa a la misión se ha calculado conside ando el consumo de combus ible
basado en el empuje eque ido, el iempo de uelo y el coe icien e de consumo especí ico (TSFC).
Además, se incluye un ma gen de segu idad del 10% pa a ga an iza au onomía adicional en caso
de imp e is os. Como esul ado, se obse a que el olumen in e no de las alas es insu icien e pa a
almacena el hid ógeno líquido eque ido.
Diseño de los depósi os
46
46
Po lo an o, es necesa io es udia opciones al e na i as de almacenamien o, como depósi os
ubicados en el in e io de la bodega de ca ga o en con igu aciones ex e nas bajo o sob e las alas.
En los siguien es apa ados se e alúan las ca ac e ís icas geomé icas y las posibles
con igu aciones pa a cada ae ona e.
4.6.5. Depósi o en el in e io de las alas
T adicionalmen e, el combus ible de las ae ona es se almacena en el in e io de las alas. Pa a es e
es udio, se ha supues o que es os depósi os se dis ibuyen de mane a uni o me en ambas alas. El
cálculo del olumen disponible se ha ealizado conside ando las dimensiones geomé icas de las
alas (en e gadu a y supe icie ala ). Adicionalmen e, los depósi os se han modelado con una
sección!cilínd ica, op imizando el diseño pa a maximiza el olumen de almacenamien o den o
de las es icciones es uc u ales.
4.6.5.1. B200
Pa a la ae ona e B200, los da os geomé icos del ala se esumen a con inuación:
• En e gadu a de un ala: #C.9z
A=8.291𝑚
• Supe icie ala de un ala: AD.A
A=14.11𝑚A
• Volumen de combus ible en un ala. A.!9C
A=1.031𝑚<
Suponiendo que los depósi os ienen una longi ud igual a la en e gadu a del ala y que es án
diseñados como un único anque cilínd ico, se ob iene:
• Radio del depósi o: 0.19 m
• Longi ud del depósi o: 8.29 m
4.6.5.2. ATR-72
Pa a la ae ona e ATR-72:
• En e gadu a de un ala: Aw.!9
A=13.531𝑚
• Supe icie ala de un ala: C#
A=30.51𝑚A
• Volumen de combus ible en un ala. C.AA
A=3.111𝑚<
Asumiendo depósi os cilínd icos con una longi ud igual a la en e gadu a del ala:
• Radio del depósi o: 0.27 m
• Longi ud del depósi o: 13.53 m
4.6.5.3. A400M
Pa a la ae ona e A400M:
• En e gadu a de un ala: {A.{
A=1𝑚
• Supe icie ala de un ala: A{<.<
A=121.71𝑚A
47
47
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
• Volumen de combus ible en un ala. CA.D#
A=31.41𝑚<
Pa a depósi os cilínd icos con una longi ud igual a la en e gadu a:
• Radio del depósi o: 0.68 m
• Longi ud del depósi o: 21.2 m
4.6.5.4. Conside aciones adicionales
El uso de depósi os en las alas implica cie as limi aciones é micas y de in eg ación. En el caso
del hid ógeno líquido, es imp escindible inco po a un aislamien o é mico e icien e que ga an ice
su conse ación a empe a u as c iogénicas (~20 K), lo que pod ía educi lige amen e el olumen
ú il disponible en los depósi os.
No obs an e, la baja densidad del hid ógeno líquido (70.85 kg/m³) supone que la masa o al del
combus ible con enido en los depósi os ala es es signi ica i amen e in e io a la que se end ía si
es os mismos olúmenes se llena an con que oseno (ap ox. 800 kg/m³). Po an o, desde el pun o
de is a es uc u al, el uso de las alas pa a aloja depósi os de hid ógeno no implica una sob eca ga
adicional impo an e, y es una opción iable.
Po es as azones, y an e la limi ación olumé ica ya expues a, en los siguien es apa ados se
es udia án con igu aciones al e na i as de almacenamien o, incluyendo depósi os ex e nos bajo
las alas y depósi os en el uselaje, e aluando su impac o en el endimien o ae odinámico y en la
es abilidad de la ae ona e.
4.6.6. Almacenamien o en la bodega del a ión
Una de las al e na i as más di ec as pa a aumen a la capacidad de almacenamien o de
combus ible se ía u iliza el espacio disponible en la bodega del a ión. Es e en oque iene cie as
en ajas impo an es:!
!
• Capacidad adicional signi ica i a: Las bodegas de ca ga suelen o ece un olumen
conside able, especialmen e en ae ona es de mayo amaño como el A400M.
• Facilidad de in eg ación: La bodega ya o ma pa e de la es uc u a de la ae ona e, lo que
simpli ica el diseño de los depósi os en compa ación con con igu aciones ex e nas.
Sin emba go, es a solución p esen a una se ie de incon enien es que limi an su iabilidad:
• Pé dida de espacio pa a ca ga ú il: La bodega suele se u ilizada pa a anspo a
equipaje, ca ga come cial o suminis os esenciales. U iliza la pa a almacenamien o de
combus ible pod ía educi la uncionalidad gene al de la ae ona e.
• Impac o en el con o de los pasaje os: En ae ona es de uso ci il o misiones de
anspo e combinado (pasaje os y ca ga), como el ATR-72, una bodega dedicada al
almacenamien o de combus ible limi a ía el espacio disponible pa a equipaje y pod ía
gene a incon enien es ope a i os.
Debido a es as limi aciones, se ha decidido no conside a la opción de u iliza la bodega como
ubicación pa a los depósi os de combus ible. Es e en oque se desca a p incipalmen e pa a no
comp ome e el con o de los pasaje os ni la capacidad de ca ga ú il de la ae ona e. En ae ona es
Diseño de los depósi os
48
48
de anspo e como el A400M, donde la bodega juega un papel esencial pa a anspo a equipos
o suminis os, es a es icción es aún más c í ica.
4.6.7. Depósi os bajo y sob e las alas
Los depósi os ex e nos ubicados bajo las alas son una de las al e na i as más es udiadas pa a
aumen a la capacidad de combus ible. Es a con igu ación es especialmen e a ac i a pa a
combus ibles c iogénicos en los casos en que las limi aciones de espacio en las alas y el uselaje
conducen necesa iamen e a busca soluciones adicionales de almacenamien o. Los depósi os bajo
las alas se han u ilizado con en aja en ae ona es mili a es y de anspo e, ya que o ecen una
o ma e icaz de ex ende la au onomía en misiones de la go alcance o con al o consumo de
combus ible.
En ae ona es de ala al a, como el ATR-72 o el A400M, los depósi os bajo las alas ep esen an una
solución lógica y e ec i a, ya que es a disposición pe mi e una ácil in eg ación es uc u al. Sin
emba go, en ae ona es de ala baja, como el B200, es a con igu ación no es p ác ica debido a la
p oximidad del ala al suelo. En es os casos, los depósi os ex e nos deben coloca se sob e las alas
pa a e i a in e e encias con las ope aciones en ie a y ga an iza un diseño segu o y uncional.
El bene icio p incipal de es a solución adica en el ap o echamien o del espacio disponible ue a
del uselaje y las alas, sin ealiza g andes cambios en la con igu ación in e na de la ae ona e.
Dado que los depósi os ex e nos es án ubicados di ec amen e debajo de las alas, ambién se log a
una adecuada dis ibución del peso, man eniendo el cen o de g a edad de la ae ona e den o de
má genes segu os. Además, su diseño modula pe mi e que sean desmon ables, acili ando el
man enimien o y la pe sonalización según los equisi os especí icos de cada misión. Po ejemplo,
en uelos más co os, la eliminación de los depósi os ex e nos puede educi la esis encia
ae odinámica y el peso adicional.
Sin emba go, es e ipo de depósi os p esen an una se ie de e os que deben se cuidadosamen e
abo dados en su diseño e in eg ación. Uno de los más impo an es es el impac o ae odinámico. Al
es a expues os al lujo de ai e du an e el uelo, es os depósi os inc emen an la esis encia al
a ance de la ae ona e, lo que puede aduci se en un mayo consumo de combus ible y, po an o,
en una educción de la e iciencia gene al. Pa a mi iga es e e ec o, los depósi os deben se
diseñados con un pe il ae odinámico op imizado que minimice la esis encia, sin comp ome e su
capacidad de almacenamien o.
Una es a egia pa a educi la esis encia es u iliza una o ma de na iz adecuada en los depósi os.
La geome ía de la na iz puede exp esa se ma emá icamen e como:!𝑦(𝑥)=𝑅‘(
A5–-
Pa a un diseño p ác ico, se suele op a po un alo 𝑛=#
A, lo que gene a una cu a pa abólica que
educe signi ica i amen e el impac o ae odinámico: 𝑦(𝑥)=𝑅‘(
A5–3
#
El diseño inal de los depósi os debe equilib a a ios ac o es:
• Longi ud del anque: Un anque más la go puede disminui la esis encia ae odinámica,
pe o eque i á mayo e ue zo es uc u al y peso adicional.
• Volumen y adio: Pa a alcanza el olumen necesa io, la elación longi ud- adio debe se
cuidadosamen e calculada pa a e i a excesos de peso.
49
49
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
• Aislamien o é mico: Dado que el hid ógeno líquido debe man ene se a empe a u as
ex emadamen e bajas, el diseño debe inclui un aislamien o e icien e que minimice
pé didas é micas sin inc emen a signi ica i amen e el peso.
La elación en e la longi ud y el adio del depósi o puede de i a se de la siguien e ecuación, que
combina el olumen de la pa e es é ica y la pa e cilínd ica del depósi o:
1
𝑉=2𝜋Â 12
A5
!𝑅𝑥 𝑑𝑥+𝜋𝑅A𝑙=2𝜋𝑅<+𝜋𝑅A𝑙1
1
De es a ecuación se depeja la longi ud l: 𝑙=𝑉"−2𝜋𝑅<
𝜋𝑅A
En es a ó mula, 𝑉" ep esen a el olumen o al del anque, l la longi ud de la pa e cilínd ica y R el
adio del depósi o.
El diseño inal debe conside a an o los equisi os ae odinámicos como los es uc u ales y
é micos. En ae ona es de ala al a, los depósi os bajo las alas pueden se una solución óp ima,
mien as que, en ae ona es de ala baja, los depósi os sob e las alas ga an izan una mejo
uncionalidad. La Ilus ación 4.2 mues a un modelo concep ual de los depósi os diseñados
siguiendo es as conside aciones.
Ilus ación 4.2:Diseño de la geome ía de los depósi os
Diseño de los depósi os
56
56
3. Tanque sob e el uselaje más dos depósi os adicionales: Finalmen e, es a con igu ación
incluye el anque p incipal sob e el uselaje jun o con dos depósi os adicionales bajo las
alas. Es a disposición ep esen a un comp omiso en e las dos opciones an e io es,
o eciendo una capacidad de almacenamien o in e media y educiendo el impac o
ae odinámico en compa ación con la con igu ación de cua o depósi os adicionales.
En es os dos úl imos casos, el depósi o sob e el uselaje se ha conside ado de 3m de diáme o y
misma longi ud. Si disminuimos es e diáme o, disminuyendo po an o el olumen de dicho
anque y aumen ando aquel de los depósi os bajo las alas se sigue ob eniendo un inc emen o de
esis encia pa asi a ia mayo .
T as analiza las es con igu aciones, se concluye que la opción más e icien e desde el pun o de
is a ae odinámico y ope a i o es la ins alación de un único anque ex e no sob e el uselaje con
un diáme o de 3.15 m y una longi ud de 31.78 m. Es a con igu ación gene a el meno inc emen o
en el coe icien e de esis encia pa asi a ia (CD0=0.0050) y asegu a un consumo de combus ible
adicional mode ado de 18650 kg du an e la misión.!
A con inuación, se mues a un ejemplo del F-16 en el cual se emplean anques ex e nos bajo las
alas, así como una ilus ación de como esul a ía el A400M con el anque ex e no sob e el uselaje.
Ilus ación 4.7:Compa ación coe icien es de esis encia A400M caso 2
Ilus ación 4.8: Compa ación coe icien es de esis encia A400M caso 3
57
57
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 4.9: Imagen F-16 con anques
ex e nos
Ilus ación 4.10: Imagen A400M con
anque ex e no sob e el uselaje
Diseño de los depósi os
58
58
4.8. Ma e iales de los depósi os
Una ez diseñada la geome ía de los depósi os, es necesa io es udia cuál es el ma e ial más
ap opiado pa a ello. El almacenamien o de hid ógeno en es ado líquido plan ea una se ie de
desa íos écnicos debido a sus p opiedades únicas, como su baja densidad y la empe a u a
ex emadamen e baja a la que debe man ene se pa a conse a su es ado c iogénico
(ap oximadamen e -253°C). Es o exige el uso de ma e iales que no solo puedan sopo a es as
condiciones é micas ex emas, sino que ambién asegu en la in eg idad es uc u al del depósi o,
minimizando pé didas po apo ización y ga an izando la segu idad ope a i a.
Los ma e iales empleados en la cons ucción de los depósi os deben combina esis encia
mecánica, compa ibilidad con el hid ógeno y baja conduc i idad é mica pa a minimiza la
ans e encia de calo hacia el in e io del anque. T adicionalmen e, se han u ilizado aleaciones
de aluminio y ace os inoxidables debido a su du abilidad y capacidad pa a sopo a ciclos de
expansión y con acción é mica sin comp ome e su endimien o. Sin emba go, en la ac ualidad,
la in es igación se o ien a ambién hacia ma e iales compues os a anzados que pueden o ece
una mejo elación esis encia-peso, lo cual es c ucial pa a aplicaciones ae onáu icas y espaciales,
donde la e iciencia es p io i a ia.
Además, po o o lado, es impo an e ene en cuen a que el conjun o de los depósi os no puede
supe a el MTOW (Maximun Takeo Weigh ).
Con aquellos c i e ios es ablecidos, se analiza án los siguien es ma e iales: ace o inoxidable,
i anio come cial y aleación de aluminio magnesio.
Po o o lado, eniendo en cuen a lo mencionado en el Apa ado 4.1, pa a ga an iza la es abilidad
es uc u al de los depósi os se conside a á una p esión de diseño mecánico de 10 ba es.
4.8.5. Ace o inoxidable ( ipo 304 y 316)
El ace o inoxidable ha sido un ma e ial ampliamen e u ilizado en aplicaciones c iogénicas debido
a su excelen e esis encia a bajas empe a u as y su du abilidad en condiciones ex emas. Los ipos
304 y 316 son pa icula men e adecuados pa a anques de hid ógeno líquido, ya que p opo cionan
una combinación de esis encia mecánica y esis encia a la co osión. Es e es á ca ac e izado po
un lími e elás ico de 550 MPa y una densidad de 7900 kg/m3. A con inuación se analiza án sus
en ajas y des en ajas.
Ven ajas
• Resis encia a la agilización po hid ógeno: El ace o inoxidable es al amen e esis en e
a los e ec os emb i lemen que puede su i bajo la exposición p olongada al hid ógeno,
especialmen e a empe a u as c iogénicas.
• Resis encia a bajas empe a u as: el ace o inoxidable p esen a buenas p opiedades a
empe a u as c iogénicas, donde la duc ilidad y enacidad se man ienen es ables. Además,
no eacciona químicamen e con el hid ógeno líquido, e i ando así la con aminación.
• Resis encia a la co osión: dado a que es a á expues o a condiciones a mos é icas
ex emas, es de al a impo ancia dicha ca ac e ís ica.
• Du abilidad y bajo man enimien o: Los anques de ace o inoxidable ienen una la ga
ida ú il y pueden sopo a condiciones ex emas sin necesidad de eemplazos ecuen es,
po lo que equie e poco man enimien o en compa ación con o os ma e iales.
59
59
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
• Disponibilidad y cos es azonables: El ace o inoxidable es á ampliamen e disponible y
iene un cos e de ab icación azonable en compa ación con ma e iales más a anzados.
Des en ajas
• Peso ele ado: Una de las des en ajas más no ables es el peso del ace o inoxidable. Pa a
aplicaciones ae onáu icas, donde la educción de peso es cla e, es e ma e ial puede
inc emen a el peso o al del sis ema de almacenamien o, a ec ando nega i amen e la
e iciencia.
• Conduc i idad é mica mode ada: Aunque el ace o inoxidable iene una conduc i idad
é mica azonable, puede se necesa io ag ega aislamien o adicional pa a minimiza la
ans e encia de calo y la apo ización del hid ógeno.
Resumiendo, el ace o inoxidable es ideal pa a anques de hid ógeno líquido debido a su esis encia
a la co osión, es abilidad en empe a u as c iogénicas y du abilidad. Aunque su peso es una
des en aja en aplicaciones ae onáu icas, sigue siendo una opción iable y en able po su
disponibilidad y bajo man enimien o.
4.8.6. Aleación aluminio-magnesio
El siguien e ma e ial que se analiza á es una aleación aluminio-magnesio, ca ac e izada po una
densidad de 1770 kg/m3 y un lími e elás ico de 260 MPa. Al igual que el ace o inoxidable, es a
aleación p esen a an o en ajas como des en ajas pa a el uso en depósi os de hid ógeno
c iogénico en el ámbi o ae onáu ico.
• Resis encia a la acción: 400-550 MPa, dependiendo de la aleación especí ica.
• Buena esis encia en condiciones c iogénicas
• Meno densidad en compa ación con el ace o, lo que educe signi ica i amen e el peso.
Ven ajas
• Lige eza: Las aleaciones de aluminio son conside ablemen e más lige as que los ace os,
lo que las con ie e en una excelen e opción pa a aplicaciones en ae ona es, donde el peso
educido es esencial pa a mejo a la e iciencia del combus ible y el endimien o del a ión.
• Buena maquinabilidad: Es as aleaciones son ela i amen e áciles de mecaniza , lo que
acili a su ab icación y pe mi e log a componen es con geome ías complejas.
• Duc ilidad:!Man ienen una buena duc ilidad a bajas empe a u as, lo que educe el iesgo
de ac u as.
• Resis encia a la co osión: Su al a esis encia a la co osión, especialmen e en ambien es
húmedos y ag esi os, es undamen al pa a el almacenamien o segu o de hid ógeno.
Diseño de los depósi os
60
60
Des en ajas
• Cos e: Las aleaciones de aluminio-magnesio pueden esul a más cos osas en compa ación
con o as al e na i as de almacenamien o, lo que puede a ec a la iabilidad económica del
p oyec o.
• Meno esis encia mecánica: Compa adas con aleaciones más a anzadas, su esis encia
mecánica es in e io , lo que puede limi a su uso en aplicaciones que equie en al a ca ga.
• Soldabilidad: Aunque es posible solda las, la soldadu a puede debili a la aleación y
a ec a su esis encia a la agilización po hid ógeno, lo que equie e cuidados especiales
du an e el p oceso.
• F agilidad a empe a u as c iogénicas: Aunque ienen buena duc ilidad, su endimien o
puede e se a ec ado a empe a u as muy bajas, lo que pod ía comp ome e la in eg idad
es uc u al del anque.
• Fa iga: Aunque p esen an buena esis encia, es as aleaciones pueden se más suscep ibles
a la a iga en compa ación con o as aleaciones más a anzadas, lo que puede se un ac o
limi an e en aplicaciones c í icas.
• Requie e e es imien os adicionales: Pa a e i a la pe meabilidad del hid ógeno y
minimiza la co osión, las aleaciones de aluminio gene almen e necesi an ecub imien os
in e nos que impidan el con ac o di ec o con el hid ógeno.
4.8.7. Ti anio
Po úl imo, se analiza á el i anio, el cual se ca ac e iza po un lími e elás ico en e 330 y 500 MPa,
po lo que se asumi á un alo medio de 415 MPa, y una densidad de 4500 kg/m3. Es e ma e ial,
al igual que los es udiados an e io men e, o ecen una combinación excepcional de esis encia y
lige eza, además de una esis encia supe io a la co osión, las cuales la hacen adecuada pa a
aplicaciones c iogénicas en el sec o ae onáu ico.
Ven ajas
• Baja densidad: es e ma e ial es ela i amen e lige o en compa ación con o os me ales, lo
cual ayuda a educi el peso de nues a ae ona e.
• Resis encia a la co osión: Excelen e esis encia a la co osión en ambien es c iogénicos.
• Compa ibilidad con el hid ógeno: el i anio no eacciona químicamen e con el hid ógeno,
lo cual lo hace adecuado pa a su almacenamien o.
• Peso lige o: Las aleaciones de i anio son conside ablemen e más lige as que el ace o, pe o
man ienen una al a esis encia, lo que pe mi e diseña anques más lige os sin sac i ica la
segu idad o el endimien o.
61
61
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Des en ajas
• Cos o ele ado: El i anio es uno de los ma e iales más ca os de ab ica y p ocesa , lo que
limi a su uso a aplicaciones c í icas o de al o endimien o.
• F agilización po hid ógeno: El i anio puede expe imen a agilización debido a la
p esencia de hid ógeno, lo que pod ía a ec a su esis encia es uc u al.
• Di icul ad de ab icación: El i anio equie e écnicas especializadas pa a su mecanizado
y soldadu a, lo que puede inc emen a el cos o y la complejidad de ab icación de los
anques.
En conclusión, el i anio se p esen a como una opción aliosa pa a aplicaciones en el sec o
ae onáu ico, especialmen e en el almacenamien o de hid ógeno líquido, g acias a su no able
combinación de lige eza, esis encia mecánica y excelen e esis encia a la co osión. Su capacidad
pa a no eacciona químicamen e con el hid ógeno añade un ni el de segu idad adicional en
en o nos c iogénicos. Sin emba go, el ele ado cos o de p oducción y las di icul ades asociadas a
su mecanizado y soldadu a son conside aciones impo an es que limi an su uso a aplicaciones
especializadas y de al o endimien o. Po an o, a pesa de sus múl iples en ajas, el i anio debe
se e aluado cuidadosamen e en unción de los equisi os especí icos de cada p oyec o.
4.8.8. Ma e iales compues os ( ib as de ca bono)
Ac ualmen e, los ma e iales compues os se han empleado pa a el es udio en almacenamien o de
hid ógeno en au omoción, po lo que es p e e ible no u iliza lo en nues o es udio dado a que se
pod ían ob ene esul ados ue a de la ealidad. De odas mane as, se an a mos a al igual que en
los o os casos, las en ajas y des en ajas que end ía su uso.
• Lige eza ex ema: con densidades mucho más bajas que las de los me ales.
• Baja conduc i idad é mica: ayuda a minimiza la ans e encia de calo .
Ven ajas
• Excelen e elación esis encia-peso: Los compues os de ib a de ca bono son ideales pa a
educi el peso del anque sin sac i ica la esis encia es uc u al, lo cual es i al en
ae onáu ica.
• Al a esis encia a la co osión: Los compues os de ib a de ca bono no se co oen, lo que
los hace ideales pa a aplicaciones en en o nos se e os. Es o signi ica que los depósi os
ab icados con es e ma e ial equie en menos man enimien o y ienen una ida ú il más
p olongada.
• Baja conduc i idad é mica: Su baja conduc i idad é mica ayuda a man ene el
hid ógeno líquido ío po más iempo, educiendo la apo ización y las pé didas de
combus ible.
Des en ajas
• Cos o ele ado: La ab icación de anques con ma e iales compues os es signi ica i amen e
más ca a que con o os ma e iales, lo que puede limi a su uso a aplicaciones muy
especí icas o de al o endimien o.
Diseño de los depósi os
62
62
• Di icul ad en la epa ación: En caso de daños, los compues os de ib a de ca bono pueden
se más di íciles de epa a que los me ales. Es o se debe a que la epa ación a menudo
implica p ocesos complejos que pueden no es au a comple amen e la in eg idad
es uc u al del ma e ial.
4.9. Fenómeno de ansmisión de calo
La e apo ación del hid ógeno líquido ep esen a un enómeno c ucial en di e sas aplicaciones
ae oespaciales y ene gé icas, donde la ges ión e icien e del calo y la ans e encia de masa son
esenciales. Como combus ible al e na i o, el hid ógeno líquido o ece en ajas signi ica i as en
é minos de endimien o ene gé ico y sos enibilidad, sin emba go, su almacenamien o y manejo
p esen an desa íos especí icos, p incipalmen e elacionados con su baja empe a u a de ebullición
de ap oximadamen e -253 °C.
Ilus ación 4.11: Diag ama de ase 𝐻A líquido
El p oceso de e apo ación implica la ans o mación de hid ógeno de su es ado líquido a gaseoso,
un enómeno que no solo se e in luenciado po ac o es e modinámicos, sino ambién po la
in e acción del líquido con las supe icies del con enedo y el en o no. La ans e encia de calo
du an e la e apo ación se con ie e en un ac o de e minan e en el diseño de sis emas de
almacenamien o y dis ibución de hid ógeno, a ec ando la e iciencia y la segu idad de es os.
A lo la go del uelo, nues o obje i o se á pe manece den o de la egión donde coexis en las
ases líquida y gaseosa del hid ógeno. A medida que la empe a u a aumen a, ambién lo hace la
p esión de sa u ación, lo que p o oca que más hid ógeno líquido se con ie a en apo . Es e
p oceso comenza á a una empe a u a de 20 K y, con o me ascendemos, busca emos e i a la
cu a de sa u ación. Es o es c ucial, ya que, al llega al pun o c í ico, odo el hid ógeno líquido se
ans o ma ía en apo , lo que pod ía complica la ope ación. Así, man end emos un con ol
cons an e pa a asegu a que el líquido pe manezca en su es ado deseado du an e el uelo.
Pa a abo da es e enómeno de ansmisión de calo , se á undamen al calcula el lujo de calo en
odo momen o, an o en los depósi os ex e nos al ala, como los in e nos, conside ando los
enómenos de con ección con el ai e ex e io , la conducción a a és de la pa ed del depósi o y la
con ección in e na con el hid ógeno líquido. Con es o en men e, se plan ea un modelo de capas
63
63
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
cilínd icas concén icas, cuyo obje i o es ob ene un coe icien e de película equi alen e. Es e
coe icien e se á cla e pa a calcula en cada ins an e el lujo de calo , que a ia á en unción del
g adien e de empe a u as.
En es e apa ado, p o undiza emos en los mecanismos de ansmisión de calo du an e la
e apo ación del hid ógeno líquido, explo ando los p incipios ísicos que lo igen. Discu i emos
aspec os como la conduc i idad é mica del ma e ial del anque, el coe icien e de ans e encia de
calo y la dinámica de luidos en el con ex o de es a ans e encia. Además, e alua emos las
implicaciones de es os enómenos en el diseño y op imización de sis emas de p opulsión que
u ilizan hid ógeno líquido como combus ible.
4.9.5. Flujo de calo en los depósi os ex e io es
El análisis del lujo de calo en los depósi os ex e io es, si uados en las alas de la ae ona e, equie e
conside a los p ocesos de ans e encia é mica po con ección con el ai e ex e io , conducción a
a és de las pa edes del depósi o y con ección in e na con el hid ógeno líquido. Pa a abo da es e
p oblema, se ha diseñado un modelo de capas cilínd icas concén icas, cuyo obje i o p incipal es
de e mina un coe icien e de película equi alen e. Es e coe icien e se á undamen al pa a calcula ,
en cada ins an e, el lujo de calo en unción del g adien e de empe a u as.
El lujo de calo Q se exp esa como:
𝑄=1ℎ,~𝐴1,E(𝑇'h1, −𝑇y#)= 𝑇'h1, −𝑇y#
1
ℎh𝐴h+1ln1(𝑟A
𝑟#)
2𝜋𝑘#𝐿+ln1(𝑟<
𝑟A)
2𝜋𝑘A𝐿+1
ℎ,𝐴,
Donde:
§
𝒉𝒊1𝒚1𝒉𝒆: son los coe icien es de película que desc iben la ans e encia de calo po
con ección en el in e io (hid ógeno líquido) y el ex e io (ai e) del depósi o.
§
𝑨𝒊1𝒚1𝑨𝒆: ep esen an las á eas in e nas y ex e nas del depósi o, conside adas iguales debido
a que el espeso del aislamien o es educido.
§
𝒌𝟏1𝒚1𝒌𝟐: son las conduc i idades é micas del ma e ial de la pa ed del depósi o y del
aislamien o, espec i amen e.
§
𝑳: longi ud del depósi o
§
𝒓𝟏,𝒓𝟐,𝒓𝟑: son los adios ca ac e ís icos de las capas cilínd icas. 1 co esponde al adio
in e io del depósi o, 2 incluye el espeso de la pa ed del ma e ial, y 3 inco po a además
el espeso del aislamien o eque ido pa a man ene el hid ógeno en es ado líquido.
Pa a de e mina los coe icien es de película hi y he , asociados a la ans e encia de calo en el ai e
ex e io y el hid ógeno líquido en el in e io , es necesa io es ablece un conjun o de pa áme os
especí icos adap ados a las condiciones de ope ación del sis ema. Es e análisis es cla e pa a
asegu a un diseño e icien e de los depósi os y una ges ión adecuada del lujo é mico.
• Núme o de Nussel (𝑁𝑢):
Es e núme o adimensional elaciona la ans e encia de calo po conducción y con ección. Su
cálculo equie e alo es e modinámicos an o del hid ógeno líquido como del ai e ex e io . En
es e caso, la longi ud ca ac e ís ica Lc co esponde al diáme o de los depósi os.
Diseño de los depósi os
64
64
𝑁𝑢=1ℎ𝐿*
𝑘
Donde:
- h: coe icien e de ans e encia de calo .
- k: conduc i idad é mica.
- Lc: longi ud ca ac e ís ica (diáme o del depósi o).
Pa a su cálculo es necesa io con a con los alo es e modinámicos an o del hid ógeno líquido
como del ai e ex e io .
• Núme o de Reynolds (𝑅𝑒):
Es e núme o desc ibe la elación en e las ue zas ine ciales y las ue zas iscosas en un luido en
mo imien o, pe mi iendo e alua el égimen de lujo (lamina o u bulen o).
𝑅𝑒=1𝜌𝑉1𝐿
𝜇
Donde:
- 𝜌:1densidad del luido.
- 𝑉:1 elocidad del luido.
- L: longi ud ca ac e ís ica.
- 𝜇: iscosidad dinámica del luido.
• Núme o de P and l (𝑃𝑟):!
Es e núme o adimensional mide la elación en e la di usión de momen o ( iscosidad) y la di usión
de calo en el luido. 𝑃𝑟=1𝜈𝛼=1𝑐/⋅𝜇
𝑘
Donde:
- 𝜈: iscosidad cinemá ica.
- α:1di usi idad é mica.
- 𝑐/: capacidad calo ígica especí ica a p esión cons an e.
• Núme o de G asho (𝐺𝑟):
Es e núme o e alúa los e ec os de la lo abilidad en un luido en mo imien o debido a di e encias
de empe a u a, siendo cla e en la ans e encia de calo po con ección na u al.
𝐺𝑟=1𝑔𝛽Δ𝑇𝐿<
𝜈A
Donde:
- β: coe icien e de expansión olumé ica
Δ𝑇: di e encia de empe a u a
Coe icien e de película del ai e ex e io
El coe icien e de película (h) es un pa áme o cla e en la ans e encia de calo , especialmen e en
p ocesos donde se p oduce in e cambio é mico en e un luido en mo imien o y una supe icie
sólida. Es e coe icien e mide la capacidad de un luido pa a ans e i calo hacia o desde una
supe icie y depende de a ios ac o es, como la elocidad del luido, su iscosidad, densidad y
p opiedades é micas.
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65
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
En aplicaciones ae oespaciales y de ingenie ía de p ocesos, el coe icien e de película es c í ico, ya
que in luye di ec amen e en el diseño y la e iciencia de sis emas de e ige ación, calen amien o y
con ol é mico. En el caso de anques c iogénicos, donde la ges ión é mica es c ucial pa a
ga an iza la segu idad y la e iciencia ope a i a, calcula es e coe icien e pe mi e op imiza el
endimien o del sis ema.
Pa a de e mina el coe icien e de película, p ime o se calculan las p opiedades e modinámicas
del ai e u ilizando las siguien es exp esiones:
• Viscosidad dinámica: 𝜇'h1, =𝜇!⋅<𝑇'h1,
𝑇!=<
A⋅(𝑇!+𝑆‚)
(𝑇'h1, +𝑆‚)
• Capacidad calo í ica especí ica:
𝐶/'h1, =𝐶/%(1+𝑎𝑇+𝑏𝑇A)
Donde a y b son cons an es ajus adas pa a ai e seco.
• Conduc i idad é mica:
𝑘'h1, =𝑘!⋅<𝑇'h1,
𝑇!=<
A⋅(𝑇!+𝑆‚)
(𝑇'h1, +𝑆‚)
Donde:
- 𝑇!=288.15[𝐾] es la empe a u a de e e encia.
- 𝑆‚=110.41[𝐾]1es la cons an e de Su he land.
- 𝜇!=1.7894⋅1089[𝑃𝑎⋅𝑠]1es la iscosidad dinámica del ai e a ni el del ma .
- 𝐶/%=10051[?
;4⋅=] es el calo especí ico del ai e a p esión cons an e.
- 𝑘!=0.02411[K
&⋅=] es la conduc i idad é mica del ai e a ni el el ma
Conocidas es as p opiedades ya es posible calcula el núme o de Reynolds median e la exp esión
comen ada an es empleando el diáme o ex e io ( eniendo en cuen a el espeso de me al y de
aislan e) como longi ud ca ac e ís ica.
El núme o de Nussel (Nuai ) pe mi e de e mina el coe icien e de ans e encia de calo con ec i o
y se calcula empleando la co elación de Chu chill y Be ns ein (1977), ampliamen e u ilizada en
ans e encia de calo po con ección ex e na en cilind os, y álida pa a una amplia gama de
núme os de Reynolds y P and l.1
𝑁𝑢ai =0.3+0.62⋅𝑅𝑒ai
#/A ⋅𝑃𝑟ai
#/<
R1+‘0.4
𝑃𝑟ai –A/<V#/{ ⋅R1+< 𝑅𝑒ai
282000=9/DV{/9
Una ez ob enido 𝑁𝑢'h1, el coe icien e de película se calcula como:
1
ℎai e =𝑘ai ⋅𝑁𝑢ai
𝐷ex
Análisis in eg ado del sis ema
72
72
Depósi os sob e las alas
Pa a es os depósi os se ob iene que el espeso es de 1,33 mm, lo cual esul a en un peso de 38,987
kg pa a cada uno de los dos depósi os, así como una capacidad de almacenamien o de 3,2253 m³,
po lo que no se cumple con el equisi o an e io . Po an o, se á necesa io inc emen a la longi ud
del depósi o en 5’96 cm pa a cumpli con dicha capacidad, lo cual supone inc emen a el peso del
depósi o has a 39’326 kg.
De es a o ma, se ob iene que el peso o al de los depósi os empleando la aleación de aluminio-
magnesio es de 101,942 kg. Es e alo se inc emen a un 15% debido al peso adicional que pod ían
supone los anclajes y e ue zos necesa ios pa a su ins alación. De es e modo, el peso o al se á de
117,23 kg. A dicha can idad hay que añadi además el peso del combus ible que se puede
almacena , con lo que se ob iene 723,45 kg, ob eniendo así un ma gen máximo disponible de
929,88 kg.
5.5.6. Ace o inoxidable
Depósi o in e io al ala
Siguiendo el mismo p ocedimien o que pa a el ma e ial an e io , se ob iene un espeso de 0’31
mm, lo cual esul a en un peso de 25,605 kg y una capacidad de 1’0268 m³. De es a mane a, se á
necesa io que cada depósi o ex e io almacene 3’2515m³.
Depósi os sob e las alas
Se ob iene que el espeso de los anques debe se de 0’63 mm, lo que esul a en un peso de 85,735
kg y una capacidad de 3’2374m3, po lo que se á necesa io aumen a la longi ud de es e en 2’81
cm pa a consegui almacena el olumen comen ado, lo cual supone inc emen a el peso del
depósi o a 86,086 kg.
De es a o ma, el peso o al de los depósi os es de 223,382 kg, que inc emen ándolo un 15% esul a
256,88 kg. Añadiéndole el combus ible se ob iene 836,12 kg, con ando así con un ma gen másico
de 790,21kg.
5.5.7. Ti anio
Depósi o in e io al ala
En es e caso se ob iene un espeso de 0’41 mm, lo cual esul a en un peso de 19,325 kg y una
capacidad de 1’0257 m3. De es a mane a, se á necesa io que cada depósi o ex e io almacene
3’2525 m3.
Depósi os sob e las alas
El espeso de los anques debe se de 0,83 mm, lo que esul a en un peso de 64,703 kg y una
capacidad de 3’23 m3, po lo que se á necesa io aumen a la longi ud de es e en 3,73 cm, lo cual
supone inc emen a el peso del depósi o a 65,55 kg.
De es a o ma, el peso o al de los depósi os es de 168,76 kg, que inc emen ándolo un 15% esul a
194,07 kg. Añadiéndole el combus ible se ob iene 800,29 kg, con ando así con un ma gen másico
de 853,05 kg.
73
73
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
5.5.8. Compa ación de los esul ados
Una ez analizados es os es ma e iales, se pasa a ealiza una compa a i a de los esul ados
ob enidos. La esis encia a la co osión es un ac o c ucial dado que la exposición a ambien es
c iogénicos es ecuen e. Los es ma e iales empleados ienen buenas p opiedades, des acando el
i anio, que p esen a una esis encia supe io , pe o con un cos o más ele ado.
Con espec o al peso de los depósi os, odos los ma e iales poseen un peso den o del ango
acep able. Sin emba go, el ace o inoxidable gene a los depósi os más pesados con 533’374 kg, lo
cual pod ía a ec a la e iciencia del combus ible y la capacidad de ca ga ú il de la ae ona e. El
i anio o ece una en aja in e media al ene un peso educido y una esis encia mecánica
excelen e, aunque su meno ma gen de ope ación compa ado con el aluminio-magnesio pod ía
limi a su uso en aplicaciones donde el peso sea menos p io i a io.
El que o ece un mayo ma gen es la aleación de aluminio-magnesio con un ma gen máximo de
810’5552 kg, siendo el ma e ial más lige o y económico de los es. Es e ma gen adicional pod ía
pe mi i ajus es en diseños u u os o aumen a la ca ga ú il de la ae ona e, aunque su meno
esis encia en compa ación con el i anio pod ía se una des en aja en condiciones ex emas.
Tabla 10: Compa ación ma e iales depósi os B200
Ma e ial
Peso o al de los
depósi os [kg]
Capacidad de
combus ible (kg)
Ma gen de peso
disponible
Aleación aluminio-
magnesio
117’23 kg
606’22
929.89
Ace o inoxidable
256’89
606’22
790.22
Ti anio
194’07
606’22
853.05
En esumen, la selección del ma e ial depende á del equilib io deseado en e cos o, peso y ma gen
de ope ación. La aleación de aluminio-magnesio es ideal pa a diseños lige os y económicos,
mien as que el i anio es más adecuado pa a aplicaciones que equie en al a esis encia mecánica
y meno peso. Po o o lado, el ace o inoxidable pod ía conside a se en escena ios donde la
du abilidad sea c í ica, aunque con un impac o nega i o en la e iciencia ope a i a debido a su
mayo peso.
5.5.9. Op imización depósi os B200
Se ha seleccionado la aleación de aluminio-magnesio pa a el diseño de los depósi os, ya que es a
p esen a un meno peso en compa ación con o as al e na i as, lo que p opo ciona un mayo
ma gen de peso disponible en la ae ona e.
Pa iendo de las dimensiones es ablecidas pa a los depósi os ex e io es, se han conside ado
inicialmen e dos depósi os ubicados sob e las alas, con un diáme o de 0,8 m y una longi ud de
7,3218 m, debido a la necesidad de maximiza el olumen disponible y compensa el espacio
ocupado po el ma e ial es uc u al. Con es as dimensiones se ha lle ado a cabo una simulación
in eg ada del compo amien o de los anques in e nos y ex e nos, suponiendo en odo momen o la
exis encia de un aislamien o é mico e ec i o con un espeso de 30 mm.
Análisis in eg ado del sis ema
74
74
Ilus ación 5.1: E olución pa áme os en los anques ex e nos B200
75
75
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Los esul ados ob enidos, mos ados en las Ilus aciones 5.1 y 5.2, indican que no se log a cumpli
con los equisi os de la misión en las condiciones iniciales. Como puede obse a se cla amen e en
dichas g á icas, el mo i o del incumplimien o es que los depósi os in e nos, ubicados en las alas,
se quedan sin hid ógeno líquido an es de inaliza la misión, lo que p o oca la in e upción del
suminis o de combus ible al mo o e impide comple a el uelo según lo plani icado. Es
Ilus ación 5.2: E olución pa áme os en depósi os in e nos B200
Análisis in eg ado del sis ema
76
76
impo an e des aca que en ningún momen o se sob epasa la p esión máxima admisible de 5 ba ,
siendo po an o la insu iciencia del olumen de combus ible almacenado el único ac o limi an e.
Po ello, esul a necesa io op imiza el diseño de los anques ex e nos con el obje i o de aumen a
la capacidad o al de almacenamien o y ga an iza así el cumplimien o in eg al de la misión. Dado
que la capacidad de los depósi os in e nos es á limi ada po es icciones es uc u ales, se ha op ado
po aumen a la longi ud de los anques ex e nos, man eniendo cons an e su diáme o pa a
minimiza el impac o en la esis encia ae odinámica y, po ende, e i a inc emen os signi ica i os
en el consumo de combus ible.
Finalmen e, se inc emen ó la longi ud de los anques ex e nos has a 7,8825 m, conse ando el
diáme o en 0,8 m, lo que supone una capacidad adicional de 0,50 m³ de hid ógeno (35,425 kg).
Es e ediseño mejo a la au onomía de la ae ona e sin a ec a signi ica i amen e a la es abilidad,
aunque se á necesa io e alua con de alle su impac o sob e la dis ibución de masas y el cen o de
g a edad. En odas es as conside aciones, se ha supues o siemp e la p esencia de un aislan e
é mico adecuado con un espeso cons an e de 30 mm en la cons ucción de los depósi os.
A con inuación, se p esen an dos conjun os de g á icos que pe mi en e alua dis in os aspec os del
sis ema:
1. E olución del combus ible y a iables in e nas de los anques:
Es os g á icos pe mi en en ende el compo amien o del hid ógeno den o de los anques in e nos
y cómo las condiciones de ope ación a ec an su es ado e modinámico. Se obse a que, a medida
que a anza la misión, el hid ógeno líquido se e apo a g adualmen e, gene ando un aumen o en la
p esión in e na de los anques.
77
77
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 5.3: Nue a e olución de los pa áme os en depósi os ex e nos B200
Análisis in eg ado del sis ema
78
78
2. In luencia del aislan e en los anques ex e nos
Se ha implemen ado un ma e ial aislan e con di e en es espeso es en los depósi os ex e nos pa a
educi la ans e encia de calo y con ola la p esión y empe a u a del hid ógeno. A
con inuación, se p esen an los g á icos co espondien es:
• Compa ación del coe icien e de ans e encia de calo equi alen e (ℎ,~)pa a di e en es
espeso es de aislan e.
• E olución de la p esión en los anques ex e nos en unción del espeso del aislan e.
• Va iación de la empe a u a in e na del anque ex e no du an e la misión.
• Flujo de calo (Q) ans e ido a a és del aislan e.
Ilus ación 5.4: Nue a e olución pa áme os en depósi os in e io es B200
79
79
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 5.5: E olución de pa áme os según el espeso del aislan e en anques ex e nos
Análisis in eg ado del sis ema
80
80
Es os esul ados mues an la impo ancia del espeso del aislan e en la es abilidad é mica del
sis ema. Se obse a que, a mayo espeso , se educe la ans e encia de calo hacia el hid ógeno,
lo que con ibuye a man ene la p esión den o de lími es segu os y a minimiza la e apo ación
p ema u a del combus ible
G acias a la op imización del diseño de los anques ex e nos, inc emen ando su longi ud sin a ec a
signi ica i amen e la ae odinámica de la ae ona e, se ha log ado aumen a la capacidad de
almacenamien o de combus ible de mane a e icien e. Es e ediseño ha pe mi ido sol en a la
limi ación de los depósi os in e nos, los cuales, debido a es icciones es uc u ales, no podían
modi ica se. Como esul ado, la ae ona e aho a cuen a con la can idad de hid ógeno necesa ia
pa a comple a la misión pa a la cual ha sido diseñada, asegu ando el cumplimien o de los
equisi os ope acionales sin comp ome e el endimien o gene al. Además, la dis ibución de
combus ible op imizada con ibuye a man ene una es abilidad adecuada a lo la go del uelo,
e i ando a iaciones signi ica i as en el cen o de g a edad. De es e modo, se ha alcanzado un
equilib io en e capacidad, e iciencia y iabilidad ope a i a, ga an izando que la ae ona e pueda
lle a a cabo su misión con éxi o bajo las condiciones es ablecidas.
81
81
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
5.6. ATR-72
5.6.5. Aleación de aluminio magnesio
Depósi o in e io al ala
Con un espeso de 0’901 mm, el depósi o in e io al ala p esen a un peso de 36,603 kg y una
capacidad de 3,088 m³. Pa a cumpli con los eque imien os de la misión de uelo, se equie e que
cada depósi o ex e io almacene un olumen adicional de 10,964 m³.
Depósi os bajo las alas
Los anques bajo las alas deben ene un espeso de 2,16 mm, lo que implica un peso de 138,93 kg
y una capacidad de 10,865 m³. Pa a log a es a capacidad, se necesi a aumen a la longi ud del
depósi o en 7,525 cm, lo que inc emen a el peso del depósi o a 140,11 kg.
El peso o al de los depósi os asciende a 353,426 kg. Conside ando un inc emen o del 15% debido
a e ue zos y ajus es, el peso esul an e es de 406,44 kg. Sumando el combus ible, el peso o al es
de 2397,72 kg, quedando un ma gen másico de 2602,27 kg.
5.6.6. Ace o inoxidable
Depósi o in e io al ala
Siguiendo el mismo p ocedimien o se ob iene un espeso de 0’425 mm, lo cual esul a en un peso
de 77,298 kg y una capacidad de 3’0997 m³. De es a mane a, se á necesa io que cada depósi o
ex e io almacene 10’953 m³.
Depósi os bajo las alas
Los anques bajo las alas deben ene un espeso de 1.0235 mm, lo que esul a en un peso de 293,44
kg y una capacidad de 10,906 m³. Pa a alcanza es a capacidad, la longi ud del depósi o debe
inc emen a se en 3,55 cm, lo que añade 295,62 kg al peso.
El peso o al de los depósi os es de 743,84 kg. Incluyendo el inc emen o del 15%, el peso ajus ado
es de 855,41 kg. Al suma el combus ible, el peso o al asciende a 2846,67 kg, con un ma gen
másico de 2153,32 kg.
5.6.7. Ti anio
Depósi o in e io al ala
Se ob iene un espeso de 0,56 mm, po an o, un peso de 58,338 kg y una capacidad de 3’0965 m³.
De es a mane a, se á necesa io que cada depósi o ex e io almacene 10’96 m³.
Depósi os bajo las alas
Los anques bajo las alas ienen un espeso de 1,36 mm, un peso de 221,46 kg y una capacidad de
10,894 m³. Pa a log a la capacidad eque ida, es necesa io ex ende la longi ud del depósi o en
4,71 cm, lo que inc emen a el peso en 222,63 kg.
Análisis in eg ado del sis ema
88
88
5.7. A400M
5.3.1. Aleación de aluminio-magnesio
Depósi o in e io al ala
En es e caso se ob iene un espeso de 2,28 mm, lo cual esul a en un peso de 369,69 kg y una
capacidad de 31,197 m3. El anque ex e io debe almacena po an o una capacidad de 218’69 m3.
Depósi o sob e el uselaje
El espeso del anque si uado sob e el uselaje debe se de 5,2128 mm, lo que esul a en un peso
de 2836,1 kg y una capacidad de 218,9 m3, con lo que se cumple con el equisi o.
De es a o ma, el peso o al de los depósi os es de 3475,48 kg, que inc emen ándolo un 15% esul a
3996,802 kg. Añadiéndole el combus ible se ob iene 23926,48 kg, con ando así con un ma gen
másico de 26573,51 kg.
5.7.5. Ace o inoxidable
Depósi o in e io al ala
Siguiendo el mismo p ocedimien o se ob iene un espeso de 1’08 mm, lo cual esul a en un peso
de 780,71 kg y una capacidad de 31’307 m³. De es a mane a, se á necesa io que cada depósi o
ex e io almacene 218’47 m³.
Depósi o sob e el uselaje
Pa a el anque si uados sob e el uselaje, el espeso ob enido es de 2,4642 mm, con un peso de
5778,7 kg y una capacidad de 219,72 m3, po an o, cumple con el equisi o.
El peso o al de los depósi os esul a de 7340,12 kg, el cual se inc emen a un 15%, esul ando
8441,13 kg. Si le añadimos el combus ible el peso o al es de 28355,93 kg, con ando po an o con
un ma gen másico de 22144,06 kg.
5.7.6. Ti anio
Depósi o in e io al ala
Se ob iene un espeso de 1,43 mm, po an o, un peso de 589,22 kg y una capacidad de 31’275 m³.
De es a mane a, se á necesa io que cada depósi o ex e io almacene 218’53 m³.
Depósi o sob e el uselaje
El espeso ob enido es de 3,26 mm, con un peso de 4361,2 kg y una capacidad de 219,48 m3, po
an o, cumple con el equisi o.
El peso o al de los depósi os esul a de 5539,64 kg, el cual se inc emen a un 15%, esul ando
6370,58 kg. Si le añadimos el combus ible el peso o al es de 26285,104 kg, con ando po an o
con un ma gen másico de 24214,896 kg.
89
89
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
5.7.7. Compa ación de esul ados
La siguien e abla esume los esul ados ob enidos pa a los dos modelos y es ma e iales
analizados:
Tabla 12: Compa ación ma e iales depósi os A400M
Ma e ial
Peso o al de los
depósi os [kg]
Capacidad de
combus ible (kg)
Ma gen de peso
disponible
Aleación aluminio-
magnesio
3996,802
19929,67
26573,51
Ace o inoxidable
8441,138
19914,80
22144,06
Ti anio
6370,586
19914,518
24214,89
La aleación de aluminio-magnesio esul a en el meno peso o al, des acándose como la opción
más e icien e pa a educi la masa es uc u al, así como el mayo ma gen de peso disponible,
siendo la peo opción el ace o inoxidable.
5.7.8. Op imización depósi os A400M
Siguiendo el mismo c i e io que en el B200 y el ATR-72, se ha seleccionado la aleación de
aluminio-magnesio pa a la ab icación de los depósi os del A400M, pe mi iendo un mejo
equilib io en e esis encia y peso.
Inicialmen e, se conside ó un depósi o ex e no si uado sob e el uselaje con un diáme o de 3,15
m y una longi ud de 31,78 m. Se simuló el compo amien o combinado de es e depósi o ex e no y
los anques in e nos, conside ando en odo momen o un aislamien o é mico e ec i o con un
espeso de 30 mm
Análisis in eg ado del sis ema
90
90
Ilus ación 5.11: E olución pa áme os en depósi o ex e no A400M
91
91
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Los esul ados ob enidos, mos ados en las Ilus aciones 5.11 y 5.12, indican cla amen e que no se
log a cumpli con los equisi os ope acionales pa a comple a la misión. Como se obse a en las
g á icas, la causa p incipal es que se ago a el hid ógeno líquido almacenado an es de que la
ae ona e llegue al inal del uelo p e is o. Además, se con i ma que la p esión in e na en ningún
momen o supe a el lími e máximo admisible de 5 ba , po lo que la limi ación es únicamen e
olumé ica, de i ada de la capacidad insu icien e del anque ex e no inicialmen e conside ado.
Pa a esol e es a si uación, se ha decidido aumen a lige amen e el diáme o del depósi o ex e no
has a 3,16 m, man eniendo la longi ud del anque cons an e, lo que p opo ciona un olumen
adicional su icien e pa a ga an iza la au onomía eque ida. Es e ajus e pe mi e inc emen a la
capacidad o al de almacenamien o de hid ógeno sin a ec a signi ica i amen e la es abilidad
ae odinámica de la ae ona e. No obs an e, se á necesa io ealiza un análisis adicional pa a e alua
en p o undidad el impac o sob e la dis ibución de masas y el cen o de g a edad. Cabe des aca
nue amen e que en odas las simulaciones y análisis ealizados se ha conside ado siemp e un
aislamien o é mico con espeso cons an e de 30 mm.
Ilus ación 5.12: E olución pa áme os en depósi os in e nos A400M
Análisis in eg ado del sis ema
92
92
1. E olución del combus ible y a iables in e nas de los anques
Ilus ación 5.13: Nue a e olución pa áme os en depósi o ex e no A400M
93
93
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Ilus ación 5.14: Nue a e olución pa áme os en depósi os in e nos A400M
Análisis in eg ado del sis ema
94
94
2. In luencia del aislan e en los anques ex e nos
Dado que el con ol é mico es undamen al pa a man ene la es abilidad del hid ógeno
almacenado, se ha e aluado la in luencia del espeso del aislan e en los anques ex e nos del
A400M. Los siguien es g á icos mues an cómo a ían dis in os pa áme os cla e en unción del
espeso del aislamien o:
Ilus ación 5.15: E olución de pa áme os según el espeso del aislan e en anque ex e no A400M
95
95
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Es os esul ados con i man la impo ancia de un aislamien o é mico adecuado en la ges ión del
hid ógeno almacenado. G acias a la op imización de los anques ex e nos, aumen ando su diáme o
y mejo ando su aislamien o, el A400M consigue mejo a su au onomía sin comp ome e su
es abilidad ae odinámica ni ope a i a, asegu ando el cumplimien o de la misión de mane a
e icien e y segu a.
Análisis in eg ado del sis ema
96
96
6. CONCLUSIONES
A lo la go de es e es udio se ha ealizado un análisis de allado sob e la iabilidad del hid ógeno
líquido como combus ible pa a la p opulsión aé ea, cen ándose especialmen e en el diseño y
op imización de los depósi os de almacenamien o en es ae ona es di e en es: el Beechc a B200,
el ATR-72 y el Ai bus A400M. El obje i o p incipal ha sido e alua la capacidad de es os
depósi os, el impac o del aislamien o é mico en su e iciencia y la posibilidad de comple a la
misión con di e sas con igu aciones es uc u ales y ma e iales de ab icación.
Los esul ados ob enidos han mos ado que, en odas las ae ona es analizadas, la con igu ación
inicial de los depósi os no e a su icien e pa a comple a la misión plani icada. Pa a soluciona es a
limi ación, ue necesa io ediseña los depósi os ex e nos, aumen ando su longi ud en el caso del
B200 y el ATR-72, mien as que en el A400M se op ó po un inc emen o en el diáme o. Es os
ajus es pe mi ie on aumen a la capacidad de almacenamien o de hid ógeno sin a ec a
signi ica i amen e la ae odinámica ni el endimien o de la ae ona e, asegu ando así que se
cumplie an los equisi os ope a i os es ablecidos.
En cuan o a los ma e iales de cons ucción de los depósi os, se compa ó el endimien o de la
aleación de aluminio-magnesio, el ace o inoxidable y el i anio. Los esul ados indica on que la
aleación de aluminio-magnesio es la opción más e icien e en é minos de peso y iabilidad
ope a i a, ya que o ece un mayo ma gen de ca ga ú il y minimiza el impac o en el endimien o
de la ae ona e. Aunque el ace o inoxidable des aca po su al a esis encia, su mayo peso lo
con ie e en una opción menos e icien e pa a aplicaciones en ae ona es. Po o o lado, el i anio
ep esen a una al e na i a in e media, combinando buena esis encia mecánica con un peso meno
que el ace o inoxidable, aunque su ele ado cos e limi a su aplicabilidad en soluciones a g an
escala.
Un aspec o impo an e que se ha a ado en es e abajo es cómo el espeso del aislamien o é mico
a ec a la es abilidad del sis ema. Se ha demos ado que un mayo g oso del aislan e disminuye
conside ablemen e la ans e encia de calo hacia el hid ógeno, lo que ayuda a educi la
e apo ación p ema u a del combus ible y a man ene la p esión den o de lími es ope a i os
segu os. Median e simulaciones, se ha iden i icado la con igu ación óp ima del aislamien o pa a
cada ipo de ae ona e, con un espeso de 30 mm en el B200, 30 mm en el ATR-72 y 15 mm en el
A400M, ga an izando un balance adecuado en e e iciencia é mica y peso o al del sis ema.
Además, se ha e aluado el amaño inal de los depósi os ex e nos eque idos as el ediseño:
3.2551 m³ pa a el B200, 11.964m³ pa a el ATR-72 y 222.88 m³ pa a el A400M. Es os olúmenes
pe mi ie on sa is ace el pe il de misión plani icado.
En lo e e en e al consumo de combus ible, se ha ealizado una compa ación en base ene gé ica
en e al uso de Je -A. La ope ación con hid ógeno pe mi ió una educción es imada del consumo
ene gé ico de ap oximadamen e 64.2 % en el B200, 64.1 % en el ATR-72 y 64.2 % en el A400M,
lo que demues a su po encial en é minos de e iciencia y sos enibilidad.
El análisis del alcance alcanzable con cada con igu ación op imizada mos ó que el B200 pudo
log a un alcance de 1600 km, el ATR-72 de 2381.1 km y el A400M de 3164.1 km. En odos los
casos, se con i mó la iabilidad ope a i a an o en uelos co os como en ayec os de media
du ación, siemp e que se apliquen las es a egias adecuadas de aislamien o y diseño es uc u al.
Apéndice: Tablas
104
104
A.3. A400M
Tabla 20: Mapa Ope a i o TSFC (Kg/h/kN): A400M ni el del ma
V(m/s) /
E(N)
50
100
150
200
250
300
50
20846.916
87.433
101.775
116.952
134.668
149.696
159.448
20846.916
31461.041
66.429
78.861
90.644
105.177
125.12
139.83
31461.041
41993.4245
56.245
67.914
78.161
91.563
108.289
121.761
41993.4245
52580.114
49.286
60.106
69.851
82.263
97.079
109.349
52580.114
63064.9985
44.873
55.396
65.042
76.853
91.139
102.1
63064.9985
73626.9615
41.223
51.747
61.153
72.645
86.719
96.231
73626.9615
84242.4705
38.89
49.371
58.925
70.267
84.42
93.508
84242.4705
94792.8385
37.023
47.164
56.945
68.536
82.228
91.103
94792.8385
105344.429
35.41
45.721
55.636
67.164
80.707
89.371
105344.429
115948.204
34.307
44.745
54.717
66.386
79.717
88.31
115948.204
126556.332
33.373
43.812
54.081
65.856
79.222
87.638
126556.332
137151.017
32.567
43.091
53.487
65.29
78.479
87.178
137151.017
147692.972
31.676
42.412
52.977
64.795
77.949
86.825
147692.972
158213.794
31.337
42.157
52.808
64.724
78.232
87.32
158213.794
Tabla 21: Mapa Ope a i o TSFC (Kg/h/kN): A400M 70% co a nominal
V(m/s) /
E(N)
100
120
140
160
180
200
220
14348.2445
72.011
77.108
80.341
85.399
90.952
96.314
103.959
18726.5775
62.301
66.066
69.908
73.825
78.845
84.398
90.255
23112.633
56.737
60.235
63.925
67.766
72.824
77.73
83.359
27506.4115
51.286
54.747
58.246
61.555
66.537
71.329
76.273
31890.6495
48.612
51.92
55.648
58.918
63.748
68.35
73.333
36288.617
45.747
49.284
52.783
56.244
61.112
65.41
70.506
40673.2515
44.328
47.941
51.554
54.977
59.465
64.219
69.087
45048.0875
43.061
46.826
50.439
54.052
58.426
62.914
67.896
49429.8435
41.718
45.521
49.058
52.671
57.235
61.685
66.705
53820.5125
40.527
44.216
48.019
51.594
56.044
60.494
65.514
58192.867
39.792
43.481
47.284
51.05
55.614
60.063
65.16
62586.941
39.4
43.279
47.12
50.885
55.488
59.823
64.92
66975.257
38.931
42.849
46.652
50.531
55.171
59.811
64.755
71339.0395
38.311
42.342
46.335
50.177
54.893
59.761
64.553
105
105
El hid ógeno como combus ible pa a la p opulsión aé ea: in eg ación ae ona e-mo o con
combus ibles al e na i os
Tabla 22: Mapa Ope a i o TSFC (Kg/h/kN): A400M co a nominal
V(m/s) /
E(N)
100
120
140
160
180
200
220
13193.817
59.255
63.028
66.814
70.287
75.428
80.366
86.46
17446.054
51.652
54.978
58.233
61.741
66.405
71.411
76.586
21670.5205
47.436
50.77
54.148
57.484
62.013
66.746
71.717
25906.0955
44.053
47.338
50.777
54.113
58.676
63.137
67.733
30137.373
41.699
45.05
48.529
52.094
56.327
60.651
65.316
34407.856
39.983
43.538
47.065
50.525
54.888
59.119
63.715
38587.997
38.953
42.394
46.112
49.721
53.909
58.302
62.932
42877.815
38.463
42.108
45.635
49.415
53.773
58.029
62.83
47075.3475
37.924
41.576
45.329
49.142
53.501
58.029
62.66
51351.4185
37.139
41.127
44.784
48.836
53.398
57.791
62.592
55587.79
36.747
40.841
44.648
48.563
53.262
57.893
62.626
59797.1435
36.943
41.086
45.022
49.21
53.807
58.676
63.341
64043.495
37.237
41.25
45.431
49.755
54.488
59.425
64.328
68313.204
37.335
41.536
45.703
50.062
55.033
60.174
65.077
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