¿Es un avión eléctrico una alternativa a la aviación moderna?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

El moderno motor de turbina de gas (turbofan) que impulsa los revestimientos no es, por supuesto, un cascabel de dos tiempos para herramientas de jardinería, sino una máquina muy eficiente y muy fiable. Sin embargo, según los fabricantes de aviones, está cerca de agotar las reservas para seguir mejorando.

¿Por qué hay motores? Todos los aviones en construcción son tan similares entre sí que solo un experto en aviación distinguirá inmediatamente a Boeing o Airbus de Bombardier o MS-21. Y aunque no hay la menor duda de que los aviones de pasajeros de tipo moderno con dos motores de turbina de gas debajo de las alas nos rodarán por el cielo durante décadas, las grandes esperanzas de un nuevo diseño y una nueva aerodinámica de los aviones están asociadas con la propulsión eléctrica.

Rápido, pero no por mucho tiempo

Hasta hace poco, el término "avión eléctrico" se entendía como un "avión más eléctrico", un avión de ala fija, en el que las transmisiones mecánicas e hidráulicas eran sustituidas al máximo por las eléctricas.

No más tuberías y cables: todo el trabajo mecánico, como conducir los timones y mecanizar el ala, se realiza mediante pequeños motores-actuadores eléctricos, que se alimentan de energía y un canal para la señal de control. Ahora el término se ha llenado de un nuevo significado: un verdadero avión eléctrico debe moverse por sí mismo con tracción eléctrica.

Por supuesto, las perspectivas de la aviación eléctrica dependen no solo (y ni siquiera tanto) de los diseñadores de aviones, sino del progreso en el campo de la ingeniería eléctrica. Después de todo, los aviones, como dicen, existen "con baterías". Los motores eléctricos auxiliares se instalaron en planeadores hace varias décadas.

El Extra 330LE, que voló por primera vez en 2016, ya lleva planeadores y establece récords de velocidad. Pero su bloque de 14 potentes baterías de iones de litio y un motor eléctrico de Siemens permiten a este bebé llevar a bordo solo a dos personas, incluido el piloto, y permanecer en el aire no más de 20 minutos.

330LE adicional

Por supuesto, hay proyectos con indicadores mucho más impresionantes. En septiembre del año pasado, la aerolínea británica de bajo coste EasyJet anunció que en diez años lanzará un transatlántico regional totalmente eléctrico (autonomía de 540 km, que es bastante para vuelos intraeuropeos) con una capacidad de 180 pasajeros.

La startup estadounidense Wright Electric, que ya ha construido un demostrador volador de dos asientos, se ha convertido en socio del proyecto. Sin embargo, hoy la densidad de energía de las mejores baterías de iones de litio es más de un orden de magnitud inferior a la de los combustibles de hidrocarburos. Se supone que para 2030 las baterías mejorarán su rendimiento en un máximo de dos veces.

¡Turbina, quédate

La situación con las pilas de combustible parece mucho más ventajosa, en la que la energía química del combustible se convierte en energía eléctrica directamente, sin pasar por el proceso de combustión.

Se considera que el hidrógeno es el combustible más prometedor para tal fuente de energía. En diferentes países del mundo se están llevando a cabo experimentos con pilas de combustible como fuente de energía para un avión eléctrico (en Rusia, el CIAM está trabajando principalmente en proyectos para crear tales aviones, y las pilas de combustible para ellos se crean en el IPCP RAS bajo el orientación del profesor Yuri Dobrovolsky).

De los conceptos de vuelo y tripulación, uno puede recordar el demostrador europeo ENFICA-FC Rapid 200FC: utilizaba baterías eléctricas y pilas de combustible al mismo tiempo. Pero esta tecnología también necesita mejoras significativas e investigación adicional.

Las perspectivas más realistas para hoy parecen ser las perspectivas de los aviones eléctricos construidos según el esquema híbrido. Esto significa que la hélice de la aeronave (hélice o propfan) será impulsada por un motor eléctrico, pero recibirá electricidad de un generador rotado … por un motor de turbina de gas (u otro motor de combustión interna). A primera vista, tal esquema parece extraño: quieren abandonar el GTE a favor del motor eléctrico, pero no lo van a hacer.

Ya hay bastantes proyectos híbridos en el mundo, pero estamos interesados principalmente en Rusia. El trabajo en un avión eléctrico, en particular con un esquema híbrido, se llevó a cabo en varios institutos científicos del perfil de la aviación, como TsAGI o TsIAM.

Hoy en día, estas y algunas otras instituciones se han unido (desde 2014) bajo los auspicios del Centro de Investigación "Instituto que lleva el nombre de N. Ye. Zhukovsky", diseñado para convertirse en una única y poderosa "confianza intelectual" de la industria. La tarea de integrar todo el trabajo sobre aviación eléctrica dentro del centro está encomendada a Sergei Galperin, a quien ya citamos al principio del artículo.

Despegue con batería

"La transición a los motores eléctricos en la aviación abre muchas perspectivas interesantes", dice Sergei Halperin, "pero no hay razón para contar con la creación de un avión eléctrico comercial con un rango decente para las condiciones rusas con fuentes de energía puramente químicas (baterías o pilas de combustible) en un futuro próximo: el potencial energético difiere demasiado entre un kilogramo de queroseno y un kilogramo de baterías. Un diseño híbrido podría ser un compromiso razonable. Debe entenderse que un motor de turbina de gas que crea empuje directamente y un motor de turbina de gas que pondrá en movimiento el eje del generador no son en absoluto lo mismo.

El hecho es que los requisitos energéticos de la aeronave cambian significativamente durante el vuelo. En el despegue, el motor de la aeronave desarrolla una potencia cercana a su máximo, y durante el crucero (es decir, durante la mayor parte del vuelo), el consumo de energía de la aeronave se reduce de 5 a 6 veces.

Por lo tanto, una central eléctrica tradicional debe poder operar en una amplia gama de modos (no siempre óptimos desde el punto de vista económico) y cambiar rápidamente de uno a otro. No se requiere nada por el estilo de un motor de turbina de gas en una instalación híbrida. Será similar a las turbinas de gas de las centrales eléctricas, que siempre operan en el mismo modo, el más económicamente beneficioso. Llevan años trabajando sin parar.

Ce-liner

Con la ayuda de un generador, el GTE podrá generar energía para la alimentación directa de motores eléctricos, así como para crear una reserva en baterías. Se necesitará ayuda con la batería solo en el despegue.

Pero dado que el funcionamiento de los motores eléctricos en modo despegue durará solo unos minutos, la reserva de energía no debe ser muy grande y las baterías a bordo pueden ser bastante aceptables en tamaño y peso. Al mismo tiempo, el motor de turbina de gas no tendrá ningún régimen de despegue, su negocio es generar electricidad silenciosamente.

Así, a diferencia de un motor de avión, un motor de turbina de gas en un avión eléctrico híbrido será menos potente, más fiable y respetuoso con el medio ambiente, de diseño más sencillo, lo que significa más barato y, finalmente, tendrá un mayor recurso.

Soplando en el ala

Al mismo tiempo, la transición a motores eléctricos abre perspectivas para innovaciones fundamentales en el diseño de aviones civiles del futuro. Uno de los temas más discutidos es la creación de centrales eléctricas distribuidas.

Hoy en día, el diseño clásico del revestimiento asume dos puntos de aplicación de empuje, es decir, dos, rara vez cuatro, motores potentes que cuelgan de pilones debajo del ala. En los aviones eléctricos, se considera la disposición de una gran cantidad de motores eléctricos a lo largo del ala, así como en sus extremos. ¿Por qué es necesario?

El punto está nuevamente en la diferencia entre los modos de despegue y crucero. En el despegue a baja velocidad del flujo del incidente, una aeronave necesita un área de ala grande para crear sustentación. A velocidad de crucero, el ala ancha se interpone en el camino, creando un exceso de sustentación.

El problema se resuelve debido a la compleja mecanización: aletas y listones retráctiles. Los aviones más pequeños, que despegan de aeródromos pequeños y tienen alas grandes para esto, se ven obligados a navegar con un ángulo de ataque subóptimo, lo que conduce a un consumo adicional de combustible.

Pero, si en el despegue muchos motores eléctricos conectados a las hélices hacen volar adicionalmente el ala, no tendrá que ensancharse demasiado. El avión despegará con un despegue corto, y en la sección de crucero, un ala estrecha no creará problemas. El automóvil será empujado hacia adelante por hélices impulsadas por motores de propulsión, y las hélices a lo largo del ala en esta etapa se plegarán o retraerán antes de aterrizar.

Un ejemplo es el proyecto X-57 Maxwell de la NASA. El demostrador de concepto está equipado con 14 motores eléctricos colocados a lo largo del ala y en las puntas del ala. Todos ellos funcionan solo durante el despegue y el aterrizaje. En la sección de crucero, solo están involucrados los motores de punta de ala.

Tal colocación de motores permite reducir la influencia negativa de los vórtices que surgen en estos lugares. Por otro lado, la planta de energía resulta compleja, lo que significa que su mantenimiento es más costoso y la probabilidad de fallas también es mayor. En general, los científicos y diseñadores tienen algo en qué pensar.

X-57 Maxwell

Ayudará al nitrógeno líquido

“Un avión eléctrico ofrece muchas oportunidades de optimización”, dice Sergei Halperin. - Puede experimentar, por ejemplo, con una combinación de tornillos de tracción y de empuje. Los motores eléctricos son mucho más ventajosos en comparación con los motores de turbina de gas en los convertiplanos, ya que la rotación segura del motor eléctrico a una posición horizontal no presenta un problema de ingeniería tan complejo como en el caso de los motores tradicionales.

En un avión eléctrico, puede garantizar la integración completa de todos los sistemas, crear un nuevo sistema de control. Incluso los coches híbridos producirán menos ruido y menos emisiones”.

Al igual que las baterías, los motores eléctricos aumentan en masa, volumen y disipación de calor a medida que aumenta la potencia. Se requieren nuevas tecnologías para hacerlas más potentes y ligeras.

Para los desarrolladores nacionales de sistemas de propulsión híbridos, un verdadero avance fue la cooperación con la empresa rusa SuperOx, uno de los cinco mayores proveedores de materiales con propiedades de superconductividad de alta temperatura (HTSC) del mundo. Ahora SuperOx está desarrollando motores eléctricos con un estator hecho de materiales superconductores (refrigerados con nitrógeno líquido).

Estos motores con buenas características de aviación formarán la base de una planta de energía híbrida para una aeronave regional, que puede volar a mediados de la próxima década. Este año, en el salón aeronáutico MAKS, los especialistas del CIAM presentaron un demostrador de una instalación de este tipo con una capacidad de 10 kW. El avión planeado estará equipado con una planta de energía híbrida con dos motores de 500 kW cada uno.

“Antes de hablar de un avión eléctrico híbrido”, dice Halperin, “es necesario probar nuestra instalación en tierra y luego en un laboratorio de vuelo. Esperamos que sea el Yak-40. En lugar de un radar, podemos colocar un motor eléctrico HTSC de 500 kilovatios en el morro del automóvil.

Instalaremos un turbogenerador en la cola en lugar del motor central. Los dos motores Yak restantes serán suficientes para probar nuestra creación en una amplia gama de alturas (hasta 8000 m) y velocidades (hasta 500 km / h). E incluso si la instalación híbrida falla, el avión puede completar el vuelo y aterrizar con seguridad . El laboratorio de demostración estará equipado de acuerdo con el plan en 2019. El ciclo de prueba está programado tentativamente para 2020.

Cielos inteligentes

La propulsión eléctrica e híbrida ocupa un lugar importante en los planes de los mayores fabricantes de aviones del mundo. Así lucen las principales características de la aviación de pasajeros de mediados de este siglo según el programa Smarter Skies de la empresa AIRBUS.

Vuelo "verde"

Los aviones del futuro estarán diseñados para minimizar la huella de hidrocarburos en la atmósfera. Los motores de turbina de gas hidrógeno, los híbridos y los aviones totalmente eléctricos que funcionan con baterías ganarán popularidad.

Se supone que las baterías se recargarán a partir de fuentes de electricidad respetuosas con el medio ambiente. Es posible la aparición de grandes parques eólicos o plantas de energía solar en la zona de los aeródromos.

Libertad en el cielo

Los transatlánticos inteligentes trazarán rutas de forma independiente en función de los parámetros de respeto al medio ambiente y eficiencia de combustible basados en el análisis de datos meteorológicos y atmosféricos. También podrán reunirse en formaciones como bandadas de pájaros, lo que reducirá la resistencia de los aviones individuales en la formación y reducirá el consumo de energía para el vuelo.

Más bien desde el suelo

Los nuevos sistemas de propulsión y la aerodinámica de las aeronaves les permitirán despegar por la trayectoria más empinada posible para reducir el ruido en el área del aeropuerto y alcanzar el nivel de crucero lo antes posible, donde la aeronave demuestra características económicas óptimas.

Aterrizaje sin motor

Los aviones del futuro podrán aterrizar en modo de planeo. Esto permitirá ahorrar combustible y reducir los niveles de ruido en el área del aeropuerto. La velocidad de aterrizaje también disminuirá. Esto acortará la longitud de las pistas.

Sin escape

Los aeropuertos del futuro eliminarán por completo el uso de motores de combustión interna que queman combustible. Para el rodaje, los revestimientos estarán equipados con ruedas de motor eléctrico. Como alternativa, tractores eléctricos no tripulados de alta velocidad, que podrán entregar rápidamente aviones desde la plataforma hasta la pista y viceversa.