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Un aerostato (del griego antiguo ἀήρ ( aḗr ) 'aire' y στατός ( statós ) 'de pie', a través del francés) o aeronave más ligera que el aire es una aeronave que depende de la flotabilidad para mantener el vuelo . Los aerostatos incluyen los globos sin motor (de vuelo libre o atados ) y los dirigibles con motor .
La densidad relativa de un aerostato en su conjunto es menor que la del aire atmosférico circundante (de ahí el nombre "más ligero que el aire"). Su componente principal es una o más cápsulas de gas hechas de pieles ligeras , que contienen un gas de elevación (aire caliente o cualquier gas con menor densidad que el aire, típicamente hidrógeno o helio ) que desplaza un gran volumen de aire para generar suficiente flotabilidad para superar su propio peso . La carga útil (pasajeros y carga) puede transportarse entonces en componentes adjuntos como una cesta , una góndola , una cabina o varios puntos duros . [1] [2] En los dirigibles, que necesitan poder volar contra el viento, las cápsulas de gas de elevación suelen estar protegidas por una envoltura exterior más rígida o un fuselaje , con otras bolsas de gas como balones para ayudar a modular la flotabilidad.
Los aerostatos se denominan así porque utilizan la fuerza de flotación aerostática que no requiere ningún movimiento hacia adelante a través de la masa de aire circundante, lo que da como resultado la capacidad inherente de levitar y realizar despegues y aterrizajes verticales . Esto contrasta con los aerodinos más pesados que el aire que utilizan principalmente la sustentación aerodinámica , que debe tener un flujo de aire constante sobre una superficie aerodinámica ( ala ) para mantenerse en el aire. El término también se ha utilizado en un sentido más estricto, para referirse al globo atado estáticamente en contraste con el dirigible de vuelo libre. [3] Este artículo utiliza el término en su sentido más amplio.
En el uso estudiantil, el término aerostato se refiere a cualquier termostato que permanece en el aire utilizando principalmente la flotabilidad aerostática . [4] [5]
Históricamente, todos los aerostatos se llamaban globos. Los tipos propulsados capaces de volar en horizontal se denominaban globos dirigibles o simplemente dirigibles (del francés dirigeable , que significa "dirigible"). Estos aerostatos propulsados más tarde pasaron a llamarse dirigibles , y el término " globo " se reservó para los tipos sin propulsión, ya fueran atados (que significa sujetos al suelo) o flotando libremente. [6] [7]
Más recientemente, la Oficina de Responsabilidad Gubernamental de los Estados Unidos ha utilizado el término "aerostato" en un sentido diferente, para distinguir el globo estático atado del dirigible que vuela libremente. [8]
Un globo es un aerostato sin motor que no tiene ningún medio de propulsión y debe estar atado a un cable largo o dejarse flotar libremente con el viento.
Aunque un globo libre se desplaza a la velocidad del viento, se desplaza con él, por lo que el pasajero siente que el aire está en calma y sin viento. Para cambiar su altitud sobre el suelo, debe ajustar la cantidad de sustentación o descartar el peso del lastre. Entre los usos más destacados de los globos que vuelan libremente se incluyen los globos meteorológicos y los globos deportivos.
Un globo cautivo se mantiene en el suelo mediante una o más líneas de amarre o amarres. Tiene suficiente sustentación para mantener la línea tensa y su altitud se controla tirando de la línea hacia adentro o hacia afuera. Un globo cautivo siente el viento. Un globo redondo es inestable y se balancea con vientos fuertes, por lo que el globo cometa se desarrolló con una forma aerodinámica similar a un dirigible no rígido . Tanto los globos cometa como los dirigibles no rígidos a veces se denominan "dirigibles". [6] [7] Los usos notables de los globos cautivos incluyen globos de observación y globos de barrera y los usos notables de los globos no atados incluyen globos de espionaje y globos de fuego .
Un dirigible es un aerostato propulsado, que vuela libremente y que puede ser dirigido. Los dirigibles se dividen en rígidos , semirrígidos y no rígidos; estos últimos suelen ser conocidos como dirigibles .
Un dirigible rígido tiene una estructura o revestimiento exterior que rodea las bolsas de gas de elevación en su interior. La envoltura exterior mantiene su forma incluso si las bolsas de gas se desinflan. Los grandes dirigibles zeppelin del siglo XX eran de tipo rígido.
Un dirigible no rígido se desinfla como un globo a medida que pierde gas. Los dirigibles Goodyear todavía son comunes en los EE. UU.
Un dirigible semirrígido tiene una bolsa de gas desinflable como un dirigible no rígido pero con una estructura de soporte que lo ayuda a mantener su forma mientras está en el aire. El primer dirigible práctico, el Santos-Dumont No. 6, era un semirrígido.
Algunos dirigibles obtienen sustentación adicional de forma aerodinámica a medida que se desplazan por el aire, utilizando la forma de su envoltura o mediante la incorporación de aletas o incluso pequeñas alas. Los tipos diseñados para aprovechar este efecto de sustentación en vuelo normal se denominan dirigibles híbridos .
Un dirigible híbrido utiliza tanto la flotabilidad estática como el flujo de aire dinámico para generar sustentación. El movimiento dinámico se puede crear utilizando potencia propulsiva, como un dirigible híbrido , o bien anclado en el viento como una cometa, como un helicito o un kytoon .
El Helikite de Allsopp es una combinación de un globo de helio y una cometa para formar una única aeronave atada, aerodinámicamente sólida, que explota tanto el viento como el helio para su elevación. Los Helikites son semirrígidos. Los Helikites se consideran los aerostatos más estables, energéticamente eficientes y rentables disponibles. [9] Esto le da a los Helikites varias ventajas sobre los aerostatos tradicionales. Los aerostatos tradicionales necesitan utilizar gas helio de sustentación relativamente baja para combatir vientos fuertes, lo que significa que necesitan tener mucho gas para hacer frente y, por lo tanto, son muy grandes, difíciles de manejar y costosos. Los Helikites aprovechan la sustentación del viento, por lo que solo necesitan ser una fracción del tamaño de los aerostatos tradicionales para operar con vientos fuertes. Los Helikites vuelan a una altitud mucho mayor que los aerostatos tradicionales del mismo tamaño. Al ser más pequeños, con menos costuras de construcción, significa que los Helikites tienen problemas mínimos con las fugas de gas en comparación con los aerostatos tradicionales, por lo que usan mucho menos helio.
Los helikites no necesitan globos y, por lo tanto, su construcción es más sencilla que la de los aerostatos tradicionales y no necesitan energía eléctrica constante para mantenerse en el aire. Los helikites también son extremadamente estables y, por lo tanto, son buenas plataformas aéreas para cámaras o instrumentos científicos. Los helikites diminutos volarán en todas las condiciones climáticas, por lo que estos tamaños son populares porque son muy confiables, pero aún así son fáciles de manejar y no requieren cabrestantes grandes y costosos. Los helikites pueden ser lo suficientemente pequeños como para caber completamente inflados en un automóvil, pero también se pueden hacer grandes si se requiere volar cargas útiles pesadas a grandes altitudes. Los helikites son uno de los diseños de aerostato más populares y son ampliamente utilizados por la comunidad científica, los militares, los fotógrafos, los geógrafos, la policía y los servicios de emergencia. Las empresas de telecomunicaciones utilizan los helikites para elevar las estaciones base 4G y 5G para áreas sin cobertura de telefonía celular.
Los helikites varían en tamaño desde 1 metro (volumen de gas 0,13 m3 ) con una sustentación de helio puro de 30 g, hasta 14 metros (volumen de gas 250 m3 ) capaces de levantar 117 kg. Los helikites pequeños pueden volar hasta altitudes de 1.000 pies, y los helikites de tamaño mediano hasta altitudes de 3.000 pies, mientras que los helikites grandes pueden alcanzar los 7.000 pies.
Piasecki Helicopter desarrolló el Piasecki PA-97 Helistat utilizando los sistemas de rotor de cuatro helicópteros obsoletos y un dirigible excedente de la Marina, con el fin de proporcionar una capacidad para levantar cargas más pesadas que las que un solo helicóptero podría proporcionar. La aeronave sufrió un accidente fatal durante un vuelo de prueba. En 2008, Boeing y SkyHook International resucitaron el concepto y anunciaron un diseño propuesto del SkyHook JHL-40 .
Para proporcionar flotabilidad, cualquier gas sustentador debe ser menos denso que el aire circundante. Un globo aerostático está abierto en la parte inferior para permitir la entrada de aire caliente, mientras que el globo de gas está cerrado para evitar que el gas sustentador (frío) escape. Los gases sustentadores más comunes incluyen hidrógeno, gas de carbón y helio.
Cuando se calienta, el aire se expande, lo que reduce su densidad y crea sustentación. En China se han utilizado pequeños globos aerostáticos o linternas desde la antigüedad. El primer aerostato moderno capaz de levantar personas, fabricado por los hermanos Montgolfier , fue un globo aerostático. Sin embargo, la mayoría de los primeros globos eran globos de gas. El interés por el deporte de los globos aerostáticos reavivó en la segunda mitad del siglo XX e incluso se han utilizado algunos dirigibles aerostáticos.
El hidrógeno es el más ligero de todos los gases y poco después de los hermanos Montgolfier se lanzó un globo tripulado de hidrógeno. No es necesario quemar combustible, por lo que un globo de gas puede permanecer en el aire durante mucho más tiempo que un globo aerostático. El hidrógeno pronto se convirtió en el gas de sustentación más común tanto para globos como, más tarde, para dirigibles. Pero el hidrógeno en sí es inflamable y, tras varios desastres importantes en la década de 1930, incluido el desastre del Hindenburg , dejó de usarse.
El gas de hulla está compuesto por una mezcla de metano y otros gases, y por lo general tiene aproximadamente la mitad del poder de sustentación del hidrógeno. A finales del siglo XIX y principios del XX, las plantas de gas municipales se hicieron comunes y proporcionaron una fuente barata de gas de sustentación. [10] Algunas plantas pudieron producir una mezcla especial para eventos de globos aerostáticos, incorporando una mayor proporción de hidrógeno y menos monóxido de carbono, para mejorar su poder de sustentación.
El helio es el único gas de sustentación que no es inflamable ni tóxico y tiene casi tanto poder de sustentación (aproximadamente el 92 %) como el hidrógeno. No se descubrió en grandes cantidades hasta principios del siglo XX y durante muchos años sólo los Estados Unidos tenían suficiente para utilizar en dirigibles. Hoy en día, casi todos los globos y dirigibles de gas utilizan helio.
Aunque actualmente no es práctico, es posible construir una estructura rígida, más ligera que el aire, que, en lugar de inflarse con aire, esté en un vacío en relación con el aire circundante. Esto permitiría que el objeto flotara sobre el suelo sin calor ni gas de elevación especial, pero los desafíos estructurales de construir una cámara de vacío rígida más ligera que el aire son bastante significativos. Aun así, es posible mejorar el rendimiento de los aerostatos más convencionales intercambiando el peso del gas por el peso estructural, combinando las propiedades de elevación del gas con el vacío y posiblemente el calor para una mayor sustentación.
El control de la flotabilidad de un aerostato se basa en los principios de la fuerza de flotación y la manipulación del gas dentro de su envoltura. Los aerostatos utilizan gases más ligeros que el aire, como el helio o el hidrógeno, que proporcionan sustentación porque son menos densos que el aire circundante. La cantidad de fuerza de flotación generada depende del volumen del gas, su densidad y la densidad de la atmósfera exterior. Al controlar estas variables, se puede hacer que un aerostato se eleve, descienda o mantenga una altitud estable. El mecanismo básico implica ajustar el volumen y la presión del gas dentro de la envoltura del aerostato, a menudo a través de un sistema de válvulas y compartimentos.
Para ascender, el aerostato libera lastre, que normalmente consiste en sacos de arena u otros pesos, lo que reduce su peso total y lo hace más ligero que el aire que desplaza. Alternativamente, puede ajustar la temperatura del gas (si se utiliza aire caliente) o expandir el volumen de gas dentro de su envoltura. A medida que aumenta el volumen de gas, el aerostato se vuelve menos denso y se eleva. Esto se controla mediante calentamiento (en el caso de los globos aerostáticos) o ajustando las válvulas que controlan el flujo de gas entre los diferentes compartimentos o la atmósfera exterior. Los aerostatos basados en helio, como los dirigibles, dependen del mantenimiento de la integridad y el volumen del helio dentro de su envoltura para lograr una elevación estable.
Al descender, el aeróstato debe reducir su flotabilidad, lo que se puede hacer purgando parte del gas o incorporando lastre adicional. La purga de gas hace que la envoltura pierda volumen, lo que hace que el aeróstato sea más denso que el aire circundante y hace que descienda. Sin embargo, la purga debe realizarse con precaución, especialmente con helio, ya que es un recurso limitado y no se puede reponer fácilmente durante el vuelo. Alternativamente, un aeróstato puede utilizar un sistema reversible donde puede comprimir el gas en compartimentos más pequeños dentro de la envoltura, reduciendo la sustentación sin perder el gas de forma permanente. Al gestionar estos compartimentos o ajustar el flujo de gas, se puede controlar con precisión la flotabilidad del aeróstato.
Para mantener la altitud, un aerostato logra un equilibrio en el que la fuerza de sustentación generada por el gas es igual al peso del aerostato. Este equilibrio se logra mediante pequeños ajustes en el lastre o el volumen de gas. Los sistemas sofisticados pueden utilizar válvulas y sensores automáticos para controlar la presión atmosférica, el volumen de gas y la temperatura, lo que garantiza que el aerostato se mantenga estable sin intervención manual. Esta regulación constante permite que los aerostatos se mantengan en el aire a una altitud fija durante períodos prolongados, lo que los hace útiles para aplicaciones como vigilancia, relés de comunicación u observaciones científicas, donde mantener una posición constante en la atmósfera es crucial.
la bolsa de gas de un globo o dirigible
Tela que envuelve las bolsas de gas de los dirigibles
