Aunque los automóviles híbridos eléctricos se están volviendo comunes, la tecnología similar aplicada a los aviones presenta desafíos significativamente diferentes. Los ingenieros aeroespaciales de la Universidad de Illinois se están dirigiendo a algunos de ellos hacia el desarrollo de una alternativa más sostenible a los combustibles fósiles para propulsar aviones.
"El combustible para aviones y la gasolina de aviación son fáciles de almacenar en un avión. Son compactos y livianos en comparación con la cantidad de energía que proporcionan. Desafortunadamente, el proceso de combustión real es muy ineficiente. Estamos aprovechando solo una pequeña fracción deesa energía, pero actualmente no tenemos sistemas de almacenamiento eléctrico que puedan competir con eso ", dijo Phillip Ansell, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois.
Ansell dijo que agregar más baterías para volar más lejos puede parecer lógico, pero funciona en contra del objetivo de hacer que un avión sea lo más liviano posible ". Esa es una de las grandes barreras con las que nos encontramos al diseñar aviones electrificados con baterías. La tecnología actualtiene desventajas de rango muy significativas. Pero fuertes ventajas de consumo de combustible ".
Él, junto con el ex estudiante universitario aeroespacial, Tyler Dean, y la actual estudiante de doctorado Gabrielle Wroblewski, utilizaron una serie de simulaciones para modelar el rendimiento de un avión híbrido-eléctrico.
"Comenzamos con un avión bimotor existente y analizamos cómo podríamos crear un tren de transmisión híbrido-eléctrico para él utilizando el hardware comercial existente", dijo Ansell. "Queríamos saber qué tan bien funcionaría".Si utilicé un cierto conjunto de componentes del tren de transmisión, quiero saber qué tan lejos podría volar el avión, cuánto combustible quema, qué tan rápido puede subir, todo el rendimiento general del vuelo cambia ".
Se creó un simulador de rendimiento de vuelo para representar con precisión el verdadero rendimiento de vuelo de un Tecnam P2006T en una misión general que incluye despegue, ascenso, crucero, descenso y aterrizaje, junto con suficientes reservas para cumplir con las regulaciones de la FAA.incorporado en la simulación durante el ascenso y el descenso, donde el ajuste del acelerador, el despliegue de la aleta, la velocidad de rotación de la hélice y todas las demás variables de control de vuelo se configuraron para imitar la entrada de un piloto típico o se prescribieron de acuerdo con el manual de vuelo de la aeronave.
Después de configurar el simulador para recopilar datos de rendimiento de referencia, se integró una transmisión híbrida paralela en la simulación. Los investigadores compararon la sensibilidad del rango y la economía de combustible con el nivel de electrificación, la densidad de energía específica de la batería y la densidad de potencia del motor eléctrico.Se estudiaron las mismas sensibilidades con una serie de transmisión híbrida-eléctrica.
Ansell dijo que, en general, un tren de transmisión híbrido-eléctrico puede conducir a mejoras sustanciales en la eficiencia del combustible de una configuración de aeronave dada, aunque estas ganancias dependen en gran medida de las variaciones acopladas en el grado de electrificación del tren de transmisión y el rango de misión requerido.Estos factores influyen en la asignación de peso de los sistemas de batería y combustible, así como en la escala de peso impuesta por el motor de combustión interna y los componentes del motor eléctrico. En general, para obtener la mayor eficiencia de combustible, se debe utilizar una arquitectura híbrida con tanta electrificación en la transmisióncomo está permitido dentro de un requisito de rango dado.
Se demostró que las mejoras en la eficiencia del combustible brillan especialmente para las misiones de corto alcance, lo cual es bueno, ya que las limitaciones de alcance sirven como uno de los principales cuellos de botella en la viabilidad de los aviones híbridos. Sin embargo, a través de este estudio, los cambios en las capacidades de alcance dellos aviones también pudieron pronosticarse con avances en las tecnologías de componentes híbridos. "Por ejemplo", dijo Ansell, "el sistema de propulsión de hoy podría configurarse para que el 25 por ciento de su potencia de propulsión provenga de un motor eléctrico. Sin embargo, solo seríacapaz de volar alrededor de 80 millas náuticas. Avance rápidamente a las proyecciones de tecnologías de baterías más livianas para aproximadamente el año 2030 y el mismo avión podría volar dos veces y media o tres veces más lejos. El aumento del alcance no es lineal, por lo que se pueden ver las mayores mejoraspara las mejoras más inmediatas con la densidad de energía específica de la batería, con rendimientos gradualmente decrecientes para ese mismo aumento proporcional de energía específica "
"Sin embargo, un resultado interesante e inesperado que observamos se produjo al comparar las arquitecturas híbridas en paralelo y en serie. Dado que la arquitectura paralela acopla mecánicamente la potencia del eje del motor y el motor, solo se necesita una máquina eléctrica. Para la seriearquitectura, también se necesita un generador para convertir la potencia del motor en energía eléctrica, junto con un motor más grande que la configuración híbrida paralela para impulsar el propulsor. Inesperadamente, este aspecto hizo que la arquitectura paralela fuera más beneficiosa para mejorar el alcance y el consumo de combustible casi en todo elplaca debido a su peso más liviano. Sin embargo, observamos que si se realizan mejoras significativas en la maduración de los componentes del motor eléctrico a muy largo plazo, es posible que algún día veamos una mayor eficiencia de las arquitecturas híbridas en serie, ya que permiten una mayor flexibilidad enla colocación y distribución de propulsores "
El equipo eligió modelar el Tecnam P2006T utilizando una serie de variables de rendimiento que se encuentran en artículos publicados por el fabricante del avión. Seleccionaron ese avión en particular, en parte, porque la NASA ha estado trabajando en su avión X-57, que tienehélices de borde para alta elevación ". Este estudio se estaba realizando para la NASA, y el uso de este avión también permitió que nuestros resultados se aplicaran mejor al vehículo conceptual X-57", dijo Ansell. "Utilizando nuestros datos, podrántener al menos una idea aproximada sobre cómo funcionará el sistema híbrido sin las otras modificaciones de propulsión distribuida ".
Ansell dijo que la electrificación por propulsión aún es muy desconocida en términos de cómo se debe construir, diseñar y volar un vehículo ". Nuestro estudio ayuda a informar esas discusiones. Analizamos solo los sistemas de almacenamiento de baterías, aunque hay muchos más que pueden implementarse, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Este estudio nos permitió ver qué tipos de avances deben hacerse en tecnología de motores, tecnología de baterías, etc. "
Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski y Phillip Ansell realizaron el estudio "Análisis de la misión y estudio de sensibilidad a nivel de componentes de los sistemas de propulsión de aviación general híbridos-eléctricos". Diario de aeronaves .
Este proyecto fue apoyado por el Centro de Investigación de Vuelo Neil A. Armstrong de la NASA bajo la Transferencia de Tecnología para Pequeñas Empresas en colaboración con la Corporación de Investigación de Rolling Hills.
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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