El proyecto Céfiro, contado por uno de sus protagonistas

Andrés Fernández Lucena es estudiante de ingeniería aeronáutica en la Escuela de Ingenieros de Sevilla.

A principios del curso 2008-2009 se incorporó a un proyecto apasionante del Grupo de Ingeniería Aeroespacial (GIA) de la Universidad de Sevilla: el desarrollo del Céfiro, un UAV cuyo diseño, fabricación y puesta en servicio se ha realizado íntegramente por un grupo de estudiantes de la Escuela.

Andrés, que ya ha colaborado anteriormente con aergenium, nos ha enviado un artículo sobre este proyecto que conoce tan bien, ya que además de haber participado en la construcción del primer prototipo, lo pilotó durante su primer vuelo el pasado 22 de Agosto, y actualmente realiza su proyecto de fin de carrera en el desarrollo de un segundo prototipo mejorado, el Céfiro II.

El proyecto Céfiro
El pasado 3 de noviembre, con motivo de la 75a sesión del Foro Aeronáutico de Sevilla, se presentó al público el proyecto Céfiro, del Grupo de Ingeniería Aeroespacial (GIA) de la Universidad de Sevilla.

Qué es el proyecto Céfiro

De una forma global se puede decir que consiste en el diseño, construcción y explotación de un UAV que responde a unas necesidades concretas. Las motivaciones para llevarlo a cabo son básicamente dos:

• La motivación educacional: proporcionar a los alumnos una visión completa de todos los aspectos relacionados con el proceso de diseño de aviones.
  
• La motivación investigadora: se da que hay una baja disponibilidad de plataformas comerciales adecuadas, lo que crea la necesidad de diseñar y construir plataformas UAV a medida.

Descripción breve de Céfiro

Céfiro es un UAV que en líneas generales tiene 3m de envergadura y 2.7m de longitud. Su peso máximo al despegue está en torno a los 30 kilos, de los que un máximo de 10kg corresponden a carga útil.

Para propulsarse utiliza un motor alternativo monocilíndrico de gasolina de 50 centímetros cúbicos de cilindrada, que hace girar una hélice bipala impulsora (pusher, en inglés) de unos 60 cm de diámetro. La configuración impulsora, poco común frente a la tractora, más convencional, permite disponer de todo el morro de la aeronave para situar en él la carga útil.

La estructura del avión es semimonocasco, toda en madera. ¿Por qué en madera? La razón principal es la facilidad de construcción con este material, que a la hora de construir el prototipo facilitaría la definición de procedimientos y técnicas de construcción, así como la reparabilidad y repetitividad, todo y que con vistas al futuro se prevee la transición a materiales más avanzados.

Céfiro tiene un tren de aterrizaje triciclo no retráctil, y el control se lleva a cabo de forma convencional mediante alerones, timones de dirección y profundidad, y flaps simples.

Una característica importante del avión es que su diseño es modular: morro, fuselaje, ala central, semialas, tubos de cola, y conjunto de cola podían ser tratados de forma independiente, de manera que el avión pudiera ser adaptado con un mínimo esfuerzo a diferentes requisitos. Esto a su vez facilita tanto el transporte del avión como la reparación del mismo.

La historia de Céfiro

El proyecto nació en la asignatura de Cálculo de Aviones, impartida por Sergio Esteban Roncero en 5o curso de Ingeniería Aeronáutica.

Hay que comentar que la metodología docente de esta asignatura consiste en proponer a los alumnos varios RFP (Request For Proposal), a los que deben responder, trabajando en grupos, con un diseño de una nueva aeronave, diseño que una vez desarrollado a lo largo del curso deben defender frente a la competencia de los demás grupos y frente al profesor.

En el curso 2007/2008, el Grupo de Ingeniería Aeroespacial (concretamente Sergio Esteban y Damián Rivas, director del GIA) propusieron proceder de una manera diferente al grupo de alumnos formado por Carlos Bernal Ortega, Adrián Martín Cañal, José Luis De Augusto Gil, Daniel Pérez Alcaraz, Pedro López Teruel, y Francisco Ventura Samblás Carrasco.

Se utilizaría el trabajo de la asignatura para hacer el diseño preliminar de un UAV, diseño que continuaría con sus proyectos de fin de carrera. De acuerdo con esto, este grupo realizó el diseño preliminar de Céfiro en respuesta a ese RFP.

Por aquel entonces no se le conocía como Céfiro, sino como Zéfiro. El documento con el que presentaron su trabajo puede encontrarse en la web de Sergio Esteban.

Llegado el momento, se tomó la decisión de pasar de una serie de datos, curvas y planos a un avión real.

La gran cantidad de horas de trabajo necesarias para este fin saldrían de proyectos de fin de carrera y becas de colaboración. Tomar esta opción para el proyecto de fin de carrera no era ni mucho menos el camino más rápido para conseguir el título de Ingeniero Aeronáutico, pero aun así cinco de estos alumnos dieron un paso adelante y se comprometieron a trabajar en la realización del avión.

Los proyectos se repartirían de la siguiente forma:

• Aerodinámica - Martín Cañal, Adrián, Diseño aerodinámico de un UAV de baja velocidad: El proyecto Céfiro.
  
• Diseño estructural y procesos de construcción - Pérez Alcaraz, Daniel, Diseño estructural y construcción de un avión no tripulado: El proyecto Céfiro.
  
• Actuaciones y modelado de la planta propulsora - Samblás Carrasco, Francisco Ventura: Análisis de las actuaciones y modelado de la planta propulsora de un avión no tripulado: El proyecto Céfiro.
  
• Estabilidad y control - López Teruel, Pedro: Análisis de la estabilidad y el control de un avión no tripulado: El proyecto Céfiro.
  
• Fabricación, integración de sistemas y pruebas funcionales - Bernal Ortega, Carlos: Integración de sistemas y pruebas funcionales de un avión no tripulado: El proyecto Céfiro.

El trabajo de estos alumnos a partir de este momento comenzaba por el diseño en detalle del avión: cada parte de la estructura, del sistema de mandos de vuelo, cada unión, cada conducto de la instalación de la planta propulsora, debían ser definidos de manera que fueran algo concreto y fabricable.

Estamos hablando de un prototipo, lo que supone que el diseño iba a precisar de innumerables correcciones y actualizaciones según se progresaba en la fabricación. Para esto resultaron de vital importancia las herramientas CAD (Diseño Asistido por Ordenador), que tuvieron protagonismo desde el primer día.

El avión se construiría en el laboratorio de Ingeniería Aeroespacial. Y, ¿con qué medios? Esto también había que determinarlo, puesto que por entonces no se disponía de máquinas herramienta, ni nada parecido. Se llegó a una conclusión importante: había que intentar trabajar de la forma más autónoma posible. Y si se querían fabricar todas las piezas del avión de forma eficiente, se necesitaba una máquina de corte CNC (Control Numérico por Computador). Eso iba a llevar unos grandes costes iniciales, pero con el tiempo, y con el know how que daban tantas horas de trabajo, se ganaría mucho en rapidez.

El objetivo era que cualquier pieza que saliera de CATIA pudiera estar en las manos del personal a los pocos minutos. Los costes iniciales se debían a la inversión necesaria a nivel de herramientas, maquinaria, CNC etc, que el Grupo de Ingeniería Aeroespacial invirtió sin ningún tipo de ayuda externa a la Universidad. Fue una inversión totalmente financiada por los fondos del grupo por trabajos de investigación y con ayuda de fondos de la Universidad de Sevilla.

El diseño en detalle debía permitir no sólo obtener un conjunto de piezas sino que ese conjunto pudiera ser ensamblado de la manera más simple posible. Para ello, se elaboraron una serie de utillajes, que eliminaban cualquier incertidumbre a la hora de ensamblar los diferentes módulos del avión. Cada hora invertida en el desarrollo de estos utillajes se agradeció en el montaje, cuando se vio que eran tan útiles o más que un par de manos extra.

Se necesitaba adecuar el laboratorio a la tarea que en él se iba a realizar. Esto fue tarea principalmente de Sergio Esteban, quien partiendo de su experiencia en proyectos similares en universidades de EE.UU. hizo acopio de todo el material necesario (financiado por el GIA y Universidad de Sevilla) e hizo del laboratorio un lugar de trabajo.

Se contó también con la inestimable ayuda del resto de miembros del GIA, y de Manolo González, el jefe de taller del laboratorio de Mecánica de Fluídos, cuya experiencia valió, y vale, más que cualquiera de las máquinas que se adquirieron.

A principios del curso 2008/2009 se inició la construcción del avión. El que escribe llegó como becario al departamento para colaborar en el proyecto, y entre todos se inició la construcción. Tras muchas, muchas horas, se empezaron a ver los frutos. Cada vez que lográbamos sacar de los utillajes un nuevo módulo del avión, la moral subía. Todos querían ver al avión volando. Se montó la estructura, el revestimiento, los mandos de vuelo, el sistema de radio... se hicieron pruebas de motor en banco... tras montar el avión por completo, y tras una batería de ensayos en tierra, de alcances de radio, susceptibilidad a interferencias, carreteo en tierra, se decidió proceder con el primer vuelo.

Sería simplemente una comprobación limitada de que el avión era volable, controlable, y que no mostraba ninguna característica indeseable. Para los primeros vuelos, el avión operaría como un avión de radiocontrol, usando un equipo comercial de radio (El vuelo autónomo es un objetivo a medio-largo plazo).

Para el vuelo se entró en contacto con Emilio Pombero, director de la Escuela de Vuelo Aerohíspalis, de Mairena del Alcor, que prestó de forma desinteresada sus instalaciones. Tras ir un primer día a montar el avión y dejar todo el equipo preparado, se fue el segundo día, temprano, a intentar el vuelo.

El avión arrancó, se le hizo carretear, se le colocó en la pista, y tras unos momentos en los que se comprobó una y otra vez que todo estaba en orden, se le abrió el gas y se le dejó que se fuera al aire.

Tras unos momentos de vuelo nervioso transcurridos mientras se ajustaba el punto neutro de los mandos, el avión mostró un comportamiento excelente: era suficientemente estable, suficientemente maniobrable, y muy noble. No mostraba vicios extraños ni respuestas agresivas a los mandos.

Tras una serie de pasadas para dar oportunidades a los fotógrafos, el Céfiro aterrizó suavemente... después gritos, aplausos, felicitaciones de todos hacia todos... el avión, el grupo humano, el GIA, demostraron la capacidad de diseñar, construir y volar un UAV hecho a medida para cubrir unas necesidades determinadas.

Este vuelo no era más que un hito en el camino del proyecto. Tras dieciocho meses, queda mucho trabajo por hacer, y muchas capacidades del avión por desarrollar. Actualmente, además de trabajar para los siguientes vuelos, se está llevando a cabo la construcción del segundo ejemplar, aprovechando las lecciones aprendidas en el primero. Se está trabajando también en la aviónica, en los sensores de datos de aire... las perspectivas son buenas, pero queda mucho camino por recorrer, y muchos aterrizajes por delante.

 Para terminar, mi agradecimiento a Damián Rivas Rivas, Catedrático del GIA, por su apuesta firme desde el primer día en este proyecto, así como a todo el personal docente del GIA: su apoyo y su suministro de ideas han sido vitales para el buen desarrollo del proyecto.

Y no quiero acabar sin agradecer personalmente a mis compañeros de fatigas de tantas horas en el laboratorio construyendo el primer Céfiro, Curro Samblás, Carlos Bernal, Pedro López, y Dani Pérez, a Sergio Esteban y a todo el GIA la confianza depositada en mí al permitirme formar parte de este proyecto. Para mí ha sido un placer.

Andrés Fernández Lucena
Alumno de Ingeniería Aeronáutica
Becario del Grupo de Ingeniería Aeroespacial.