Seminario Aeroespacial II

Silva, Fabio (69496); Velez, Nicolau (70947); Silva, Patricia (70411)Gomes, Ricardo(69385); Lopes, Rui(70221)

Lisboa, 13 de Marco de 2012

Estudantes de segundo ano do curso de Engenharia Aeroespacial do Instituto Superior Tecnico

Baloes e Dirigıveis

Este trabalho tem como objectivo fazer uma breve referencia geral ao tema baloes e dirigıveis,como funcionam, problemas, utilizacao, baloes estratosfericos, zeppelin, novos modelos e

utilizacoes, etc.

Cadeira Coordenada pelo Professor Fernando Lau

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Contents

1 Introducao 3

2 Introducao teorica 42.1 Baloes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Dirigıveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Historia de Baloes e Dirigıveis 7

4 Baloes no Espaco 104.1 Baloes Estratosfericos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Missao VEGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104.3 Programa de baloes da NASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114.4 Sistema Stratosail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5 Progressos em Portugal 135.1 Da Passarola a actualidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.2 Projectos actuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

6 Futuro dos Baloes e Dirigıveis 166.1 Aircruise concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

7 Conclusao 18

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1 Introducao

Este trabalho foi desenvolvido no ambito de Seminario Aeroespacial II, no qual abordaremosa tematica escolhida pelo grupo, “baloes e dirigiveis”. Ao longo do desenvolvimento do mesmo,relataremos as origens, o crescimento, auge e declinio dos aeroestatos, o possıvel retorno dosdirigiveis e as areas de aplicacao destes nos dias de hoje, contaremos a historia que levou aodesuso de dirigiveis, bem como a sua marca em Portugal.

Vamos tambem explicitar o actual uso de baloes para uso metereologico e o programa debaloes da NASA. Frisaremos novas tecnologias que estao a ser desenvolvidas em Portugal, bemcomo analisaremos novos conceitos, sobretudo, no ambito turıstico que estao a ser desenvolvidosa nıvel Internacional.

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2 Introducao teorica

Os baloes e os dirigıveis sao dois tipos de transporte aereo, em que o seu funcionamento ebastante semelhante e diferem maioritariamente na estrutura e no facto de os dirigıveis poderemavancar na direccao pretendida. O principio basico de ambos e “flutuar” no ar, ou seja, seremcapazes de ascender devido ao factor densidade. Para que tal aconteca o processo adoptadoconsiste em utilizar um gas menos denso que o ar de modo a que o transporte possa ir subindona atmosfera, uma vez que a forca que o empurra para cima ira ser superior a forca exercidapelo seu peso 1, dadas as diferencas de densidade.

2.1 Baloes

Existem tres grandes tipos de baloes: os baloes de ar quente, os baloes a gas e os baloes deRoznier.

O funcionamento de um balao de ar quente baseia-se no aquecimento do proprio ar, ou seja,ao ser aquecido, as moleculas presentes dispersam-se, diminuindo a sua densidade, tornando-seeste inferior a do ar nao aquecido. O balao de ar quente e constituıdo por um cesto de vime, umconjunto de botijas de propano, um queimador e o envelope. Este ultimo elemento e a coberturaonde sera aquecido o ar, fazendo com que o balao se eleve, sendo esta contituida por 2 partes:uma parte superior composta por paineis/gomos de nylon tratado, unidos por poliuretano, dadoque o nylon tem elevada resistencia mecanica e resiste a elevadas temperaturas; uma segundaparte inferior (saia), tambem feita em nylon, e revestida de um material especial a prova defogo, de modo a evitar que a parte superior se incendeie.

Figure 1: Estrutura comum de um balao a gas[1]

O queimador e responsavel pelo aqueci-mento do ar no interior do envelope atravesda combustao de propano; este elementoe constituıdo por uma luz piloto que vaiaquecer os tubos metalicos onde se encon-tra propano lıquido, tornando-o gasoso e po-dendo assim entrar em combustao fora dasbotijas onde se encontra armazenado, orig-inando, assim, uma chama mais poderosa.O cesto de vime e um material de ele-vada resistencia e bastante comodo, sendoainda, que o seu peso e relativamentebaixo. Contribui-se assim para um mel-hor desempenho de voo, uma vez quediminui a forca que o peso exerce sobre obalao.

Estes baloes apenas ascendem ate umacerta altura, dado que quanto maior a alti-tude, mais rarefeito se torna o ar, ou seja,menos denso, o que implica que as densidadesse comecam a igualar, o que faz com que asua subida estabilize ate parar. Outro aspecto

1Fenomeno observado pela primeira vez pelo Grego Arquimedes de Siracusa, ficando a lei que o permitedescrever conhecida por Lei de Arquimedes

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destes baloes reside no facto de nao poderem entrar em funcionamento nas horas de maior inten-sidade da radiacao solar incidente no solo, uma vez que nestas alturas, o solo aquece e geram-secamadas de ar quente junto da superfıcie, as quais acabam por ascender e, ao entrar em contactocom o balao, poderiam igualar ou ate tornar-se menos densas que o ar aquecido no envelope,fazendo com que este descesse, tornando o voo pouco rentavel.

Os baloes de gas, sao baloes que utilizam um gas de densidade inferior ao ar para poderemsubir na atmosfera, sendo que o gas mais utilizado e o helio. Estes tipos de baloes nao pos-suiem queimadores ou tanques de propano, dado que o gas nao necessita de ser aquecido; o gasencontra-se dentro de um envelope fechado, que, tal como os baloes a ar quente, possui umaabertura no topo do envelope, que pode ser regulada atraves de uma corda. Esta abertura eo que permite ao balao descer, pois ao ser aberta, diminui a quantidade de gas no interior doenvelope, fazendo com que este se misture com ar atmosferico o que ira torna-lo cada vez maisdenso, provocando assim a sua descida. O tempo de voo destes baloes e substancialmente supe-rior ao dos baloes de ar quente pois o propano utilizado gasta-se relativamente depressa (umamedia de 8 horas), enquanto que o voo deste pode durar dias mas, em contra-partida, o seupreco e significativamente superior, dado o preco elevado do helio.

Os baloes de Roznier sao um tipo de balao misto, em que se conjuga caracterısticas dosbaloes de ar quente e de baloes a gas, valendo-lhes o tıtulo de baloes de longas distancias. O en-velope deste baloes encontra-se dividido em duas partes: uma parte fechada e uma parte aberta.Na parte fechada ira estar contido um gas de densidade inferior ao ar atmosferico, enquantoque a parte aberta se encontra destinada a armazenar ar aquecido, uma vez que estes baloespossuem o mecanismo de voo de ambos os anteriores. O facto de ser uma mistura, faz comque os pontos fracos de uns e outros de anulem, como e exemplo o facto de a noite, a elevadasaltitudes, as temperaturas sao extremamente baixas, o que poderia aumentar a densidade do gasno interior da parte fechada do envelope, provocando assim a sua descida; mas, dado que o balaopossui o mecanismo dos baloes de ar quente, neste caso e possıvel aquecer o ar na outra parte doenvelope e impedir a descida. Embora sejam um belo meio de transporte, nao e recomendadopara deslocacao pois definir uma trajectoria exacta e praticamente impossıvel, tendo de se regerpelas correntes de ar existentes.

2.2 Dirigıveis

Em relacao aos dirigıveis, existem 5 grandes grupos: os dirigıveis rıgidos, os dirigıveis naorıgidos, os dirigıveis semi-rıgidos, os dirigıveis metal-clad e os dirigıveis hıbridos. [2]

O dirigıvel nao rıgido e constituıdo por uma gondola, onde estao os passageiros e a partirde onde se comanda o transporte, motores, um leme e no seu interior encontram-se uma especiede baloes, que se denominam ballonets. O funcionamento deste tipo de dirigıvel e muito semel-hante ao de um balao de gas, ou seja, ascende devido a um gas (por norma helio). O facto de terhelio no seu interior permite-lhe atingir elevadas altitudes, e, para poder estabilizar a uma dadaaltura, sao abertas as valvulas de entrada de ar nos ballonets, fazendo com que estes aumentemo seu volume de ar, tornando assim o dirigıvel mais pesado. No processo de descida abrem-sede igual modo as valvulas, permitindo a entrada de ainda mais ar nos ballonets, tornando odirigıvel ainda mais pesado, ate que este comeca a descer. Para se movimentar horizontalmenteutiliza os motores, que desencadeiam o movimento de helices, podendo move-lo tanto para afrente como para tras. Para definir a sua direccao, o piloto move o leme que se encontra natraseira.

A constituicao de um dirigıvel rıgido difere da de um dirigıvel nao rıgido ao ter uma es-

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trutura metalica que mantenha a sua forma, nao dependendo da pressao interna para mante-la.O seu funcionamento e semelhante ao do dirigıvel nao rıgido, mas o gas e armazenada em variasbolsas que se dispoem ao longo do seu interior, em grelhas de suporte horizontais, utilizando ometodo de despejo de gas para estabilizar a subida ou iniciar a descida.

Figure 2: Representacao de um dirigıvel rıgido (em cima) e de um dirigıvel nao rigido (em baixo)[3]

O dirigıvel semi-rıgido segue o funcionamento do dirigıvel nao rıgido, mas possui algumasarmacoes no fundo do balao, de modo a distribuir a suspensao da carga e manter a sua baixapressao.

O dirigıvel metal-clad possui caracterısticas dos dirigıveis nao rıgidos e dos dirigıveisrıgidos, onde e utilizado um envelope de metal muito fino e hermetico, substituindo o balao deborracha/poliester habitual.

Por ultimo, o dirigıvel hıbrido, que combina caracterısticas de avioes ou helicopteros, nosentido de ser mais pesado que o ar e mais leve que a tecnologia aerea, nao existindo nenhumque esteja adaptado para transportar pessoas.

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3 Historia de Baloes e Dirigıveis

O balao e considerado o metodo mais antigo e simultaneamente bem sucedido no transportede passageiros. Apesar das suas origens e primeiras experiencias serem atribuıdas aos irmaosMontgolfier, as primeiras demonstracoes de baloes foram na realidade efectuadas em 1709 emPortugal, pelo padre Bartolomeu de Gusmao. No entanto o seu trabalho nao foi continuado e elhe dada pouca importancia fora do ambito nacional. As bases para o posterior desenvolvimentodos baloes surgiram com o desenvolvimento da quımica dos gases e a descoberta de um gas menosdenso que o ar, o hidrogenio, e que subia quando misturado com ar normal, devido a forca deimpulsao. Com base nisto, e ao verificar que o fumo de uma lareira tambem subia, JosephMontgolfier concluiu e verificou experimentalmente que tal como o hidrogenio, o ar quente emenos denso que o ar normal, e portanto tambem sobe.

Figure 3: Balao dos irmaos Montgolfier [4]

Estavam assim reunidas as condicoespara o desenvolvimento dos baloes e em1783 foram levadas a cabo varias demon-stracoes em Franca por Joseph e o seuirmao Etienne Montgolfier. Para as suasdemonstracoes usaram uma estrutura depano de forma esferica com um diametrode 35 pes que pesava 500 libras e noseu interior continha 28.000 pes cubicos dear. A estrutura possuıa uma aberturaem baixo para que se pudesse aquecer oar sem que o pano pegasse fogo. De-vido a sua forma esferica, foi apelidadade balao. As demonstracoes dos irmaosMontgolfier tiveram um sucesso e impactoenorme, e ainda no ano de 1783 foramtransportadas pessoas que foram erguidascerca de 25 metros no ar durante 4 minu-tos.

O sucesso obtido motivou a pesquisa e de-senvolvimento de alternativas ao balao de arquente, no qual Jacques Charles, professor defısica em Franca, teve um papel de relevo,ao construir um balao que em vez de usar arquente para ascender, usava hidrogenio. Este balao apresentava a vantagem de que caso fossemtransportadas pessoas, nao seria necessario que estas se ocupassem a aquecer o ar. JacquesCharles fez algumas demonstracoes, tambem no ano de 1783, chegando a voar num dos seusbaloes.

A partir do ano 1783 comecou-se a investigar possıveis usos para os baloes nos mais varia-dos domınios. A nıvel militar, os baloes poderiam ser usados como postos de observacao, porpoderem ser elevados a grandes alturas e permitirem uma visao abrangente sobre o territorioenvolvente podendo guiar artilharia, e durante a segunda guerra mundial foram ainda usadoscomo obstaculos a avioes que voassem a baixas altitudes.

A nıvel cientıfico os baloes rapidamente tiveram o seu uso. Em 1784 Jean-Pierre Blancharde o fısico americano John Jeffries fizeram o primeiro voo com vista a estudar as condicoes am-bientais, e em 1803 e 1804 foram efectuadas medicoes do campo magnetico terrestre a altitudes

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elevadas. Os baloes permitiram tambem obter amostras de ar a variadas altitudes, e estudarmeteorologia e radiacao cosmica.

Figure 4: Representacao do balao de hidrogeniode Jacques Charles [4]

Os baloes quer de ar quente quer dehidrogenio passaram a ser vistos tambemcomo atraccoes em feiras e como um possıvelmeio de deslocacao, apesar da sua di-reccao de movimento ser controlada pelovento ou correntes atmosfericas. Aindaassim, em 1785 os ja referidos acimaJ. P. Blanchard e John Jeffries atraves-saram o Canal da Mancha, com a ajudade asas mecanicas que permitiam o movi-mento orientado do balao. Blanchard foitambem responsavel pelo primeiro voo deum balao nos Estados Unidos da America,onde na sua demonstracao estava pre-sente o entao presidente George Washing-ton. Foi o advento dos baloes tambemque permitiu o desenvolvimento do para-quedas, que seria usado como meio de segu-ranca.

Apesar da grande popularidade que osbaloes adquiriram, estes possuıam ainda oproblema de nao se conseguir controlar a di-reccao em que voavam. Esta dificuldade sofoi ultrapassada mais tarde pelo engenheirofrances Henri Giffard que combinou a capaci-dade de ascender de um balao com um motor a vapor e um mecanismo de direccionamento quedavam controlo sobre o movimento da estrutura, permitindo que esta se deslocasse ate contrao vento. Nasceram assim os dirigıveis e em 1852 Henri Giffard pilotou com sucesso o primeirodirigıvel.

Os motores de combustao interna foram desenvolvidos pouco depois, e tornaram viavel otransporte de passageiros, gracas a uma propulsao mais eficaz e ao facto do motor ser mais leveque o motor a vapor. Este novo tipo de motor permitiu tambem que fossem usados materiaismais pesados nos aerostatos, como materiais metalicos, dada a maior capacidade propulsiva.Surgiu assim o zepelim, desenvolvido na Alemanha e que no inicio do seculo XX ganhou grandepopularidade.

O primeiro voo de um zepelim foi em 1900 e em 1929 o LZ 127 Graf Zeppelin voou a volta domundo com sucesso. Um outro zepelim de renome foi o LZ 129 Hindenburg que conjuntamentecom o Graf Zeppelin operavam voos comerciais de passageiros entre a Europa e os EstadosUnidos ate 1937. O Hindenburg foi o maior dirigıvel construıdo na epoca, um dirigıvel de estru-tura rıgida, com cerca de 245 metros de comportamento e suportado por 200 mil metros cubicosde hidrogenio. Tinha capacidade para transporte de 97 pessoas, 61 tripulantes e 36 passageiros.

No dia 6 de Maio de 1937, o Hindenburg estava a fazer uma aterragem em New Jersey, vindoda Alemanha, e explodiu durante a aterragem. Com este incidente, 36 pessoas perderam a vida.A partir desse momento, a seguranca dos dirigıveis foi questionada e comecaram a perder a

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Figure 5: Graf Zeppelin a esquerda, LZ 129 Hindenburg a direita [5]

confianca das pessoas. Durante muito tempo pensou-se que o incendio tinha sido causado poruma manobra brusca, que levou ao furo de um dos tanques de hidrogenio e provocou a explosao,tal como a comissao de seguranca anunciou. O governo alemao pos tambem a hipotese de sab-otagem ao zeppelin encomendado pelo governo de Adolf Hitler.

Figure 6: Fotografia de um balao da Great RenoRace [6]

Mais recentemente, o Dr. Addi-son Bain 2 , investigou de novo o quese teria passado com o Hindenburg e,pela analise dos restos do dirigıvel, ar-ranjou uma explicacao alternativa para oacidente: o material com que foi con-struıdo, nitrocelulose, coberto com pelıculade alumınio, resulta num material facil-mente inflamavel, Dr. Bain constatouque a faısca foi causada pela acumulacaode electricidade estatica durante o voo.[5]

Desde esse acidente e devido aos pro-gressos com avioes, os dirigıveis tem vindoa diminuir o seu uso e importancia, e ac-tualmente sao apenas usados para fins pub-licitarios, cientıficos e turısticos, bem como osbaloes.3

2Ex-cientista da NASA e membro fundador da ”National Hydrogen Association”3Estes ultimos sao adicionalmente usados em algumas competicoes desportivas, como a Gordon Bennett Cup

e a Great Reno Race.

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4 Baloes no Espaco

4.1 Baloes Estratosfericos

Os baloes sao a muito usados como plataformas experimentais de elevada altitude. O balaoestratosferico e um veıculo espacial suborbital, construıdo de um filme plastico com espessurade 3 a 25 µm, enchido com hidrogenio ou helio. Estes baloes sao uma forma facil e barata defazer chegar equipamento cientıfico a zonas altas da atmosfera (18-37km).

Figure 7: Balao estratosferico [7]

Exemplos de desenvolvimentos cientıficos conseguidos a partir de baloes estratosfericos in-cluem: mapeamento da radiacao cosmica de fundo, identificacao de antiprotoes na radiacaocosmica de ondas, deteccao raios gama da supernova 1987, observacao de positroes da galaxia,deteccao de raios-x na regiao central da galaxia e a observacao de Clorofluorcarbonetos (CFCs)e radicais de monoxido de cloro na estratosfera.

A versatilidade e o consumo baixo de energia destes baloes faz com que estes sejam capazesde transportar um grande leque de equipamento: transmissores de radio, receptores de GPS,camaras, etc.

A utilizacao mais comum deste tipo de baloes e na meteorologia. Os baloes meteorologicosestao equipados com equipamentos que permitem realizar medicoes de temperatura, humidade,pressao e velocidade do vento. Um exemplo disto desta aplicacao ao estudo da atmosfera, foique permitiram ao meteorologista frances Leon Teisserenc de Bort levar a cabo experiencias aelevada altitude que levaram a descoberta da Tropopausa e da Estratosfera.

4.2 Missao VEGA

Os baloes constituem uma peca fundamental na exploracao espacial, exemplo disso e aMissao VEGA. A missao internacional VEGA do Space Research Institute (IKI) foi um pro-jecto de estudo de Venus e do cometa Halley.

VEGA-1 e VEGA-2 foram lancados de Baikonur4 em 15 e 21 de Dezembro de 1984 re-spectivamente. A 11 e 15 de Junho aproximaram-se de Venus e deixaram no planeta 2 baloescom 4 experiencias cientificas e 2 dispositivos equipados com 9 experiencias destinados a aterrarna superfıcie do planeta. Apos largarem os baloes em Venus as duas naves foram direccionadascom a ajuda da gravidade de Venus para o cometa Halley.

O principal objectivo dos baloes da missao VEGA era obter informacao sobre os movimentosda atmosfera de Venus, bem como da sua estrutura e nuvens. As sondas voaram a uma altitude

4Regiao central do Cazaquistao

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de 54km, e recolheram dados sobre a dinamica da atmosfera, pressao, temperatura, luminosi-dade, e propriedades das nuvens num perıodo de 46 horas. A sonda da VEGA era constituıdapor um balao com 3.4 metros de diametro e uma gondola suspensa a 13m do balao, o pesototal da sonda era de 21.5kg. O balao era feito de uma matriz de teflon cheia com 30mbar deHelio. A difusao de Helio no balao era lenta o suficiente para que este continuasse operacionalmesmo depois das baterias ficarem descarregadas, perdendo menos de 5% do seu Helio e 500mde altitude. VEGA 1 E VEGA-2 encontram-se em orbitas heliocentricas. [8]

A missao VEGA foi um sucesso contribuindo para o aprofundamento do estudo da atmosferade Venus, bem como do cometa Halley.

4.3 Programa de baloes da NASA

Os baloes mostram-se essenciais no programa cientıfico da NASA onde servem de plataformade teste de sistemas a serem incorporados em naves espaciais. Sao por isso considerados ospioneiros na exploracao espacial.

Daremos agora alguns exemplos de instrumentos utilizados em naves espaciais desenvolvidosem baloes de elevada altitude:

• O design do Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) foi desenvolvido em baloeslancados nos anos 80 e 90

Todos os instrumentos na Compton Gamma Ray Observatory (CGRO);

•• Os detectores no Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI);

• Varios instrumentos do satelite Aura do Earth Observing System (EOS) tem origem em in-strumentos utilizados em baloes estratosfericos, como tambem o Thermal and Evolved GasAnalyzer (TEGA) que foi utilizado no Mars Polar Lander como parte do Mars Volatileand Climate Surveyor (MVACS).

A NASA conta com inumeros cientistas treinados no programa de lancamento de baloes.Dois exemplos importantes sao: Thomas Prince Professor de Fısica no California Institute ofTechnology e Investigador no laboratorio de propulsao, e John Grunsfel o astronauta que levoua cabo as reparacoes no telescopio espacial Hubble.

Como tal, o lancamento de baloes cientıficos continuara a ser essencial para o programaespacial da NASA, nomeadamente na exploracao de atmosferas de outros planetas.

The ability of long-duration guided planetary balloons to alter their flight path in theatmosphere, to deploy surface probes, and to carry out detailed reconnaissance makethem a very powerful tool for future Mars exploration - Dr. Alexey Pankine, projectscientist at the Global Aerospace Corporation [9]

Estes avancos so serao possiveis atraves da introducao de novas tecnologias, sendo que actual-mente investigadores da Global Aerospace Corporatio financiados pela NASA estao a desenvolvera StratoSail, um balao com uma asa que pode ser dirigida com precisao na atmosfera marciana.Tal como os baloes atmosfericos referidos anteriormente este balao pode transportar cameras eoutro equipamento que ajude os cientistas na NASA a identificar possıveis locais de aterragempara missoes que levem o homem a Marte.

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4.4 Sistema Stratosail

Os baloes lancados na missao VEGA demonstraram ser difıceis de controlar na atmosferade Venus, devido aos ventos fortes. A Stratosail ultrapassa este problema com uma asa estabi-lizadora suspensa a varios quilometros do balao.

Figure 8: Asa estabilizadora do Stratosail [10]

A Stratosail tira partido da diferenca nasvelocidades do vento em diferentes altitudesda atmosfera. A asa suspensa na ponta dofio, o que faz com a sua “sustentacao” actuelateralmente ao contrario do que acontece nor-malmente. Esta forca lateral e utilizada paraarrastar o balao, fazendo com que este sejamanobrado para regioes de interesse e longede condicoes desfavoraveis. [10]

A asa e suspensa a 15km debaixo do balaoque voa normalmente a uma altitude de 35km.Isto faz com que a asa fique suspensa bemacima de qualquer voo comercial e da maio-ria dos voos militares. O angulo da asa podeser alterado de forma que o balao possa serpuxado em diferentes direccoes.

Em comparacao com a velocidade do ventoa forca gerado pela asa e pequena, como tal,este sistema nao consegue manter o balao fixo, maspode influenciar o percurso de voo. Depois de varias horas do voo pode-se verificar uma diferencaapreciavel na posicao final do balao.

Figure 9: Comparacao da trajectoria de um balao com e sem controlo de direccao [11]

Com este sistema e dispensada a utilizacao de dispositivos de propulsao que se podem tornarpesados e consumir muito combustıvel.

A importancia dos baloes no desenvolvimento de equipamento cientıfico e na exploracaoespacial e incontornavel, a simplicidade e a versatilidade destes sistemas mostram ser a suagrande vantagem e continuarao a ser um recurso importante para o desenvolvimento cientifico.

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5 Progressos em Portugal

5.1 Da Passarola a actualidade

A historia de Portugal no ramo aeronautico ja possui mais de 3 seculos. A genese destaindustria em territorio nacional deveu-se, sobretudo, ao padre Bartolomeu de Gusmao que teracriado o primeiro aerostato em pesquena escala. Foi em Agosto de 1709 que o padre BartolomeuLourenco¸ fez perante a corte portuguesa cinco experiencias com os primeiros prototipos debaloes. [12]

* Na primeira, realizada no dia 3 no Palacio Real, o prototipo do balao utilizado pegou fogoantes mesmo de comecar a subir;

* na segunda, feita no dia 5 Agosto, a mesma na Casa Real, o aerostato elevou-se a 4 metros,quando comecou a arder ainda no ar;

* na terceira,dia 6, apesar de nao ter ardido enquanto voava, ardeu mal tocou novamenteno solo

* na quarta vez, o balao de ar quente, foi libertado no Terreiro do Paco, elevando-se a umagrande altitude e acabando por pousar suavemente sem incidentes.

* Finalmente no ultimo dia, no interior do palacio real, esta experiencia foi novamenteefectuada, ficando o balao suspenso no ar durante algum tempo e pousando sem incidentes.

Figure 10: Apresentacao ao de Bartolomeu Lourenco de Gusmao a corte portuguesa do ”instru-mento para se andar pelo ar”, tambem conhecido como Passarola[12]

Apesar destas demonstracoes, a de maior importancia teve lugar no dia 3 de outubro de1709, na casa da India no qual foi utilizado um modelo de maiores dimensoes, mas ainda assimincapaz de carregar um homem.Lamentavelmente, todas essas experiencias, embora tendo sido assistidas por ilustres personali-dades da epoca, estas nao tiveram grande visibilidade, deixando a historia em parte escrever-sesobre os nomes de outras grandes personalizades ja (referidas na seccao - Historia) [12]

Posteriormente Portugal mergulhou em certa de 3 seculos negros ate a actualidade, onde oprogresso nesta area praticamente que estagnou. Porem actualmente, estao a ser desenvolvidosinovadores projectos quer por empresas privadas, quer por grupos de estudantes universitarios,que poderao permitir que Portugal, volte novamente a estar na vanguarda tecnologica desta areacientifica, apesar do longo caminho que ainda se tera de percorrer. Daremos em seguida algunsexemplos, dos que mais se destacam em Portugal.

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5.2 Projectos actuais

A empresa portuguesa que mais se destaca e a ”Nortavia” 5. Desde o ano de 2006, com acolabaracao de 7 profissionais num investimento total de 2 milhoes de euros, que esta empresatem vindo a desenvolver um dirigıvel pioneiro a nıvel mundial (NFAP - Nature Friendly AirshipProgram).[13] Este projecto teve a sua apresentacao oficial ao publico dia 26 de Outubro de 2011,realizado na Alfandega do Porto. Apesar de na apresentacao ser mostrado apenas um pequenoprototipo na escala de 1:8, o conceito que esta por detras deste dirigıvel e em parte revolucionario.

Este projecto surgiu da necessidade de se criar uma aeronave de baixo consumo, com capaci-dade de, sem grandes infra-estruturas, sem poluir, ir aos locais mais inacessiveis e ai permanecerdurante o tempo necessario, desde horas ate mesmo semanas. No projecto NFAP, a maior in-ovacao deste prende-se nao so com o conceito em si, pois como ja foi dito, este dirigivel, estaprojectado para aceder as zonas mais remotas do mundo, como tambem se deve a reducao doimpacto ambiental causado, sendo as emisoes de carbono nulas uma vez que o (Gaya - apelidodado ao dirigivel) e exclusivamente alimentado por energia electrica gerada a partir de um sis-tema inovador que congrega um gerador de biocombustıvel, baterias, celulas fotovoltaicas e ummotor electrico, integrando um outro sistema que permite que o dirigıvel seja conduzido autono-mamente, sem necessidade de incluir qualquer piloto a bordo.

Actualmente, como ainda se encontra na fase inicial de entrada no mercado, as princi-pais aplicacoes destes dirigiveis sao sobretudo a publicidade localizada em ambiente indoor ououtdoor, ou trabalho aereo aplicado em fotografia e filmagem aerea, vigilancia de instalacoes,moradias, campos de golf, florestas, entre outros.

Ao nıvel de projectos universitarios, nomeadamente no Instituto Superior Tecnico(IST), actualmente encontram-se a ser desenvolvidos dois projectos, um da respon-sabilidade da S3A e outro da SETTI-IST.

O projecto da S3A, surgiu na sequencia de uma proposta do departamente de EngenhariaCivil e de Arquitectura, que pretende estudar a movimentacao dos estudantes no espaco exteriordo IST. Na sequencia, deste projecto foi proposto a S3A que construisse um balao capaz de susteruma camera de video durante um longo periodo de tempo, possibilitando a realizacao do estudoproposto. Este balao que nome, ainda nao tem atribuido, encontra-se actualmente na fase deprojecto desde o segundo semestre de 2010/2011, estando a ser desenvolvido por uma equipade 11 alunos maioritariamente do curso de Aeroespacial. Este sera construido fazendo uso demateriais como fibra de carbono, contraplacado e uma estrutura ainda nao definida onde ira serencaixada a camara, sustentada atraves de fios de carbono que conferirao, nao so resistencia,como possibilitara um aumento da leveza da estrutura. O balao sera, ainda, enchido a helio -gas inerte e nao inflamavel.Como sera um balao exterior e as eventuais oscilacoes terao de ser mınimas, sera portantotambem usado um osciloscopio permitindo contrariar o efeito das vibracoes causadas pelo ventoou outros factores externos. [14]

5Empresa de prestacao de servicos aeronauticos e de aviacao criada em 1989

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Um outro projecto actualmente a ser desenvolvido pelo Tecnico e o SETTI-IST - StudentSpace Exploration and Technology Initiative. Esta iniciativa foi criada pelo Departamentode Educacao da ESA em 2000 e teve como objectivo proporcionar aos estudantes uma experienciapratica para a area de tecnologia espacial e cientıfica, assim como assegurar uma forca de trabalhocompetente para o futuro. [15] Actualmente esta a ser desenvolvido o projecto BALUA que visao desenvolvimento de um balao atmosferico de alta altitude, inovador e versatil tendo a primeirafase deste projecto sido testada no dia 22 de Marco de 2011.Uma das maiores dificuldades associadas a utilizacao deste tipo de tecnologia e a falta de umsistema simples e fiavel que permita controlar o balao durante o voo e da sua utilizacao sermuitas vezes unica. De modo a procurar solucoes viaveis e de baixo custo que resolvam osproblemas acima a equipa delineou os seguintes objectivos, alem da aposta na sua versatilidade:

* Controlar a altitude e posicao atraves da implementacao de um algoritmo de controlo dealtitude do balao constitui o primeiro passo para a obtencao de uma plataforma recuperavele reutilizavel, para tal e necessario criar um modelo dinamico do balao.

* Criar um sistema que seja recuperavel e reutilizavel – a recuperacao podia ser facilmenteexecutada atraves de sistemas de localizacao GPS (Global Position System) com modulosGSM (Global System for Mobile Communications).

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6 Futuro dos Baloes e Dirigıveis

Alem dos futuros baloes virem a ser fortemente utilizados na investigacao e exploracao espa-cial, como ja referido na seccao de ”Baloes no Espaco”, temos que actualmente varias empresasestao a apostar fortemente nesta tecnologia aplicada ao sector turistico e de lazer.

6.1 Aircruise concept

Presentemente, um exemplo particular de uma destas empresas, e a Seymourpowel que se en-contra na vanguarda do design e inovacao de novos meios de transportes aereos, criou um novoconceito de transporte, conceptualizando um hotel voador, para um numero limitado de pas-sageiros (nao mais que 100), com enormes espacos abertos interiores, onde se podera relaxare apreciar a paisagem. Inicialmente foi proposto a criacao tambem de quatro duplex’s, uma”penthouse” e mais cinco pequenos apartamentos. [16]

Figure 11: Possıvel design exterior do Aircruise[16]

Este projecto rapidamente ganhou visi-bilidade e interesse por parte da multina-cional coreana Samsung C&T que proposa Seymourpowell a continuacao do de-senvolvimento da sua ideia e a criacaode uma animacao computacional detalhadaque mostrasse a visao futurista do pro-jecto.Apesar de muita investigacao nesta area terde vir a ser feita, o proprio conceito de ”air-cruise” e ja de si uma visao futurista do quepoderemos avistar nos ceus dentro de algumasdecadas.

The Aircruise concept questionswhether the future of luxury travelshould be based around space-constrained, resource hungry, andall too often stressful airline travel.A more serene transport experi-ence will appeal to people look-ing for a more reflective journey,where the experience of travel it-self is more important than gettingfrom A to B quickly. - Nick Tal-bot, design director. [16]

Um projecto tao ambicioso quanto este pode levar a supor que apresenta enormes desvanta-gens energeticas e ambientais. No entanto, este esta projectado para ser um meio de transporte”verde”, atraves da utilizacao de paineis fotovoltaicos flexıveis, que se encontrarao no revesti-mento exterior do balao auxiliando a fonte de energia primaria composta por ”fuel cells”. Estefacto ira, ainda, permitir combinar quer o impulso causado pelo gas de sustentacao quer pelo gasde combustivel, de modo a aumentar a sustentacao da aeronave. Estes voos terao uma pegadaecologica praticamente nula, sendo que o vapor de agua resultante das celulas de hidrogenio,pode ser aproveitado para aumentar a agua potavel a bordo.

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De acordo com o projecto a ser desenvolvido o navio devera possuir cerca de 265 metros de al-tura, sendo que o volume da superficie principal que contem o hidrogenio e de cerca de 330.000m3

O peso total do aircruise estara dividido de acordo com a seguinte tabela:

Figure 12: - Tabela de massa dos varios componentes do balao [16]”

Existem, ainda, outras tecnologias com uma base de funcionamento semelhante a anteri-ormente descrita. Um exemplo particular disto e o Skylifter 6, mas cujos fins vao para la dotransporte turistico de passageiros. O Skylifter [17] nao e mais do que um balao que permitirao transporte de carga, ate cerca de 150 Toneladas com possıvel utilizacao na ajuda humanitariaa locais de dificil acesso, ou ate mesmo podera ser utilizado para o transporte de outro qualquertipo de carga.

As revolucoes tecnologicas dos aerostatos dao-se de dia para dia, sendo que o apresentadoem cima bem como na seccao ”Baloes no Espaco” sao apenas, exemplos, do que poderemos vira observar num futuro nao muito distante nos nossos ceus.

6Projecto a ser desenvolvido por uma empresa Australiana

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7 Conclusao

As origens dos baloes e dirigıveis datam do seculo XVIII, e foram o primeiro metodo en-contrado pelo homem para alcancar o grande objectivo de voar. Apesar do seu funcionamentose basear em alguns princıpios simples, a sua expansao e crescimento impulsionou a pesquisa edesenvolvimento de outro tipo de aeronaves, e permitiu alcancar novos patamares e descobertascientificas.

Ainda hoje os baloes possuem um papel de relevo a esse nıvel, quer para estudos dentroda atmosfera terrestre, quer no seu exterior, o que demonstra que apesar de pertencerem a umramo de aeronautica com menos visibilidade, principalmente pelo facto de nao serem adequadosem larga escala para transporte de passageiros e mercadorias, ainda mantem a sua importancianum contexto global.

Apesar do inicio precoce dos baloes em Portugal, e lamentavel que esta area nao tenhasido explorada, o que teria aumentado o patrimonio cientıfico portugues. No entanto e bomconstatar que existem projectos a nıvel nacional nesta area, que se encontram aliados as pre-ocupacoes ecologicas e que se podem estender ate ao futuro e talvez trazer alguma visibilidadeao paıs no que diz respeito a esta vertente da aviacao.

O declınio deste domınio, motivado pelo desastre do Hindenburg, e lamentavel dadas aspossibilidades oferecidas pelos baloes e dirigıveis, tanto de um ponto de vista tecnologico, comocientifico e ambiental. Esta e uma area que possui potencial, apesar da sua descontinuadaexploracao, e sendo o berco da aviacao como ela e globalmente conhecida hoje, e apenas naturalque prospere e conquiste mais algum interesse nos tempos vindouros.

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Index

aircruise, 16

Balaoar quente, 4gas, 5Roznier, 5

CharlesJacques, 7

Dirigıvelhıbrido, 6metal-clad, 6nao rıgido, 5rıgido, 5semi-rıgido, 6

Graf Zeppelin, 8

Hindenburg, 8

Montgolfier, 7

Passarola, 13Portugal, 13

S3A, 14SETTI-IST, 15Seymourpowel, 16Stratosail, 12

Teisserenc de Bort, 10

Vega 1, 10Vega 2, 10

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References

[1] B. C. Group, “How do hot air balloons work?,” 9 de Marco 2012,http://www.altitudeballoons.co.uk/Technical.html.

[2] B. E. Stuart, Aircraft in War, ch. II, pp. 19–30. Londres, 1914.

[3] H. P. are made, “Airship,” 1 de Marco 2012,http://www.madehow.com/Volume-3/Airship.

[4] G. Pfotzer, “History of the use of balloons in scientific experiments,” Space Science Reviews,vol. 13, pp. 199–242, Junho 1972.

[5] W. V. A Bain, “The hindenburg tragedy revisited: the fatal flaw found,” InternationalJournal of Hydrogen Energy, vol. 24, pp. 399–403, 1 Maio 1999.

[6] G. R. B. Race, “Photogalary,” 9 de Marco 2012,http://www.renoballoon.com/EventInfo/PhotoGallery.

[7] P. ELAT, “Tecnicas experimentais,” 9 de Marco 2012,http://www.inpe.br/webelat/homepage/menu/elat/tecnicas.experimentais.php.

[8] NASA, “Vega 2 - balloon,” 1 de Marco 2012, http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1984-128F.

[9] G. A. Corporation, “Exploring mars with balloons,” 27 de Fevereiro 2012,http://www.gaerospace.com/press-releases/feb2004.html.

[10] G. A. Corporation, “Stratosail balloon guidance system,” 26 de Fevereiro 2012,http://www.gaerospace.com/projects/ULBDStratoSaill.

[11] G. A. Corporation, “How the stratosail(r) balloon trajectory control system works,” 3 deMarco 2012, http://www.gaerospace.com/projects/StratoSail.

[12] R. M. V. e Joao Batista Garcia Canall, “Bartolomeu lourenco de gusmao: o primeirocientista brasileiro,” Revista Brasileira de Ensino de Fısica, vol. 31, Outubro 2009.

[13] J. Publico, “Nortavia concebeu projecto pioneiro de dirigıvel no armazem de umatextil,” Junho 2011, URL:http://economia.publico.pt/Noticia/nortavia-concebeu-projecto-pioneiro-de-dirigivel-no-armazem-de-uma-textil.

[14] S3A, ed., Revista Aeroespacial. online, 3 ed., Fevereiro 2012.

[15] SETTI-IST, “Balua,” 29 de Fevereiro 2012, URL: http://sseti.ist.utl.pt.

[16] S. company., “Seymourpowell introduces the aircruise - a clipper in the clouds,” Fevereiro2012, URL: http://www.seymourpowell.com/aircruise/aircruise-press-release.html.

[17] Skylifter, “Skylifters are heavy-lifting aircraft in development.,” 9 de Marco 2012,http://skylifter.com.au.

[18] NASA, “Balloon program office,” 28 Fevereiro 2012,http://sites.wff.nasa.gov/code820/index.html.

[19] Balonismo-Viva, “Balao rozier,” 9 de Marco 2012,http://balonismo.biz/content/view/56/51/.

[20] T. A. Heppenheimer, A Brief History of Flight: From Balloons to Mach 3 and Beyond,ch. II, pp. 19–30. Londres, 1 edicao ed., Outubro, 2000.

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