El programa de demostración de propulsión de aeronaves híbridas eléctricas conocido como SHEPARD ha recibido su designación oficial de avión experimental: XRQ-73.
SHEPARD es un programa experimental que aprovecha la arquitectura de propulsión híbrida eléctrica y algunas de las tecnologías de componentes del proyecto anterior Great Horned Owl de AFRL y IARPA. Además el programa, para reducir riesgos de desarrollo y acortar tiempos, pretende reutilizar todas las tecnologías ya conocidas y disponibles o desarrolladas para otros programas de DARPA, integrándolos para desarrollar un vehículo nuevo.
Evolución desde el programa anterior XRQ-72A a XRQ-73
El diseño es de ala volante, muy similar a los ya conocidos, con puntas de plano con un diedro marcadamente distinto al del resto del ala, posiblemente para mejorar estabilidad y control. Aunque en una imagen más antigua, sobre estas líneas, cuenta con cuatro entradas de aire (o una grande con muchos dientes de sierra), mientras que la última imagen de la nota de prensa más reciente, la primera de esta entrada, muestra dos tomas de aire claramente diferenciadas.
Más allá de que la propulsión es híbrida-eléctrica, como un «Prius con alas», no han trascendido más detalles de la misma. Sí se sabe que su predecesor contaba con un par de motores que actuaban como generadores y que movían cuatro motores situados sobre el ala, lo que hacía que el diseño no tuviera nada de furtivo, aunque las hélices entubadas sí sugieren un diseño silencioso.
El contratista principal para SHEPARD es Northrop Grumman Corporation. Scaled Composites, es un proveedor importante, junto con Cornerstone Research Group, Brayton Energy, PC Krause and Associates y EaglePicher Technologies.
La presencia de los contratistas garantizan el uso extensivo de materiales compuestos, así como larga experiencia en alas volantes.
El equipo de DARPA incluye miembros del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), la Oficina de Investigación Naval (ONR) y nuestros combatientes.
Se espera que el avión XRQ-73, clasificado como un UAS de Grupo 3 con un peso aproximado de 1,250 libras (567.5kg), realice su primer vuelo a finales de 2024.
En este blog somos muy críticos con la llamada movilidad aérea urbana o nueva movilidad aérea, para no dejar fuera los viajes interurbanos. Y menos con sus diseños de aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical. Tan sólo hemos encontrado cierto sentido a los autogiros, y a las aeronaves convencionales STOL. Ésta, de Electra, entra dentro de esta última categoría.
Si recordáis de cuando os explicamos cómo funciona un ala y los dispositivos hipersustentadores, la sustentación depende del torbellino que se genera entorno al perfil alar.
Con la propulsión distribuida, muchas hélices situadas a lo largo del borde de ataque, se consiguen varios efectos. Por un lado, se sopla la capa límite, retrasando su desprendimiento y permitiendo así un mayor ángulo de ataque, y por tanto sustentación. Pero, además, energiza el torbellino, dando más velocidad al aire del extradós, acortando así la carrera de despegue.
De este modo, una aeronave convencional como ésta puede despegar en distancias tan cortas como 52m, y aterrizar en 35, según la nota de prensa de Electra Aero.
Pero una aeronave STOL es ligeramente distinta. Por lo comentado de las baterías, seguimos viendo difícil una aplicación eléctrica, pero a la hora de certificar seguramente sea más sencillo que cualquier otro concepto extraño de los que han aparecido en el mundo eVTOL. El diseño es convencional, y no hay que convencer a las autoridades de que es seguro, ¡ya se sabe que lo es y hay amplia experiencia certificando aeronaves de ala fija! También es más sencillo hacer un diseño seguro, controlable y redundante al fallo en caso de pérdida de uno o más motores que en el caso de los diseños «multicópteros», incluso aunque no tuviera potencia suficiente para mantener la altitud de vuelo y se viera obligado a aterrizar. Al depender de su ala fija para lograr la sustentación, es un diseño menos sediento de energía que los eVTOL, y por tanto con mayor autonomía a igualdad de energía transportada, sea en forma de batería od e combustible. Así que, al menos técnicamente, parece un concepto más viable que otros extraños eVTOL, habrá que ver si también lo es económicamente. Y, al menos, el avión de Electra no es eléctrico puro, sino híbrido.
Electra anunció el 29 de mayo de 2024 que ha logrado con éxito las primeras operaciones de despegue y aterrizaje ultra cortos de alto rendimiento de su avión demostrador híbrido-eléctrico (eSTOL) EL-2 Goldfinch con sustentación aumentada por soplado del ala.
«El hito de hoy es un logro increíble, ya que hemos demostrado que nuestro avión eSTOL tiene la capacidad de hacer lo que dijimos que podía hacer: operar desde espacios más cortos de 300 pies —91m—», dijo JP Stewart, Vicepresidente y Gerente General de Electra. «El manejo de la aeronave a bajas velocidades ha sido excepcional y se está ajustando bien a nuestro análisis, lo que aumenta la confianza en la capacidad prevista del diseño del producto de 9 pasajeros. Continuaremos desarrollando nuestras tecnologías, incluido el sistema de control de vuelo ‘thrust-by-wire’, para permitirnos volar aún más lento en el enfoque y mejorar aún más el rendimiento de despegue y aterrizaje STOL en la campaña de pruebas en curso».
Los vuelos de prueba, pilotados por Cody Allee, se llevaron a cabo en abril y mayo de 2024 en el Aeropuerto Regional de Manassas y el Aeropuerto de Warrenton-Fauquier en Virginia. El vuelo más largo duró 1 hora y 43 minutos. Durante la campaña, la aeronave despegó en menos de 170 pies —52m— y aterrizó en menos de 114 —35m—, la aeronave alcanzó una altitud de 6,500 pies y voló tan lentamente como 25 nudos —46km/h— en despegue y aterrizaje. Los datos y conocimientos obtenidos del programa de pruebas de vuelo informarán el diseño del avión eSTOL comercial de 9 pasajeros de Electra, con la entrada en servicio comercial bajo las regulaciones de la Parte 23 de la FAA prevista para 2028.
El diseño de ala soplada de Electra utiliza ocho motores eléctricos para aumentar significativamente la sustentación del ala, lo que permite que la aeronave eSTOL despegue y aterrice en solo 1/10 de espacio necesario por aeronaves convencionales. Esto permite el acceso a lugares a los que actualmente solo pueden llegar los helicópteros. Los motores eléctricos silenciosos reducen drásticamente el ruido y las emisiones para operaciones amigables con la comunidad. La energía híbrido-eléctrica proporciona capacidad de largo alcance sin la necesidad de estaciones de carga terrestres.
Sabemos que el primer avión eléctrico voló hace más de cincuenta años, y desde entonces cada vez que han vuelto han tenido el mismo problema: si bien los motores son fiables y ligeros, las baterías pesan demasiado y tienen una densidad energética baja.
Con el boom de los vehículos eléctircos terrestres (EV), parece que se ha revivido la fiebre de la aviación eléctrica, y se está intentando utilizar las mismas baterías de litio.
E igual que un motor de automoción puede no ser idóneo para un avión, porque el vehículo de tierra funciona normalmente al 30-40% de su potencia máxima, que sólo necesita en picos mientras que el motor de avión funciona al 75-85% de manera constante, puede que la solución de las baterías eléctricas de los EV no sean la mejor.
Aunque el rendimiento de las baterías de iones de litio en los EVs está bien estudiado, su rendimiento en la industria de la aviación es relativamente desconocido, y aún no está claro cómo estas baterías resistirán las duras condiciones a las que estarán sometidas durante las operaciones de taxi aéreo eVTOL.
Por ello, investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en Tennessee llevaron a cabo un estudio sobre los efectos que el perfil de vuelo de una aeronave eVTOL tendrá en las baterías de EV después de ciclos repetidos, simulando operaciones típicas de taxi aéreo.
El equipo de investigación encontró que las demandas de potencia y rendimiento para el vuelo eVTOL reducen el rendimiento y la longevidad de la batería, lo que podría representar una amenaza para la seguridad. También podría aumentar el costo del mantenimiento de las aeronaves, ya que las baterías necesitarán ser reemplazadas con frecuencia. Una vez más, la demanda de potencia del motor, debido al perfil de utilización distinto en un tipo de vehículo y otro, puede suponer un problema.
Cuando los eVTOL despeguen verticalmente, las baterías están sujetas a una demanda de energía muy alta, y según el investigador Ilias Belharouk será el momento en el que la batería puede ser más peligrosa.
Belharouak y su equipo tienen como objetivo mitigar este problema avanzando en la tecnología de baterías de iones de litio y optimizando las celdas de batería para los vuelos eVTOL. Pero para encontrar las mejores soluciones, primero necesitaban definir a fondo el problema. Con este estudio, el equipo buscó determinar exactamente qué sucede con las baterías a nivel subcelular cuando se someten a las altas demandas de potencia de los vuelos eVTOL con ciclos repetidos. Los hallazgos ayudarán a informar su búsqueda de nuevos materiales, especialmente para los electrolitos de la celda, lo que podría llevar a un mejor rendimiento y resistencia.
Altas Demandas de Potencia
Como hemos comentado anteriormente, nada tienen que ver el perfil de uso de las baterías de litio en los eVTOL con el perfil de uso en los automóviles.
Las baterías eléctricas para taxis aéreos también soportarán cargas y descargas más frecuentes y rápidas que los vehículos terrestres. El perfil de uso del coche hace que la mayor parte de su vida operativa esté estacionado. Sin embargo, el perfil de uso de una aeronave comercial es el contrario: si la aeronave está parada está perdiendo dinero. De hecho, en los estudios de viabilidad de los eVTOL suelen citarse tasas de utilización mucho más altas que las de los helicópteros, debido a su supuesto menor mantenimiento. De sobra es conocido que los aviones de aerolínea paran lo mismo. Así que mientras que el perfil de uso de un automóvil es de viajes de entre 10 y 50 minutos con largos periodos de inactividad, se espera que el perfil del eVTOL sea de vuelos durante todo el día, con ciclos de vuelo de 10 minutos intercalados con recargas rápidas, normalmente de otros diez minutos. «Realmente necesitas cargarlos muy rápido y descargarlos muy rápido… lo que ejerce mucha presión sobre estas baterías», dijo Belharouak.
Belharouak y su equipo en ORNL realizaron pruebas simuladas de baterías eVTOL utilizando baterías representativas que construyeron en el lugar en la Instalación de Fabricación de Baterías del Departamento de Energía. Monitorizaron el rendimiento de la batería durante el ciclo y luego evaluaron los componentes de la batería posteriormente para verificar la corrosión y otros cambios químicos o estructurales utilizando un microscopio electrónico de barrido.
«Tu batería no es solo la vida útil de 1,000 ciclos. Es lo que sucede dentro de un ciclo lo que te dice si tu sistema funcionará o fallará», dijo Marm Dixit, el investigador principal del estudio. Y los riesgos son mayores, ¡no son vehículos que puedas parar en un arcen en caso de problemas, estan volando!
Para la simulación, los investigadores emplearon una alta tasa de descarga durante 45 segundos, lo que se espera que dure el despegue vertical más la transición a crucero, seguido de una descarga a baja velocidad para simular el vuelo de crucero.
Durante el ciclo de crucero, la batería recuperaba su condición normal. Pero la sucesiva repetición de este tipo de ciclos rápidos e intensos hacía que las baterías, electrolito y ánodo se degradaran, no así el cátodo.
La solución ¿está en el electrolito?
Así que estamos con el problema de siempre, pero ampliado. No sólo necesitamos una batería de mayor densidad energética, sino que además deben aguantar estos ciclos tan distintos a los de los automóviles.
Y mientras se dependa de las baterías de litio, hay que mejorarlas. Los investigadores están constantemente buscando maneras de hacer que las baterías funcionen mejor y duren más utilizando diferentes materiales para sus componentes, incluyendo ánodos, cátodos y electrolitos. Por ejemplo, el fabricante de baterías Amprius está utilizando ánodos de nanocables de silicio en las baterías que ofrece para aplicaciones de aviación eléctrica.
Belharouak y su equipo creen que la solución para hacer que las baterías de iones de litio sean más adecuadas para las operaciones de eVTOL radica en el electrolito, el medio entre el cátodo y el ánodo de una batería por el que los iones de litio viajan durante la carga y descarga.
Si bien el equipo de ORNL se está enfocando en soluciones de electrolito por ahora, el objetivo final del programa de investigación es eventualmente desarrollar una química de batería completamente nueva que podría reemplazar a las baterías de iones de litio para aeronaves eléctricas.
Ejemplos de nuevas químicas de baterías que podrían ser prometedoras para aplicaciones de aviación incluyen las baterías de estado sólido, que reemplazan el electrolito líquido o en gel con un material sólido, o las baterías de litio-azufre, ambas de las cuales pueden ofrecer las mayores densidades de energía necesarias para habilitar vuelos de mayor alcance.
Belharouak enfatizó que cualquier tipo de baterías destinadas a aplicaciones de eVTOL «deberán ser entendidas y comprendidas en función del conjunto de protocolos a los que van a ser sometidas, no solo en función de la densidad de energía y potencia».
Eviation Alice, cada vez más parecido al CBA-Vector
Eviation ha revelado un diseño radicalmente reformado para su avión de pasajeros totalmente eléctrico Alice basado en los comentarios de los clientes, y de estudios de industrialización.
El diseño es mucho más convencional que las imágenes presentadas anteriormente. El primer prototipo que voló ya abandonó la cola en V con un motor trasero y dos en punta de plano, a favor de una configuración típica que recuerda a la de los reactores de negocios, con motores en cola, y especialmente recuerda al FMA-CBA Vector, nada ere ver con el prototipo original, que ardió.
El diseño final, además abandona la forma elíptica del fuselaje, optando por uno de sección constante, lo que facilita su fabricación, además de abaratarla, o facilitar el desarrollo de versiones alargadas o acortadas, y mejora la habitabilidad de la cabina.
El ala ahora presenta grandes winglets, en lugar de las puntas inclinadas hacia arriba del prototipo, y los soportes que sostienen los motores eléctricos parecen estar más altos en el fuselaje que anteriormente.
Realizada junto a TLG Aerospace, la revisión de diseño conceptual se basó en los datos recopilados del vuelo de 8 minutos de Alice en septiembre de 2022, el único vuelo de la aeronave, y en pruebas de túnel de viento recientemente completadas. Además de los habituales estudios de industrialización y fabricabilidad y reuniones con los clientes.
Anteriormente, Eviation había declarado que volaría un prototipo de pre-producción en 2025 con el objetivo de obtener la certificación aproximadamente dos años más tarde. Afirma que tiene pedidos para el Alice por un valor superior a los $5 mil millones.
Eviation ha completado la Revisión de Diseño Conceptual de la aeronave totalmente eléctrica Alice. La revisión es un hito significativo hacia la certificación y comercialización de Alice. El diseño de la Aeronave de Producción de Alice está optimizado para la certificación, la fabricación simplificada y para brindar una experiencia de pasajeros de clase mundial.
ARLINGTON, Washington, EE. UU., 25 de enero de 2024 – Eviation Aircraft, fabricante de aeronaves totalmente eléctricas, anunció hoy que ha completado la Revisión de Diseño Conceptual (CoDR) de la aeronave Alice. La revisión es un hito significativo, asegurando una configuración que es certificable y que permite una fabricación simplificada. Mantiene el aspecto distintivo de Alice, al tiempo que optimiza el rendimiento y mejora aún más su incomparable experiencia en cabina.
La CoDR, realizada con el apoyo de TLG Aerospace, se basó en los extensos datos recopilados del pionero vuelo de Alice en 2022, pruebas en túnel de viento recientemente completadas en el Túnel de Viento Kirsten en Seattle, retroalimentación de la junta asesora de clientes de Eviation y meses de trabajo de ingeniería.
Las características introducidas en el diseño de la Aeronave de Producción incluyen:
una sección transversal constante que reduce la cantidad de piezas de Alice y los costos de fabricación, al tiempo que permite futuras variantes de la aeronave
segmentos estructurales diseñados para ser reensamblados en campo con herramientas estándar disponibles para los servicios de Mantenimiento, Reparación y Revisión (MRO)
un compartimento de Sistema de Almacenamiento de Energía (ESS) más grande y centralizado sobre el ala que puede integrar una variedad de soluciones ESS ahora y en el futuro, además de agilizar la certificación
espacio de cabina optimizado que permite un compartimento de almacenamiento de equipaje de mano montado lateralmente único en la clase de pasajeros
Creando el Futuro del Vuelo Con pedidos que superan los US$ 5 mil millones, la aeronave totalmente eléctrica Alice está abriendo una nueva era de viajes aéreos sostenibles. Las versiones de pasajeros y carga de 9 asientos de Alice están diseñadas para deleitar a los clientes y pasajeros con tecnología innovadora y un diseño hermoso, al tiempo que ofrecen viajes punto a punto sin emisiones de carbono, rentables y convenientes.
«Completar la Revisión de Diseño Conceptual es un paso importante en el camino de Alice, acercándonos significativamente a la certificación de la aeronave y la Entrada en Servicio», dijo Andre Stein, CEO de Eviation. «Las últimas mejoras han mejorado aún más el diseño excepcional de Alice, que ha recibido pedidos de operadores de todo el mundo interesados en descarbonizar sus flotas. Este es un año emocionante para Eviation, ya que Alice avanza enormemente hacia hacer realidad comercial la revolución de la aviación eléctrica».
Los primeros intentos de helicóptero de alta velocidad de Sikorsky fueron el X2 o el Raider. Helicópteros compuestos, con dos rotores contrarrotatorios y una hélice impulsora. Por eso, hasta ahora hablar de aeronaves de rotores basculantes o convertiplanos era hablar de Bell, con su Osprey o su Valor, o de Leonardo, antes Augusta, y su modelo 609. Y ahora tenemos que añadir también a Sikorsky, que acaba de presentar su modelo de rotor basculante.
Las aeronaves conocidas como convertiplanos tratan de aunar en un solo desarollo lo mejor de los aviones y lo mejor de los helicópteros, permitiendo el vuelo a punto fijo, como en un helicóptero, y pero con la economía de combustible de crucero de un avión. Pero la velocidad de crucero queda limitada por las grandes palas de los rotores.
Cuando la punta de pala alcanza velocidad supersónica la hélice pierde eficiencia, y debido a la combinación de velocidad de rotación de la hélice/rotor más la de traslación de la aeronave, la velocidad de un avión de hélice está limitada. Y debido a que el radio del rotor es mucho mayor que el de una hélice, la velocidad lineal de la punta de pala es mucho mayor, y por tanto el límite de velocidad de vuelo del helicóptero, o del convertiplano, es mucho menor que el de un avión con hélice.
La propuesta de Sikorsky no se limita sólo a una aeronave con dos rotores, sino a toda una familia, con distintos grados de electrificación, con convertiplanos de mayor tamaño y con helicópteros.
La electrificación de las aeronaves permite utilizar motores de bajo mantenimiento y alta fiabilidad, como son los eléctricos. Elimina la necesidad de pesados reenvíos y reductoras. Pero además dota de flexibilidad al desarollador, facilitando el cambio de fuente de energía, bien un generador eléctrico conectado a una turbina de gas, bien una pila de combustible, una de hidrógeno, distintas configuraciones de baterías… Y de paso intentar consumir menos, y ser más verdes. Pero de momento, sólo tenemos unas imágenes creadas por ordenador.
ANAHEIM, California, 27 de febrero de 2024 – Sikorsky, una compañía de Lockheed Martin (NYSE: LMT), presentó hoy su plan para construir, probar y volar un demostrador de despegue y aterrizaje vertical híbrido-eléctrico (HEX / VTOL) con una configuración de ala basculante.
El diseño es el primero en una serie de grandes aeronaves VTOL de próxima generación, que van desde helicópteros más tradicionales hasta configuraciones VTOL con alas, que contarán con diferentes grados de electrificación y un sistema avanzado automatismos para vuelo opcionalmente pilotado.
“Nunca dejamos de innovar en Sikorsky”, dijo el presidente de Sikorsky, Paul Lemmo. “La autonomía y la electrificación traerán un cambio transformador a la seguridad de vuelo y la eficiencia operativa de grandes aeronaves VTOL. Nuestro programa demostrador HEX proporcionará ideas valiosas mientras buscamos una futura familia de aeronaves construidas a la escala y configuraciones preferidas relevantes para clientes comerciales y militares”.
El programa HEX pondrá énfasis en un alcance superior a las 500 millas náuticas a alta velocidad, menos sistemas mecánicos para reducir la complejidad y costos de mantenimiento más bajos.
Sikorsky Innovations, el grupo de prototipado de la compañía, y GE Aerospace están finalizando diseños para construir una plataforma de pruebas de sistemas de energía híbrido-eléctricos con un motor eléctrico de 600KW. La plataforma de pruebas es un primer paso para evaluar el rendimiento en vuelo estacionario del demostrador HEX siguiente, una aeronave de peso máximo al despegue de 9,000 libras con un turbogenerador de clase 1.2MW y electrónica de potencia asociada.
“Dentro del pilar eléctrico de Sikorsky, estamos diseñando motores eléctricos, electrónica de potencia y nuestro propio hardware de gestión de vehículos y actuación”, dijo Igor Cherepinsky, director de Sikorsky Innovations. “HEX integrará estos componentes, mostrará la creciente madurez de nuestro conjunto de autonomía MATRIX™ y el potencial de sistemas sin necesidad de mantenimiento. Ver los resultados nos llevará a diseños más eficientes en general”.
Sikorsky Innovations se formó en 2010 para superar los desafíos tecnológicos de la velocidad, autonomía e inteligencia de las alas rotatorias. Conozca más sobre los logros del equipo de ingeniería en estas áreas de enfoque tecnológico y su nuevo enfoque en la electrificación y la automatización.
