Por qué los motores de los aviones son tan grandes, y los eVTOL tan ineficientes

Parecen dos temas totalmente independientes, pero en el fondo están íntimamente relacionados, y todos se pueden explicar con la misma simplificación matemática de cómo funciona un grupo moto-propulsor de una aeronave.

Una de las teorías más sencillas de cómo se produce el empuje en un avión, sea de motor de pistón más hélice, sea un motor a reacción, sea un turbofan, es la teoría de la cantidad de movimiento.

En esta teoría, se reemplaza todo el grupo  motopropulsor por un «disco» que tiene el área de la hélice, o del fan, y que proporciona al aire «aguas arriba» un salto de velocidad y un incremento de presión, lo que genera un empuje.

De esta manera nos permite expresar el empuje obtenido y el rendimiento del grupo motopropulsor de formas muy sencillas.

La teoría tomta tantas hipótesis tan imposibles de cumplir en la realidad, que hace que sea una teoría poco representativa de la realidad. Sin emabargo es MUY simple, y nos da una cota superior del rendimiento del grupo motopropulsor. Esta cota superior del rendimiento sería el rendimiento teórico máximo. Por eso nos permite comparar de forma sencilla y rápida distintas configuraciones, y sabemos que si una configuración es mala con esta teoría —que es en exceso benévola—, en la realidad la configuración será malísima.

No vamos a entrar a desarrollarla, puesto que hay muchos apuntes en internet que la explican, incluso en la Wikipedia, y  nos vamos a quedar sólo con las ecuaciones que nos interesan, la de la tracción generada por el grupo motopropulsor (T), y la del rendimiento (potencia util/potencia generada).

T=2·ro·S·(V+vi)·vi

Siendo T la tracción, ro la densidad del aire, S la superficie del disco, V la velocidad de la corriente libre y vi la velocidad que se induce al aire en el disco.

De la primera deducimos que:

  • Cuanta más densidad de aire, mejor (y por tanto tendremos problemas los días de mucho calor o a gran altitud no solo porque el término de la densidad del aire aparece en la expresión de la sustentación, sino porque también aparece en el de la tracción).
  • Cuanto más grande sea el disco de la hélice (o del fan), más tracción tenemos. Pero esto nos limitará la velocidad en aviones de hélice muy rápidos, al alcanzar antes la velocidad supersónica en punta de pala que en una hélice de menor radio.
  • Cuanto mayor es el salto de velocidades antes del disco y después del disco, más tracción tenemos también.

R=1/(1+(vi/V))

Y ahora vamos a por la ecuación del rendimiento. Lo que nos dice es que cuanto mayor sea el salto de velocidades entre la corriente libre (o aguas arriba) y la velocidad que se imprime al aire en el disco, menor será el rendimiento.

Así que para conseguir mucho empuje con un gran rendimiento, hay que mover mucha cantidad de aire (disco con superficie muy grande), dándole un salto de velocidad lo más pequeño posible.

Así pues…

  • Los aviones de hélice que vuelan relativamente lentos tendrán palas de hélices largas (pero cuanto más rapido tenga que volar el avión, más habrá que recortar la pala)
  • Los aviones de turbofan procuran dar un salto pequeño de velocidad a mucha cantidad de aire, con motores de muy alto índice de derivación
  • En tamaño radio control, un helicóptero será más eficiente que un multicóptero, que suelen tener muchas hélices pero pequeñas y su área total rara vez alcanza la del helicóptero de misma masa.
  • Todos los eVTOL que han optado por configuraciones con un disco pequeño (o suma de discos pequeños, porque casi todos usan mútiples hélices pequeñas) serán mucho menos eficientes que cualquier ala rotatoria tradicional, sea helicóptero sea autogiro
Ya archi-conocida imagen explicando cómo varía la eficiencia del un VTOL volando a punto fijo en función de la carga del disco, proveniente del libro de la NASA: The History of the XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft: From Concept to Flight (PDF)

Y, dicho sea de paso, esto también explica por qué los resultados sobre viento producido aguas abajo de los rotores de los eVTOL medidos por la FAA, calculados por la CAA  y esperados por la EASA sean incluso mayores que en los  helicópteros.

Primeras imágenes en vuelo de un UAV «gigante» de alerta temprana chino de fuselaje doble

Parece que las celebraciones del aniversario del nacimiento de Mao Zedung van a ser largas este año, y tras desvelar lo que pensamos que es un avión de ataque, lo que pensamos que es un caza, y un AWACS, le ha llegado el turno a este avión no tripulado de doble fuselaje, ala de gran alargamiento y configuración canard.

Captura de pantalla del vídeo publicado hoy en Twitter

Se trata del UAV WZ-9 Divine Eagle, un avión no tripulado de gran altitud y autonomía (HALE — High Altitude Long Endurance) desarrollado de manera conjunta por el Instituto 601 y la empresa SAC (Shenyang Aircraft Corporation).

Hasta ahora no se habían visto de él más imágenes que en tierra, de satélite o alguna maqueta.

La misión de esta aeronave es la alerta temprana (AEW). Es precisamente por la maqueta por lo que sabemos que cada fuselaje montaría un array de antenas de radar AESA.

Se dice que éste radar sería capaz de detectar aviones furtivos (stealth).

En la parte superior de ambos fuselajes hay sendos domos. Al menos uno de ellos ocultaría el sistema de comunicaciones por satélite (SATCOM).

El motor va instalado entre ambos fuselajes, sobre la sección central del ala.

Cuenta con un tren de aterrizaje «triciclo» retráctil, con un tren principal de dos ruedas alojado en el ala, y un tren de morro doble, con una rueda en el morro de cada fuselaje.

Según la Gran enciclopedia de la aviación rusa y china, el primer prototipo voló en octubre de 2015, y por las imágenes de satélite se supo que los ensayos se habían trasladado al aeropuerto GAAC, donde en 2017 se habría identificado un segundo ejemplar. En 2018 un satélite comercial obtuvo imágenes de otro avión en la base aérea de Malan, base de la principal de la 178ª Brigada de UAVs de la PLAAF. Durante el 2021 más imágenes de satélite probaron que se estaba ensayando junto con el WZ-7 y con el WZ-10. Y en 2023 se concluyó que el WZ-9 ya estaba maduro para ser fabricado en serie.

También según esta enciclopedia, el avión comenzó motorizado con un turbofan de bajo índice de derivación ucraniano AI-225, que sería reemplazado por un WS-10 de fabricación local.

Realmente, es la primera imagen que se tiene del drone en vuelo, así que no se sabe si es la primera vez que ha volado o lo había hecho previamente, ni tampoco si está volando de forma autónoma o bajo control total humano. Como con las otras noticias, estaremos pendientes de este desarrollo.

Fuentes:

Ucrania ha vuelto a usar un Aeroprakt no tripulado como bomba volante

Ucrania ha vuelto a utilizar uno de sus Aeroprakt convertido en bomba volante para atacar a los rusos. Esta vez el objetivo estaba en Grozny, en la República de Chechenia.

El ataque fue planeado con 3 drones, pero los otros dos fueron derribados, según grupos rusos de Telegram.

El A-22 es un avión VLA/ULM, según la norma de certificación, y he tenido la suerte de volarlo en ULM Madrid, con Rodrigo Borjabad como instructor de vuelo. Por eso sé de buena mano que suele estar equipado con un Rotax 912 de 100hp, y que con él a 5000rpm se hace un crucero rápido de 180km/h, con un consumo de unos 18 litros de súper 95 cada hora, a MTOW. La masa máxima al despegue (MTWOW) oficial es de 600kg, aunque se sabe que puede despegar con más. Además es capaz de despegar desde pistas no preparadas en unos 160 metros (a 2000ft ASL, con el tren de aterrizaje convencional y sin hacer uso de técnicas de vuelo STOL).

La estructura básica es un fuselaje de tubo de acero soldado, carenado con fibra y paneles transparentes, con una estructura alar bi-larguero y con costillas, todo metálico, revestida en tela tensada, con un puro de cola monocasco, y un empenaje también revestido en tela.

El A-22 de serie viene equipado con dos depósitos de 45 litros, y opcionalmente con dos de 57 litros. Haciendo un «número gordo» con ese consumo y los 114 litros de capacidad, nos da unos 1200km de alcance, así que salvo que el modelo convertido en UAV llevara depósitos extra, ha operado justo al límite de su alcance. El avión puede operar con dos pilotos de 90kg y 20kg de equipaje. Asumiendo que se han usado 50kg en sistemas de navegación y control cámaras de visión (tomando esos 50kg como una cota superior, un máximo de máximos), etc, aún quedarían más de 100kg para cargar explosivos.

El UCAV Thanatos de Kratos ha volado por primera vez.

No se sabe mucho sobre este altamente secreto UCAV. Aunque su desarrollo se conoce desde 2019, fue solo en noviembre de 2023 que se publicó una representación en 3D de este en el informe financiero de la empresa, revelando su forma por primera vez.

Después de un año, el cliente sigue sin ser nombrado, pero posiblemente podría ser la USAF. De hecho, la representación del artista muestra tanto las marcas de la fuerza aérea como las de Kratos.

Steve Fendley, presidente de la División de Sistemas No Tripulados de Kratos, le dijo a Aviation Week que la empresa espera aprender más sobre el sistema a medida que evoluciona en los próximos 6-12 meses. Nisiquiera declararon cuándo fue el primer vuelo, salvo que uno de estos meses de atrás.

Fendley dijo durante una entrevista el 7 de diciembre en el Foro Nacional de Defensa Reagan: “El vehículo aéreo de Thanatos ahora está efectivamente comprobado. Ya no estamos tratando de averiguar si el avión vuela, ahora estamos tratando de averiguar si el sistema integrado cumple con los requisitos de la misión.”

Kratos dice que tiene un gran interés en el crecimiento l programa de Aeronaves de Combate Colaborativas (CCA) de la Fuerza Aérea, antes conocidos como loyal wingman, y MUM-T en Europa.

Vía Aviation Week, que es donde han publicado la entrevista con Fendley

Ucrania está engañando a los drones kamikaze rusos para que caigan sobre Rusia

Newsweek, Le Monde, l’Independant, y algunos medios más han publicado recientemente que Ucrania está engañando a los drones que lanza Rusia para enviarlos de vuelta. Forbes o Militarnyi ya lo habían publicado a comienzos de año.

Kiev ha estado «suplantando» el sistema de navegación por GPS de los drones Shahed 136, lanzados por Rusia y diseñados por Irán.

La fuerza aérea de Ucrania, por separado, informó que la guerra electrónica había desviado 95 drones, cinco de los cuales hacia el aliado ruso Bielorrusia. Volodymyr Zelensky dijo que Rusia había lanzado un «número récord de drones de ataque» sobre Ucrania durante la noche, un total de 188, y que más de 90 de estos drones fueron desviados, dijo el líder ucraniano.

El medio de inteligencia abierta con sede en Bielorrusia, el Hajun Project, dijo que al menos 17 drones rusos Shahed habían pasado de Ucrania a Bielorrusia.

Moscú utilizó a Bielorrusia, situada en la frontera norte de Ucrania y en la puerta de entrada de los miembros de la OTAN, Polonia, Lituania y Letonia, como trampolín para lanzar su invasión a gran escala de Ucrania en febrero de 2022.

El sistema Pokrova

El sistema nacional de guerra electrónica Pokrova está desviando exitosamente los Shaheds rusos en los cielos de Ucrania dijo Yurii Ihnat, portavoz de las fuerzas aéreas ucranianas, en febrero de 2024.

El sistema Pokrova utiliza tecnología de suplantación (spoofing) que reemplaza las señales del sistema de navegación por satélite y, de este modo, engaña a los dispositivos de navegación de los drones. Después de ser desviados de la ruta, los drones pasan de largo el objetivo o se estrellan sin daño, haciendo creer al drone que sigue la ruta correcta.

El spoofing es invisible para los drones y se puede usar con éxito, a diferencia de la interferencia que bloquea todas las señales. Esta última tiene poco o ningún efecto sobre los Shaheds, pues están bien protegidos contra las interferencias. La versión actual tiene la unidad de navegación Kometa-M, un arreglo de antenas digitales que le permite identificar y excluir las señales de interferencia. También tiene una unidad de navegación inercial (INS) de respaldo que funciona incluso cuando no hay señal de satélite, pero deriva rápidamente con el tiempo. El sistema de respaldo proporciona navegación precisa durante unos minutos, el tiempo suficiente para alcanzar un objetivo protegido por un jammer local o volar a través de una banda de interferencia antes de poder recuperar la señal de satélite. Pero los ingenieros ucranianos han tenido la oportunidad de desarmar varios Shaheds y descubrir las vulnerabilidades de su sistema de navegación.

Aparte del principio de funcionamiento, no se conocen más detalles sobre Pokrova. Sin embargo, es probable que este nombre no haga referencia a un dispositivo, sino a una red de sistemas operando en todo el país. Esto surge de la necesidad de «influencia» constante sobre el drone durante su vuelo con coordenadas falsas de GPS.

El diputado ucraniano Oleksandr Fediyenko dijo que el país ya tiene desarrollos capaces de neutralizar drones Shahed. “Ucrania tiene un desarrollo moderno, y no solo uno, que puede interferir con los sistemas de tales vehículos usando guerra electrónica (EW). No son uno, ni dos, ni tres transmisores de influencia sobre tales aeronaves. Son cientos de miles de dispositivos que se están instalando en todo el país,” dijo el diputado.

Pokrova es el nombre ucraniano de la Fiesta de la Protección de la Madre de Dios, que celebra una aparición de la Virgen María en el siglo X en la que se dice que extendió su velo sobre una iglesia en Constantinopla durante un asedio, lo que hizo que los sitiadores se retiraran. Su homónima, de manera similar, lanza un velo protector sobre Ucrania.

Fuentes