Aunque los coches híbridos-eléctricos se están volviendo habituales, una tecnología similar aplicada a los aviones conlleva 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. Aprovechamos solo una pequeña fracción de esa 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 va en contra del objetivo de hacer un avión lo más liviano posible. "Esa es una de las grandes barreras con las que nos encontramos al diseñar aviones electrificados alimentados por baterías. La tecnología actual tiene desventajas de alcance muy significativas. Pero fuertes ventajas en el consumo de combustible".

Él, junto con un ex estudiante de pregrado aeroespacial, Tyler Dean, y la actual estudiante de doctorado Gabrielle Wroblewski, utilizó una serie de simulaciones para modelar el desempeño de aviones híbridos-eléctricos.

"Comenzamos con un avión bimotor existente y analizamos cómo podríamos crear un tren motriz híbrido-eléctrico para él utilizando hardware existente listo para usar, ", Dijo Ansell." Queríamos saber qué tan bien funcionaría. Si utilicé un determinado conjunto de componentes del tren motriz, Quiero saber qué tan lejos podría volar el avión, cuanto combustible quema, ¿Qué tan rápido se puede subir? Todos los cambios de rendimiento de vuelo en general ".

Se creó un simulador de rendimiento de vuelo para representar con precisión el rendimiento de vuelo real de un Tecnam P2006T en una misión general que incluye el despegue, trepar, crucero, descendencia, y aterrizaje, junto con suficientes reservas para cumplir con las regulaciones de la FAA. Los segmentos de transición se incorporaron a la simulación durante el ascenso y el descenso donde el ajuste del acelerador, despliegue de la aleta, tasa de rotación de la hélice, y todas las demás variables de control de vuelo se establecieron 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 en paralelo en la simulación. Los investigadores compararon la sensibilidad del alcance y la economía de combustible con el nivel de electrificación, densidad de energía específica de la batería, y densidad de potencia del motor eléctrico. Se estudiaron las mismas sensibilidades con una transmisión híbrida-eléctrica en serie.

Ansell dijo eso, en general, un tren motriz híbrido-eléctrico puede conducir a mejoras sustanciales en la eficiencia del combustible de una determinada configuración de aeronave, aunque estas ganancias dependen en gran medida de las variaciones acopladas en el grado de electrificación del tren motriz y el rango de misión requerido. Ambos factores influyen en la asignación de peso de la batería y los sistemas de combustible, así como 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 el tren motriz como sea permisible dentro de un requisito de rango dado.

Se demostró que las mejoras en la eficiencia del combustible brillan particularmente para misiones de corto alcance, lo cual es bueno ya que las limitaciones de alcance sirven como uno de los cuellos de botella clave en la viabilidad de los aviones híbridos. Aunque, A través de este estudio, los cambios en las capacidades de alcance de la aeronave también se pudieron pronosticar con los avances en las tecnologías de componentes híbridos. "Por ejemplo, "Ansell dijo, "El sistema de propulsión actual podría configurarse para que el 25 por ciento de su potencia propulsora provenga de un motor eléctrico. Sin embargo, solo podría volar unas 80 millas náuticas. Avance rápido a las proyecciones de tecnologías de baterías más ligeras para aproximadamente el año 2030 y el mismo avión podría volar de dos y media a tres veces más lejos. El aumento de rango no es lineal, para que se puedan ver las mejoras más importantes para 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 ".

"Observamos un resultado interesante e inesperado:sin embargo, surgió 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 juntos, solo se necesita una máquina eléctrica. Para la arquitectura de la serie, También se necesita un generador para convertir la potencia del motor en energía eléctrica, junto con un motor más grande que la configuración híbrida en paralelo para impulsar el propulsor. Inesperadamente, Este aspecto hizo que la arquitectura paralela fuera más beneficiosa para mejorar el alcance y el consumo de combustible en casi todos los ámbitos debido a su menor peso. 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 mejor eficiencia de las arquitecturas híbridas en serie, ya que permiten una mayor flexibilidad en la 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 de la aeronave. Ellos seleccionaron ese avión en particular, en parte, porque la NASA ha estado trabajando en su avión X-57, que tiene hélices de vanguardia para una gran elevación. "Este estudio se estaba realizando para la NASA, y el uso de esta aeronave también permitió que nuestros resultados se aplicaran mejor al vehículo conceptual X-57, ", Dijo Ansell." Utilizando nuestros datos, podrán tener al menos una idea aproximada de cómo funcionará el sistema híbrido sin las otras modificaciones de propulsión distribuida ".

Ansell dijo que la electrificación de propulsión sigue siendo una incógnita en términos de cómo se debe construir un vehículo. diseñado volado. "Nuestro estudio ayuda a informar esas discusiones. Solo analizamos los sistemas de almacenamiento de baterías, aunque hay muchos más que se pueden implementar, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Este estudio nos permitió ver qué tipos de avances se deben realizar en la tecnología del motor, en tecnología de baterías, etc. "

El estudio, "Análisis de misión y estudio de sensibilidad a nivel de componentes de sistemas de propulsión de aviación general híbridos-eléctricos, "fue dirigido por Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, y Phillip Ansell. Aparece en el Diario de aviones .