Por Lauren Nagel
A propulsão elétrica distribuída (DEP) foi inventada para tentar melhorar a aeronave moderna: Como podemos aumentar a eficiência de uma aeronave? Melhorar a sua manobrabilidade? Reduzir as suas distâncias de descolagem e aterragem?
Os conceitos de DEP prometem reduzir o consumo de combustível ao mesmo tempo que melhoram o desempenho, uma perspetiva atraente numa altura em que estamos a trabalhar incansavelmente para tornar a aviação mais sustentável.
Neste artigo, abordamos como a DEP funciona, as suas vantagens e desvantagens, e as aeronaves DEP a ter em conta. Além disso, oferecemos uma solução para testar os sistemas DEP. Tudo incluído abaixo.
Índice
- O que é a propulsão elétrica distribuída (DEP)
- Como funciona a propulsão elétrica distribuída
- Quais são os benefícios da propulsão elétrica distribuída
- Quais são os desafios da propulsão elétrica distribuída
- Aeronaves notáveis de propulsão elétrica distribuída
- Como testar um sistema de propulsão elétrica distribuída
1. O que é a Propulsão Elétrica Distribuída (DEP)
A Propulsão Elétrica Distribuída (DEP) descreve um sistema de propulsão onde a geração de impulso é distribuída por 3 ou mais propulsores alimentados eletricamente. Em muitos conceitos de DEP, os propulsores elétricos (ventiladores ou hélices) estão distribuídos em paralelo ao longo de uma superfície aerodinâmica, como a asa de uma aeronave.
Os sistemas DEP podem ser totalmente elétricos, onde os motores elétricos são alimentados por baterias, ou híbridos, onde os motores elétricos são alimentados por um turbogerador.
Muitas organizações notáveis têm conceitos de DEP em desenvolvimento, incluindo gigantes como a NASA, que está a testar ativamente diferentes designs de DEP [1].
Não existe uma definição universalmente aceite de DEP neste momento, além da presença necessária de múltiplos propulsores elétricos.
Figura 1: Vertical Aerospace VX4 durante um teste de voo (fonte: Business Wire)
2. Como Funciona a Propulsão Elétrica Distribuída
A propulsão elétrica distribuída é um conceito em evolução e não existem duas aeronaves DEP iguais. Dito isto, a maioria das aeronaves DEP tende a enquadrar-se numa de duas categorias principais: a) aeronaves DEP totalmente elétricas, e b) aeronaves DEP turboelétricas híbridas.
1. Aeronaves DEP totalmente elétricas:
Numa aeronave DEP totalmente elétrica, uma bateria de alta densidade a bordo atua como a principal fonte de energia. As baterias alimentam vários motores elétricos, cada um conectado individualmente a um propulsor (um ventilador ou hélice). Os propulsores produzem o impulso necessário para a aeronave voar.
Figura 2: Layout de uma aeronave DEP totalmente elétrica
Exemplos de aeronaves DEP totalmente elétricas incluem o Vertical Aerospace VX4, S4 da Joby Aviation, e o Midnight da Archer.
2. Aeronaves DEP turboelétricas híbridas
Numa aeronave DEP turboelétrica híbrida, a fonte de energia é um motor de turbina a gás ligado a um gerador que converte a energia mecânica da turbina em energia elétrica. Esta energia elétrica é enviada para os motores elétricos distribuídos, que por sua vez fazem girar os propulsores, gerando o impulso necessário.
Figura 3: Layout de uma aeronave DEP turboelétrica híbrida
Exemplos de aeronaves DEP turboelétricas híbridas incluem o Electra Model EL-2 “Goldfinch”, e o Airbus EcoPulse.
A colocação destes componentes é cuidadosamente considerada nas aeronaves DEP, uma vez que as fontes de energia, os propulsores e as superfícies aerodinâmicas trabalham todos juntos para alcançar o desempenho ideal.
3. Tecnologias emergentes na DEP
Existem várias tecnologias emergentes que estão a ser exploradas para aeronaves DEP. A ZeroAvia está a desenvolver motores hidrogénio-elétricos que utilizam células de combustível de hidrogénio para gerar eletricidade, que por sua vez alimenta motores elétricos. Estas células de combustível produzem apenas água como subproduto.
Os avanços na química das baterias também desempenham um papel crucial no progresso da DEP. As baterias de estado sólido prometem densidades de energia de 400 a 500 Wh/kg, em comparação com as células de iões de lítio atuais de 150 a 200 Wh/kg. Para além da maior densidade de energia das baterias de estado sólido, elas são mais seguras, pois não são inflamáveis como as baterias com eletrólito líquido.
No entanto, o maior desafio para as baterias de estado sólido é a vida útil em ciclos. A vida útil em ciclos de uma bateria refere-se ao número de ciclos de carga e descarga que ela pode completar antes de perder desempenho. A Lyten demonstrou recentemente uma bateria de estado sólido de lítio-enxofre a alimentar um UAV impresso em 3D que voou a velocidades de até 86 mph durante mais de três horas.
Figura 4: Baterias de lítio-enxofre da Lyten utilizadas num UAV impresso em 3D (fonte)
Embora estas tecnologias ainda estejam em fase inicial de desenvolvimento, elas mostram como fontes de energia alternativas poderiam estender o alcance e as capacidades das aeronaves DEP para além do que os sistemas atuais conseguem alcançar.
Nas secções seguintes, discutimos estes componentes em mais detalhe, juntamente com os benefícios e desafios que oferecem.
3. Benefícios da Propulsão Elétrica Distribuída
Existem vários benefícios potenciais associados a um sistema de propulsão elétrica distribuída:
Acoplamento aero-propulsivo
A integração dos propulsores nas superfícies geradoras de sustentação da aeronave, como a borda de ataque da asa, leva a um efeito de acoplamento aero-propulsivo, que pode ser descrito como a interação concertada entre forças aerodinâmicas e propulsivas. Isto manifesta-se de algumas formas diferentes:
Ingestão da camada limite (BLI) é um exemplo deste conceito, onde os propulsores ingerem o ar que se move mais lentamente da camada limite ao longo da superfície da aeronave. É necessária menos energia para acelerar este ar e isso pode reduzir a quantidade total de arrasto produzida ao longo dessa superfície, pelo que a eficiência do combustível pode ser aumentada em até 8,5% [2].
O conceito E-Thrust concebido pelo grupo EADS (Airbus, Astrium, Cassidian e Eurocopterby) em colaboração com a Rolls Royce, foi concebido para ingerir o ar da camada limite através de propulsores situados na borda de fuga da asa.
A ressalva é que o ar da camada limite é muito mais distorcido do que o ar do fluxo livre, pelo que são necessários propulsores ou ventiladores mais potentes para o processar.
Figura 5: Conceito DEP E-Thrust da Airbus utilizando ingestão da camada limite (fonte)
Preenchimento do rasto, um termo mais abrangente para estratégias destinadas a reduzir o arrasto causado pelo rasto de uma aeronave, a região de ar perturbado atrás da aeronave. Nas aeronaves DEP, a colocação estratégica dos propulsores pode contribuir para o preenchimento do rasto. Por exemplo, os propulsores podem ser colocados perto da parte traseira da aeronave para reenergizar o fluxo de ar à medida que passa ao longo da fuselagem.
Redirecionamento dos vórtices de ponta de asa é outro conceito de acoplamento aero-propulsivo que tem sido estudado [3]. O sistema faz uso de unidades de propulsão montadas nas pontas das asas, onde redirecionam os vórtices para melhorar a propulsão e reduzir o arrasto.
Aeronave controlada por propulsão (PCA)
Uma aeronave controlada por propulsão (PCA) é uma aeronave cujos movimentos, (arfagem, rolamento e guinada), são controlados por ajustes nos propulsores, em vez de superfícies de controlo tradicionais. Ao contrário dos jatos e foguetes que utilizam vetorização de impulso, a PCA normalmente depende apenas de ajustes no nível de saída de impulso, em vez de alterações à forma real do sistema de exaustão de impulso.
As aeronaves alimentadas por DEP são fortes candidatas para manobras controladas por propulsão, uma vez que o impulso de cada propulsor pode ser ajustado independentemente. Isto pode potencialmente levar a um aumento da eficiência do combustível, uma vez que o impulso de cada propulsor pode ser afinado para satisfazer as necessidades de energia da aeronave.
Na maioria das aeronaves controladas por propulsão, a manobra alimentada por propulsão é normalmente uma redundância que coexiste com superfícies de controlo tradicionais. No entanto, as aeronaves DEP podem oferecer o primeiro exemplo onde isto não é o caso, permitindo a redução do tamanho das superfícies de controlo tradicionais e do peso total da aeronave.
Um exemplo é o modelo em escala reduzida de 21% de uma Cirrus SR22T desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Aeroespacial da Universidade de Illinois, que é modificado para controlo baseado em propulsão através de 8 ventiladores de duto [3].
Figura 6: A aeronave RC Cirrus SR22T controlada por propulsão elétrica distribuída da Universidade de Illinois da Universidade de Illinois
Taxa de bypass
Na propulsão de aeronaves, taxas de bypass elevadas são desejáveis, uma vez que oferecem maior eficiência propulsiva e menor ruído. Num motor de turbina a gás padrão, a taxa de bypass é uma medida da massa de ar no fluxo de bypass em relação à massa de ar que entra no núcleo do motor.
Também podemos considerar a “taxa de bypass efetiva” [1] ao discutir certos tipos de sistemas DEP, que é uma medida da massa de ar que entra na turbina e nospropulsores em relação à massa de ar que entra no núcleo do motor a turbina. Este princípio está presente no conceito de aeronave de propulsão distribuída turboelétrica (TeDP) N3-X da NASA [4], onde turbogeradores montados nas pontas das asas alimentam motores conectados a ventiladores montados no corpo da aeronave (figura 6). O conceito tem uma taxa de bypass efetiva na faixa de 29-36:1 [5] com uma redução estimada de consumo de combustível de 70% [6].
Figura 7: Conceito de propulsão distribuída turboelétrica (TeDP) N3X da NASA
Os benefícios práticos das melhorias acima incluem:
Custo operacional reduzido
Dois fatores principais contribuem para o potencial de custos operacionais reduzidos:
- Custos de combustível mais baixos: os benefícios propulsivos e aerodinâmicos descritos nos parágrafos anteriores contribuem para o aumento da eficiência geral do sistema, levando a um consumo de combustível reduzido e menores emissões.
- Custos de fabrico e reparação reduzidos: Fabricar vários componentes menores, como pequenos motores elétricos e hélices, pode ser menos dispendioso do que fabricar menos unidades grandes que produzam uma quantidade igual de energia e impulso. Igualmente, esses componentes são mais baratos de substituir quando falham.
Ruído reduzido
Em geral, os sistemas de propulsão elétrica produzem menos ruído do que os sistemas equivalentes a combustível, como demonstrado por múltiplos estudos. Um desses estudos conduzido pela Universidade de Waterloo observou uma redução de 30 dB no ruído de aeronaves de treino alimentadas por motores elétricos em comparação com os seus equivalentes tradicionais a combustível [7].
Combinado com a redução de ruído oferecida pela alta taxa de bypass do sistema, as aeronaves alimentadas por DEP devem produzir significativamente menos ruído do que outros estilos de aeronaves com desempenho semelhante.
Desempenho de descolagem e aterragem melhorado
Os efeitos de acoplamento aero-propulsivo descritos acima podem produzir um efeito de sustentação soprada, resultando num coeficiente de sustentação efetivo relativamente mais alto, especialmente em baixas velocidades. Este aumento de sustentação em baixas velocidades pode reduzir significativamente as distâncias de descolagem e aterragem da aeronave, oferecendo o equivalente ao desempenho de descolagem e aterragem curtos (STOL) [8].
Como bónus adicional, a manobrabilidade em baixa velocidade também é melhorada.
Redundância e segurança aumentadas
Os sistemas DEP incorporam redundância em múltiplos níveis, o que melhora a segurança geral da aeronave. Como mencionado, os propulsores DEP podem ser usados para manobrar a aeronave, oferecendo uma camada de redundância que pode ser útil se alguma das superfícies de controlo da aeronave estiver danificada.
Além disso, o grande número de propulsores significa que nenhuma unidade individual desempenha um papel singular na manutenção da aeronave no ar. Num sistema com 8 ou 16 propulsores, perder a energia de um ou mesmo de alguns não seria crítico para a missão. Por exemplo, o NASA N3X apresenta 16 propulsores, o EL-2 Goldfinch da Electra tem 8, e o Midnight da Archer está equipado com 12, garantindo a operação contínua mesmo em caso de falha parcial.
4. Desafios da Propulsão Elétrica Distribuída
Embora ofereça muitos benefícios potenciais, a propulsão elétrica distribuída também vem com o seu próprio conjunto de desafios:
Integração e complexidade
O uso de propulsão elétrica ou híbrida introduz complexidade adicional e desafios de integração.
Por exemplo, o calor gerado pelas baterias e eletrônicos armazenados a bordo deve ser gerido, e os sistemas de refrigeração adicionam tanto peso quanto complexidade à aeronave.
A distribuição segura de energia elétrica de alta tensão também é um desafio a ser abordado, levando em consideração o isolamento, a interferência eletromagnética (EMI) e o peso combinado de todos os componentes.
Redesenho de peças padrão
Embora os designs DEP ofereçam certas eficiências, algumas alterações de design são necessárias para alcançá-las.
Por exemplo, para beneficiar da ingestão da camada limite, devem ser concebidos e fabricados ventiladores/hélices mais robustos, de modo a suportar o ar turbulento da camada limite.
Da mesma forma, embora os efeitos que melhoram o desempenho, como a sustentação induzida pelo fluxo de ar, permitam superfícies de controlo menores, também é necessário considerar que redundâncias são exigidas para garantir a segurança caso ocorram falhas em componentes do sistema DEP.
Estas considerações oferecem um contrapeso físico e financeiro aos requisitos operacionais reduzidos discutidos na secção anterior.
Escalabilidade e requisitos de potência
Tal como acontece com outros conceitos de aeronaves elétricas, a escalabilidade torna-se um problema, uma vez que as fontes de energia elétrica ainda não se aproximam dos combustíveis tradicionais em termos de densidade energética. Mesmo as baterias com maior densidade energética [9] atingem apenas uma fração (7%) da densidade energética do combustível de avião.
Sistemas híbridos, como os conceitos TeDP discutidos acima, podem ajudar a colmatar esta lacuna, mas esses sistemas apresentam desafios adicionais e complexos (sem mencionar que também consomem combustível). Da mesma forma, os sistemas criogénicos podem fornecer potências mais elevadas, mas são pesados e, no geral, menos eficientes por quilograma.
Embora o voo alimentado por DEP possa ser possível numa escala menor, tanto em termos de tamanho da aeronave como de duração do voo, os voos de longa distância em aeronaves de porte comercial continuam a ser inviáveis.
5. Aeronaves Notáveis com Propulsão Elétrica Distribuída
Abaixo encontra-se uma lista de conceitos de aeronaves com propulsão elétrica distribuída que atingiram um estágio de desenvolvimento bastante avançado, tendo voado com sucesso uma aeronave de tamanho real ou um modelo em escala reduzida.
Electra EL-2 Goldfinch
O EL-2 Goldfinch da Electra é um demonstrador eSTOL (descolagem e aterragem elétricas curtas) que utiliza propulsão elétrica distribuída e um sistema de propulsão híbrido-elétrico. A aeronave possui oito motores elétricos e uma arquitetura de sustentação induzida pelo fluxo de ar para aumentar a sustentação da asa e permitir o desempenho STOL. Em 20 de novembro de 2023, o EL-2 Goldfinch completou o seu primeiro voo tripulado com o piloto Cody Allee.
Figura 8: O EL-2 Goldfinch durante um voo de teste em 20 de novembro de 2023 (Fonte)
Airbus Eco-pulse
O EcoPulse é um demonstrador híbrido turboelétrico desenvolvido pela Airbus, Daher e pela Safran. A aeronave possui seis propulsores elétricos montados nas asas, alimentados por um turbogerador da Safran e construídos sobre uma estrutura modificada do Daher TBM 900. O EcoPulse completou com sucesso o seu primeiro voo em 29 de novembro de 2023, em Tarbes, França. Após 50 voos de teste e 100 horas de voo, o projeto foi concluído em dezembro de 2024, prevendo-se que as principais conclusões influenciem futuros desenvolvimentos de DEP.
Figura 9: Apresentação do Airbus EcoPulse no Salão Aeronáutico de Paris de 2019 (Fonte)
Táxi Aéreo de 6.ª Geração da Wisk
A Wisk Areo, uma subsidiária da Boeing, tornou a 6.ª Geração um eVTOL com um sistema DEP com 12 hélices para sustentação vertical e voo para a frente eficientes. Concebido para operação autónoma com capacidade para quatro passageiros, visa melhorar a mobilidade urbana com o mínimo de ruído. A aeronave realizou vários testes de voo, avançando para a certificação regulamentar e implantação comercial.
Figura 10: Wisk a preparar-se para iniciar os testes de voo (Fonte)
S4 da Joby Aviation
AToyota, um investidor-chave da Joby, utilizou a sua experiência em fabrico automóvel para apoiar o desenvolvimento do S4, um eVTOL com um sistema DEP com seis propulsores inclináveis. Em outubro de 2023, a Joby iniciou voos de teste tripulados, com quatro pilotos a realizarem avaliações, incluindo pairar e transições para voo para a frente. Mais recentemente, a Joby começou a construir o seu primeiro vertiporto no Aeroporto Internacional de Dubai, com planos para lançar serviços de táxi aéreo até ao final de 2025.
Figura 11: S4 em exibição na Cimeira Mundial dos Governos, Dubai (fonte)
Midnight da Archer
O Midnight é uma aeronave eVTOL desenvolvida pela Archer Aviation, com um sistema DEP com 12 hélices — seis fixas para sustentação vertical e seis inclináveis para a transição para voo para a frente. Este design aumenta a segurança através da redundância, ao mesmo tempo que garante um funcionamento silencioso, gerando apenas 45 decibéis em cruzeiro. A Archer completou mais de 400 voos de teste à medida que avança para a certificação da FAA, visando operações comerciais até 2025.
Figura 12: Midnight da Archer a completar o seu voo de transição (fonte)
Valo da Vertical Aerospace
O Valo é o sucessor de produção do protótipo VX4, com um sistema DEP com oito hélices. Com base nos testes de voo do VX4, o Valo incorpora um design mais aerodinâmico, posicionamento de bateria melhorado e asas redesenhadas com base em dados de teste e feedback de companhias aéreas. A aeronave pode transportar quatro passageiros com um alcance de até 100 milhas. A Vertical visa a certificação em 2028, com aproximadamente 1.500 pré-encomendas de grandes companhias aéreas, como a American Airlines e a Japan Airlines.
Figura 13: Nova aeronave eVTOL comercial Valo da Vertical Aerospace (fonte)
Alia eVTOL da BETA Technologies
O Alia A250 é uma aeronave eVTOL para cinco passageiros com uma variante de descolagem convencional conhecida como CX300. Tem uma velocidade máxima de 153 nós e um alcance concebido de 250 milhas náuticas. A Helijet International, sediada em Vancouver, encomendou quatro unidades com opções para mais quatro. Espera-se que o A250 receba a certificação de tipo da FAA em 2026.
Figura 14: Aeronave eVTOL Alia A250 da Beta Technologies (fonte)
Se houver outro conceito DEP que considere que devíamos incluir nesta lista, deixe-nos saber nos comentários.
6. Como Testar um Sistema de Propulsão Elétrica Distribuída
Com a complexidade dos sistemas de propulsão elétrica distribuída, os testes são essenciais para um desenvolvimento seguro. Mas como pode testar um sistema DEP?
Nós, na Tyto Robotics, desenvolvemos uma plataforma para testar sistemas de propulsão elétrica distribuída com até 8 conjuntos de propulsão. Inclui o hardware, software e eletrónica necessários para medir o desempenho de 8 motores e hélices simultaneamente.
Clique aqui para ver a nossa plataforma de testes DEP.
Figura 15: Plataforma de testes de propulsão elétrica distribuída
O hardware e a eletrónica utilizam uma combinação de células de carga e sensores para medir o impulso, o binário, as RPM, a tensão, a corrente, a temperatura e a potência do seu sistema de propulsão.
Estas medições são utilizadas para determinar a eficiência do motor e do ESC, a eficiência da hélice e a eficiência global, para conjuntos de propulsão individuais ou até oito conjuntos combinados.
O software de testes permite-lhe programar testes manualmente, automaticamente ou com a nossa API Python. Também oferecemos uma funcionalidade de reprodução de voo que permite carregar dados do controlador de voo no software, utilizando os seus pontos de aceleração como modelo para o teste.
Figura 16: Interface gráfica do software de testes de propulsão elétrica distribuída
Cada conjunto de propulsão pode ser mapeado e nomeado para que os dados sejam fáceis de rastrear. Com gráficos em tempo real que exibem os dados recebidos, pode determinar rapidamente quais os propulsores que são mais ou menos eficientes do que os outros.
E se precisar de testar 8 conjuntos de propulsão simultaneamente? Envie-nos uma mensagem e veremos como podemos ajudar.
Referências
[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". Acedido em 10 de julho 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, junho de 1986. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1986-1802
[5] NASA Glenn Research Center, "N3X". Acedido em 10 de julho 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. Acedido em 10 de julho 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 e Gabriel Song. Janeiro 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