Por Lauren Nagel
La propulsión eléctrica distribuida (DEP) se inventó para intentar mejorar las aeronaves modernas: ¿Cómo podemos aumentar la eficiencia de una aeronave? ¿Mejorar su maniobrabilidad? ¿Acortar sus distancias de despegue y aterrizaje?
Los conceptos de DEP prometen reducir el consumo de combustible al tiempo que mejoran el rendimiento, una perspectiva atractiva en una época en la que trabajamos incansablemente para hacer que la aviación sea más sostenible.
En este artículo analizamos cómo funciona la DEP, sus ventajas y desventajas, y las aeronaves DEP que hay que seguir de cerca. Además, ofrecemos una solución para probar los sistemas DEP. Todo ello se incluye a continuación.
Contenidos
- Qué es la propulsión eléctrica distribuida (DEP)
- Cómo funciona la propulsión eléctrica distribuida
- Cuáles son las ventajas de la propulsión eléctrica distribuida
- Cuáles son los desafíos de la propulsión eléctrica distribuida
- Aeronaves destacadas con propulsión eléctrica distribuida
- Cómo probar un sistema de propulsión eléctrica distribuida
1. Qué es la propulsión eléctrica distribuida (DEP)
La propulsión eléctrica distribuida (DEP) describe un sistema de propulsión en el que la generación de empuje se distribuye entre 3 o más propulsores eléctricos. En muchos conceptos de DEP, los propulsores eléctricos (ventiladores o hélices) se distribuyen en paralelo a lo largo de una superficie aerodinámica, como el ala de una aeronave.
Los sistemas DEP pueden ser totalmente eléctricos, en cuyo caso los motores eléctricos se alimentan de baterías, o híbridos, en cuyo caso los motores eléctricos se alimentan de un turbogenerador.
Muchas organizaciones destacadas tienen conceptos de DEP en desarrollo, incluidos gigantes como la NASA, que está probando activamente diferentes diseños de DEP [1].
En la actualidad no existe una definición universalmente aceptada de DEP, aparte de la presencia necesaria de múltiples propulsores eléctricos.
Figura 1: Vertical Aerospace VX4 durante una prueba de vuelo (fuente: Business Wire)
2. Cómo funciona la propulsión eléctrica distribuida
La propulsión eléctrica distribuida es un concepto en evolución y no hay dos aeronaves DEP iguales. Dicho esto, la mayoría de las aeronaves DEP tienden a encajar en una de estas dos categorías principales: a) aeronaves DEP totalmente eléctricas y b) aeronaves DEP híbridas turboeléctricas.
1. Aeronaves DEP totalmente eléctricas:
En una aeronave DEP totalmente eléctrica, una batería de alta densidad a bordo actúa como fuente principal de energía. Las baterías alimentan múltiples motores eléctricos, cada uno de los cuales está conectado individualmente a un propulsor (un ventilador o una hélice). Los propulsores generan el empuje necesario para que la aeronave vuele.
Figura 2: Distribución de una aeronave DEP totalmente eléctrica
Entre los ejemplos de aeronaves DEP totalmente eléctricas se incluyen el Vertical Aerospace VX4, S4 de Joby Aviation y el Midnight de Archer.
2. Aeronaves DEP híbridas turboeléctricas
En una aeronave DEP híbrida turboeléctrica, la fuente de energía es un motor de turbina de gas conectado a un generador que convierte la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica. Esta energía eléctrica llega a los motores eléctricos distribuidos, que a su vez hacen girar los propulsores, generando el empuje necesario.
Figura 3: Distribución de una aeronave DEP híbrida turboeléctrica
Entre los ejemplos de aeronaves DEP híbridas turboeléctricas se incluyen el Electra Model EL-2 «Goldfinch» y el EcoPulse de Airbus.
La ubicación de estos componentes se estudia cuidadosamente en las aeronaves DEP, ya que las fuentes de energía, los propulsores y las superficies aerodinámicas trabajan juntos para lograr un rendimiento óptimo.
3. Tecnologías emergentes en DEP
Existen varias tecnologías emergentes que se están explorando para las aeronaves DEP. ZeroAvia está desarrollando motores hidroeléctricos que utilizan pilas de combustible de hidrógeno para generar electricidad, la cual alimenta motores eléctricos. Estas pilas de combustible producen únicamente agua como subproducto.
Los avances en la química de las baterías también desempeñan un papel crucial en el desarrollo de la DEP. Las baterías de estado sólido prometen densidades de energía de 400 a 500 Wh/kg, en comparación con las celdas de iones de litio actuales de 150 a 200 Wh/kg. Además de la mayor densidad de energía de las baterías de estado sólido, son más seguras, ya que no son inflamables como las baterías con electrolito líquido.
Sin embargo, el mayor desafío de las baterías de estado sólido es su vida útil en ciclos. La vida útil en ciclos de una batería se refiere al número de ciclos de carga y descarga que puede completar antes de perder rendimiento. Lyten demostró recientemente una batería de estado sólido de litio-azufre que alimentaba un UAV impreso en 3D que voló a velocidades de hasta 86 mph durante más de tres horas.
Figura 4: Baterías de litio-azufre de Lyten utilizadas en un UAV impreso en 3D (fuente)
Aunque estas tecnologías aún se encuentran en una fase inicial de desarrollo, muestran cómo las fuentes de energía alternativas podrían ampliar el alcance y las capacidades de las aeronaves DEP más allá de lo que pueden lograr los sistemas actuales.
En las siguientes secciones analizamos estos componentes con más detalle, así como las ventajas y desafíos que ofrecen.
3. Ventajas de la propulsión eléctrica distribuida
Existen varias ventajas potenciales asociadas a un sistema de propulsión eléctrica distribuida:
Acoplamiento aeropropulsivo
La integración de los propulsores en las superficies que generan sustentación de la aeronave, como el borde de ataque del ala, da lugar a un efecto de acoplamiento aeropropulsivo, que puede describirse como la interacción concertada entre las fuerzas aerodinámicas y propulsivas. Esto se manifiesta de varias maneras:
Ingestión de la capa límite (BLI) es un ejemplo de este concepto, en el que los propulsores ingieren el aire que se mueve más lentamente de la capa límite a lo largo de la superficie de la aeronave. Se requiere menos energía para acelerar este aire y puede reducir la cantidad total de resistencia producida a lo largo de esa superficie, por lo que la eficiencia del combustible puede aumentar hasta en un 8,5 % [2].
El concepto E-Thrust diseñado por el grupo EADS (Airbus, Astrium, Cassidian y Eurocopterby) en colaboración con Rolls Royce, estaba diseñado para ingerir el aire de la capa límite a través de propulsores situados en el borde de salida del ala.
La desventaja es que el aire de la capa límite está mucho más distorsionado que el aire de la corriente libre, por lo que se requieren hélices o ventiladores más potentes para procesarlo.
Figura 5: Concepto DEP E-Thrust de Airbus que utiliza la ingestión de la capa límite (fuente)
Llenado de la estela, un término más amplio para las estrategias destinadas a reducir la resistencia causada por la estela de una aeronave, la región de aire perturbado detrás de la aeronave. En las aeronaves DEP, la colocación estratégica de los propulsores puede contribuir al llenado de la estela. Por ejemplo, los propulsores pueden colocarse cerca de la parte trasera de la aeronave para reenergizar el flujo de aire a medida que pasa por el fuselaje.
Redirección de los vórtices de punta de ala es otro concepto de acoplamiento aeropropulsivo que se ha estudiado [3]. El sistema utiliza unidades de propulsión montadas en las puntas de las alas, donde redirigen los vórtices para mejorar la propulsión y reducir la resistencia.
Aeronave controlada por propulsión (PCA)
Una aeronave controlada por propulsión (PCA) es una aeronave cuyos movimientos (cabeceo, alabeo y guiñada) se controlan mediante ajustes en los propulsores, en lugar de superficies de control tradicionales. A diferencia de los aviones a reacción y los cohetes que utilizan vectorización de empuje, la PCA normalmente depende únicamente de ajustes en el nivel de empuje de salida, en lugar de cambios en la forma real del sistema de escape de empuje.
Las aeronaves alimentadas por DEP son candidatas principales para el maniobrismo controlado por propulsión, ya que el empuje de cada propulsor puede ajustarse de forma independiente. Esto puede llevar potencialmente a un aumento de la eficiencia del combustible, ya que el empuje de cada propulsor puede ajustarse con precisión para satisfacer las necesidades de potencia de la aeronave.
En la mayoría de las aeronaves controladas por propulsión, el maniobrismo impulsado por propulsión suele ser una redundancia que coexiste con las superficies de control tradicionales. Sin embargo, las aeronaves DEP pueden ofrecer el primer ejemplo en el que esto no sea así, lo que permitiría reducir el tamaño de las superficies de control tradicionales y el peso total de la aeronave.
Un ejemplo es el modelo a escala reducida del 21 % de un Cirrus SR22T desarrollado por el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Illinois, que está modificado para el control basado en propulsión mediante 8 ventiladores de conducto [3].
Figura 6: Aeronave RC Cirrus SR22T controlada por propulsión eléctrica distribuida de la Universidad de Illinois
Relación de derivación
En la propulsión de aeronaves, las relaciones de derivación elevadas son deseables, ya que ofrecen una mayor eficiencia propulsiva y menos ruido. En un motor de turbina de gas estándar, la relación de derivación es una medida de la masa de aire en la corriente de derivación en relación con la masa de aire que entra en el núcleo del motor.
También podemos considerar la «relación de derivación efectiva» [1] al hablar de ciertos tipos de sistemas DEP, que es una medida de la masa de aire que entra en la turbina y los propulsores en relación con la masa de aire que entra en el núcleo del motor de turbina. Este principio está presente en el concepto de aeronave de propulsión distribuida turboeléctrica (TeDP) N3-X de la NASA [4], donde turbogeneradores montados en las puntas de las alas alimentan motores conectados a ventiladores montados en el cuerpo de la aeronave (figura 6). El concepto tiene una relación de derivación efectiva en el rango de 29-36:1 [5] con una reducción estimada del consumo de combustible del 70 % [6].
Figura 7: Concepto TeDP de propulsión distribuida turboeléctrica N3X de la NASA
Las ventajas prácticas de las mejoras anteriores incluyen:
Reducción de los costes operativos
Dos factores principales contribuyen al potencial de reducción de los costes operativos:
- Menores costes de combustible: las ventajas propulsivas y aerodinámicas descritas en los párrafos anteriores contribuyen a aumentar la eficiencia general del sistema, lo que conduce a un menor consumo de combustible y a menores emisiones.
- Reducción de los costes de fabricación y reparación: Fabricar varios componentes más pequeños, como pequeños motores eléctricos y hélices, puede ser menos costoso que fabricar menos unidades grandes que produzcan una cantidad igual de potencia y empuje. Del mismo modo, esos componentes son más baratos de reemplazar cuando fallan.
Reducción del ruido
En general, los sistemas de propulsión eléctrica producen menos ruido que los sistemas equivalentes a gasolina, como han demostrado múltiples estudios. Uno de esos estudios realizado por la Universidad de Waterloo observó una reducción de 30 dB en el ruido de las aeronaves de entrenamiento alimentadas por motores eléctricos en comparación con sus equivalentes tradicionales a gasolina [7].
Sumado a la reducción de ruido ofrecida por la alta relación de derivación del sistema, las aeronaves alimentadas por DEP deberían producir significativamente menos ruido que otros estilos de aeronaves con un rendimiento similar.
Mejora del rendimiento de despegue y aterrizaje
Los efectos de acoplamiento aeropropulsivo descritos anteriormente pueden producir un efecto de sustentación soplada, lo que resulta en un coeficiente de sustentación efectiva relativamente más alto, especialmente a bajas velocidades. Este aumento de la sustentación a bajas velocidades puede reducir significativamente las distancias de despegue y aterrizaje de la aeronave, ofreciendo el equivalente a un rendimiento de despegue y aterrizaje corto (STOL) [8].
Como beneficio adicional, también mejora la maniobrabilidad a baja velocidad.
Mayor redundancia y seguridad
Los sistemas DEP incorporan redundancia en múltiples niveles, lo que mejora la seguridad general de la aeronave. Como se mencionó, los propulsores DEP pueden utilizarse para maniobrar la aeronave, ofreciendo una capa de redundancia que puede ser útil si alguna de las superficies de control de la aeronave se daña.
Además, el gran número de propulsores significa que ninguna unidad individual desempeña un papel único para mantener la aeronave en el aire. En un sistema con 8 o 16 propulsores, perder la potencia de uno o incluso de unos pocos no sería crítico para la misión. Por ejemplo, el NASA N3X cuenta con 16 propulsores, el EL-2 Goldfinch de Electra tiene 8, y el Midnight de Archer está equipado con 12, lo que garantiza la continuidad de la operación incluso en caso de una falla parcial.
4. Desafíos de la propulsión eléctrica distribuida
Aunque ofrece muchas ventajas potenciales, la propulsión eléctrica distribuida también conlleva su propio conjunto de desafíos:
Integración y complejidad
El uso de propulsión eléctrica o híbrida introduce una complejidad adicional y desafíos de integración.
Por ejemplo, el calor generado por las baterías y la electrónica almacenadas a bordo debe gestionarse, y los sistemas de refrigeración añaden tanto peso como complejidad a la aeronave.
La distribución segura de energía eléctrica de alto voltaje también es un desafío que debe abordarse, teniendo en cuenta el aislamiento, la interferencia electromagnética (EMI) y el peso combinado de todos los componentes.
Rediseño de piezas estándar
Aunque los diseños DEP ofrecen ciertas eficiencias, se requieren algunos cambios de diseño para lograrlas.
Por ejemplo, para beneficiarse de la ingestión de la capa límite, deben diseñarse y fabricarse ventiladores/hélices más robustos para soportar el aire turbulento de la capa límite.
Del mismo modo, aunque los efectos que mejoran el rendimiento, como la sustentación soplada, permiten superficies de control más pequeñas, también deben tenerse en cuenta las redundancias necesarias para garantizar la seguridad si fallan componentes del sistema DEP.
Estas consideraciones ofrecen un contrapeso físico y financiero a los requisitos operativos reducidos analizados en la sección anterior.
Escalabilidad y requisitos de potencia
Al igual que con otros conceptos de aeronaves eléctricas, la escalabilidad se convierte en un problema, ya que las fuentes de alimentación eléctrica aún no se acercan a los combustibles tradicionales en términos de densidad energética. Incluso las baterías más densas en energía [9] solo alcanzan una fracción (7 %) de la densidad energética del combustible de aviación.
Los sistemas híbridos como los conceptos TeDP analizados anteriormente pueden ayudar a reducir esta brecha, pero presentan desafíos adicionales y complejos (sin mencionar que también consumen combustible). Del mismo modo, los sistemas criogénicos pueden proporcionar mayor potencia, pero son pesados y, en general, menos eficientes por kilogramo.
Aunque el vuelo eléctrico DEP puede ser posible a menor escala, tanto en términos de tamaño de la aeronave como de distancia del trayecto, los vuelos de larga distancia en aeronaves de tamaño comercial aún no son viables.
5. Aeronaves destacadas con propulsión eléctrica distribuida
A continuación se presenta una lista de conceptos de aeronaves con propulsión eléctrica distribuida que han alcanzado una etapa de desarrollo bastante avanzada y han volado con éxito una aeronave de tamaño completo o un modelo a escala reducida.
Electra EL-2 Goldfinch
El EL-2 Goldfinch de Electra es un demostrador eSTOL (despegue y aterrizaje eléctrico de corta distancia) que utiliza propulsión eléctrica distribuida y un sistema de propulsión híbrido-eléctrico. La aeronave cuenta con ocho motores eléctricos y una arquitectura de sustentación soplada para aumentar la sustentación del ala y permitir un rendimiento STOL. El 20 de noviembre de 2023, el EL-2 Goldfinch completó su primer vuelo tripulado con el piloto Cody Allee.
Figura 8: El EL-2 Goldfinch durante un vuelo de prueba el 20 de noviembre de 2023 (Fuente)
Airbus Eco-pulse
El EcoPulse es un demostrador híbrido turboeléctrico desarrollado por Airbus, Daher y Safran. La aeronave cuenta con seis propulsores eléctricos montados en el ala, alimentados por un turbogenerador de Safran y construidos sobre una estructura modificada del Daher TBM 900. El EcoPulse completó con éxito su primer vuelo el 29 de noviembre de 2023 en Tarbes, Francia. Tras 50 vuelos de prueba y 100 horas de vuelo, el proyecto concluyó en diciembre de 2024, y se espera que sus principales hallazgos influyan en futuros desarrollos de DEP.
Figura 9: Presentación del Airbus EcoPulse en el Salón Aeronáutico de París de 2019 (Fuente)
Taxi aéreo de 6.ª generación de Wisk
Wisk Areo, una filial de Boeing, hizo de la 6.ª generación un eVTOL con un sistema DEP de 12 hélices para lograr una sustentación vertical y un vuelo hacia adelante eficientes. Diseñado para operar de forma autónoma y con capacidad para cuatro pasajeros, aspira a mejorar la movilidad urbana con un mínimo de ruido. La aeronave ha realizado múltiples pruebas de vuelo y avanza hacia la certificación regulatoria y el despliegue comercial.
Figura 10: Wisk preparándose para iniciar las pruebas de vuelo (Fuente)
S4 de Joby Aviation
Toyota, un inversor clave de Joby, utilizó su experiencia en fabricación automotriz para apoyar el desarrollo del S4, un eVTOL con un sistema DEP de seis propulsores basculantes. En octubre de 2023, Joby comenzó vuelos de prueba tripulados, con cuatro pilotos realizando evaluaciones, incluidas pruebas de vuelo estacionario y transiciones al vuelo hacia adelante. Más recientemente, Joby ha comenzado la construcción de su primer vertipuerto en el Aeropuerto Internacional de Dubái, con planes para lanzar servicios de taxi aéreo a finales de 2025.
Figura 11: S4 en exhibición en la Cumbre Mundial de Gobiernos, Dubái (fuente)
Midnight de Archer
El Midnight es una aeronave eVTOL desarrollada por Archer Aviation, con un sistema DEP de 12 hélices: seis fijas para sustentación vertical y seis basculantes para la transición al vuelo hacia adelante. Este diseño mejora la seguridad mediante la redundancia y garantiza al mismo tiempo un funcionamiento silencioso, generando solo 45 decibelios en crucero. Archer completó más de 400 vuelos de prueba mientras avanza hacia la certificación de la FAA, con el objetivo de iniciar operaciones comerciales para 2025.
Figura 12: Midnight de Archer completando su vuelo de transición (fuente)
Valo de Vertical Aerospace
El Valo es el sucesor de producción del prototipo VX4 y cuenta con un sistema DEP de ocho hélices. Basándose en las pruebas de vuelo del VX4, el Valo incorpora un diseño más aerodinámico, una ubicación mejorada de las baterías y alas rediseñadas a partir de datos de pruebas y comentarios de aerolíneas. La aeronave puede transportar a cuatro pasajeros y tiene un alcance de hasta 100 millas. Vertical tiene como objetivo obtener la certificación en 2028 y cuenta con aproximadamente 1.500 pedidos anticipados de importantes aerolíneas como American Airlines y Japan Airlines.
Figura 13: Nueva aeronave eVTOL comercial Valo de Vertical Aerospace (fuente)
Alia eVTOL de BETA Technologies
El Alia A250 es una aeronave eVTOL para cinco pasajeros con una variante de despegue convencional conocida como CX300. Tiene una velocidad máxima de 153 nudos y un alcance de diseño de 250 millas náuticas. Helijet International, con sede en Vancouver, ha pedido cuatro unidades y tiene opciones para adquirir cuatro más. Se espera que el A250 reciba la certificación de tipo de la FAA en 2026.
Figura 14: Aeronave eVTOL Alia A250 de Beta Technologies (fuente)
Si hay otro concepto DEP que cree que deberíamos incluir en esta lista, háganoslo saber en los comentarios.
6. Cómo probar un sistema de propulsión eléctrica distribuida
Dada la complejidad de los sistemas de propulsión eléctrica distribuida, las pruebas son fundamentales para un desarrollo seguro. Pero ¿cómo se puede probar un sistema DEP?
En Tyto Robotics hemos desarrollado una plataforma para probar sistemas de propulsión eléctrica distribuida con hasta 8 conjuntos motopropulsores. Incluye el hardware, el software y los componentes electrónicos necesarios para medir simultáneamente el rendimiento de 8 motores y hélices.
Haga clic aquí para ver nuestra plataforma de pruebas DEP.
Figura 15: Plataforma de pruebas de propulsión eléctrica distribuida
El hardware y los componentes electrónicos utilizan una combinación de celdas de carga y sensores para medir el empuje, el par motor, las RPM, el voltaje, la corriente, la temperatura y la potencia de su sistema de propulsión.
Estas mediciones se utilizan para calcular la eficiencia del motor y del ESC, la eficiencia de la hélice y la eficiencia general, ya sea para conjuntos motopropulsores individuales o para hasta ocho conjuntos combinados.
El software de pruebas permite programar pruebas de forma manual, automática o mediante nuestra API de Python. También ofrecemos una función de reproducción de vuelos que permite cargar datos del controlador de vuelo en el software y utilizar los puntos de aceleración como plantilla para la prueba.
Figura 16: Interfaz gráfica del software de pruebas de propulsión eléctrica distribuida
Cada conjunto motopropulsor puede asignarse y nombrarse para facilitar el seguimiento de los datos. Con gráficos en tiempo real que muestran los datos entrantes, puede determinar rápidamente qué propulsores son más o menos eficientes que los demás.
¿Y si necesita probar 8 conjuntos motopropulsores simultáneamente? Envíenos un mensaje y veremos cómo podemos ayudarle.
Referencias
[1] H. Kim, A. Perry, P. Ansell, "A Review of Distributed Electric Propulsion Concepts for Air Vehicle Technology", 2018 AIAA Propulsion and Energy Forum. https://www1.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/2018EATS-Review-of-DEP-Hyun-D.-6.2018-4998.pdf
[2] NASA Glenn Research Center, "Boundary Layer Ingestion Propulsion". Accedido el 10 de julio de 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/bli/
[3] K. Pieper, A. Perry, P. Ansell and T. Bretl, "Design and Development of a Dynamically, Scaled Distributed Electric Propulsion Aircraft Testbed," 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS), Cincinnati, OH, USA, 2018, pp. 1-2. https://ieeexplore.ieee.org/document/8552755
[4] Miranda, L. R., and Brennan, J. E., “Aerodynamic Effects of Wingtip-Mounted Propellers and Turbines,” AIAA Paper 86-1802, junio de 1986. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1986-1802
[5] NASA Glenn Research Center, "N3X". Accedido el 10 de julio de 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/airplane-concepts/n3x/
[6] "NASA N3-X with Turboelectric Distributed Propulsion", Fundamental Aeronautics Program Fixed Wing Project. James L. Felder. NASA Glenn Research Center Cleveland, Ohio. Accedido el 10 de julio de 2024. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150002081/downloads/20150002081.pdf
[7] Noisy neighbours: Do electric aircraft reduce airport noise pollution? por Paul Parker y Gabriel Song. Enero de 2024. https://uwaterloo.ca/sustainable-aeronautics/blog/noisy-neighbours-do-electric-aircraft-reduce-airport-noise
[8] Qin, Jiachen and Zhou, Zhou and Yang, Guowei and Shao, Zhuang and Zong, Jia, "Aero-Propulsive Coupling Modeling and Dynamic Stability Analysis of Distributed Electric Propulsion Tandem-Wing Uav with Rapid Ascent Capability", abril de 2024. https://ssrn.com/abstract=4783514
[9] Quan Li et al 2023 Chinese Phys. Lett. 40 048201 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/4/048201