¿Aviones revolucionarios y un futuro eléctrico?

El Lightning Strike de Aurora Flight Sciences utiliza 24 ventiladores con conductos, 18 en su ala basculante y seis en dos cañones delanteros basculantes. DARPA

David C Isby cubre algunos de los programas de investigación de vuelo que están llevando a cabo la NASA y otras agencias del Gobierno estadounidense sobre aviones y sistemas de energía revolucionarios

Mark Moore puede ver las múltiples revoluciones que se avecinan desde su oficina en el Centro de Investigación Langley de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de Estados Unidos, en Hampton, Virginia, donde la organización de la NASA lleva más de un siglo impulsando las fronteras del vuelo. En un simposio celebrado en Arlington, Virginia, el 6 de diciembre, afirmó que las revoluciones van a transformar el vuelo en al menos cuatro aspectos tecnológicos: la energía eléctrica distribuida (DEP), la fabricación aditiva, los sensores avanzados y la autonomía que incorpora una mayor capacidad de cálculo: "Van a cambiar a lo grande las capacidades fundamentales del sector aeroespacial en los próximos 20 o 30 años. Hay que aprovechar la ola, porque no hay más remedio".

Moore está entusiasmado por trabajar en lo que llama "la frontera loca del DEP aeroespacial", para la que la NASA ha estado desarrollando tecnologías avanzadas que pueden resultar transformadoras. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), sin embargo, está trabajando actualmente con la industria para empezar a volar prototipos de vehículos aéreos no tripulados (UAV) híbridos de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) con motor eléctrico en un futuro próximo. El Great Horned Owl UAV está siendo desarrollado por la Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), la versión de DARPA para la comunidad de inteligencia.

La primera fase del programa, que se inició en 2012, consiste en trabajar en una fuente de energía híbrida que genere silenciosamente energía eléctrica a partir de combustible de hidrocarburos líquidos.

Las ventajas potenciales de la energía eléctrica para las aeronaves, tanto tripuladas como no tripuladas, son ya ampliamente conocidas. Airbus y empresas chinas ya están llevando a cabo su desarrollo. En Eslovenia, el entrenador ligero Pipistrel WATTsUP, propulsado por un motor eléctrico Siemens de 85kW y 14kg (30kW) y un paquete de baterías de 17kWh de doble redundancia que puede sustituirse o cargarse rápidamente en menos de una hora, está listo para su producción. La razón por la que aviones como el WATTsUp no están actualmente en producción es porque la mejor tecnología de energía eléctrica disponible actualmente da la mitad de la relación potencia-peso de un motor de pistón de tamaño similar. Eso significa la mitad de carga útil y la mitad de autonomía. Sin embargo, las nuevas tecnologías -incluidos los efectos sinérgicos de múltiples avances- y las nuevas misiones, así como los objetivos emergentes, están cambiando la forma en que el mundo ve los aviones eléctricos.

¿Por qué eléctricos?

Los diferentes objetivos de la NASA, DARPA e IARPA les han llevado a invertir en energía eléctrica aeroespacial por diferentes razones y a invertir para cumplir con diferentes objetivos.

Para la NASA, la inversión en energía eléctrica pura, en lugar de híbrida, reducirá las emisiones de carbono y la cantidad de energía necesaria. La NASA aspira a una reducción de hasta el 500% para que un avión alcance una velocidad de crucero de 175 mph (280km/h), lo que permite una eficiencia de crucero de alta velocidad con una quinta parte del gasto energético.

La energía eléctrica elimina la penalización del mayor consumo de combustible para el crucero de alta velocidad que suponen los motores de turbina y de pistón. Otros objetivos de la NASA consisten en aumentar la eficiencia de la energía eléctrica de los aviones desde la actual eficiencia del motor-controlador-batería del 28% al 92%.

Los objetivos de DARPA para el programa VTOL X-Plane son utilizar la energía híbrida para crear una aeronave capaz de alcanzar de 300 a 400kts (555 a 740km/h), elevar su eficiencia en vuelo estacionario del 60% al 75%, aumentar el ratio de eficiencia en vuelo de crucero de cinco o seis toneladas (4.500-5.400kg) y lograr una carga útil del 40% de su peso total, que actualmente se estima entre cinco y seis toneladas.

El UAV VTOL Great Horned Owl de IARPA será ligero, con un peso de tan sólo 9 kg y utilizará energía eléctrica para reducir su firma acústica y aumentar el tiempo de permanencia para la vigilancia persistente.

La loca frontera

Como parte de su iniciativa New Aviation Horizons, cuyo objetivo es ampliar el uso rutinario de la energía eléctrica para el vuelo en la próxima década, la NASA tiene previsto hacer volar en 2017 su último avión experimental o X-plane, el Scalable Convergent Electric Propulsion Technology Operations Research (SCEPTOR).

Designado como X-57 y llamado Maxwell en honor al físico escocés James Clerk Maxwell, el X-57 es un avión Technam 2006T altamente modificado, un tipo que está en servicio en todo el mundo como entrenador bimotor ligero. Entre los muchos objetivos de la iniciativa New Aviation Horizons de la NASA, el X-57 proporcionará una línea de base para evaluar las diferencias de rendimiento que se obtienen al depender exclusivamente de la energía eléctrica sostenida por baterías.

La modificación del Technam 2006 a la configuración X-57 está siendo llevada a cabo por Joby Aviation, con sede en Santa Cruz, California. El trabajo de modificación incluye la sustitución de los motores de pistón originales del Technam, de 100 shp (75kW), por 14 motores DEP. Los 14 motores están montados en una versión del ala larga y delgada de tecnología de hélice asíncrona de borde de ataque que se probó por primera vez en tierra en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA, California, en 2015. Hay 12 en el borde de ataque para el despegue y el aterrizaje, y una en cada punta del ala para el crucero. Las hélices con la última tecnología de diseño y materiales que proporcionan un 12% más de eficiencia en crucero a alta velocidad es una de las razones de los diferentes motores.

El X-57 Maxwell es el primer avión X de la NASA que volará en más de una década en el marco de un programa de pruebas de vuelo de 15 millones de dólares y tres años de duración que se espera que comience en 2018. Al X-57 le seguirán otros cuatro tipos, cada uno de ellos con diferentes conceptos de energía eléctrica.

El motor eléctrico de 85kW de Siemens instalado en un avión Pipistrel WATTsUp.

En 2016, el programa VTOL X-Plane de DARPA adjudicó un contrato de fase 2 para el Aurora Flight Sciences Lightning Strike, una aeronave con 24 ventiladores en conducto, 18 en su ala basculante y seis en dos cañones delanteros basculantes. Lightning Strike funciona con tres generadores eléctricos de 1mW que, a su vez, se cargan con una única turbina de gas Rolls-Royce AE1107C de 150shp (111kW). La aeronave se basa en el diseño anterior del UAV Excalibur de Aurora para el ejército estadounidense, que utiliza energía híbrida para combinar la capacidad VTOL con el vuelo de alta velocidad. En abril de 2016 voló por primera vez una versión a escala de un quinto con propulsión eléctrica y se espera que la versión de tamaño completo vuele en 2018.

El UAV Excalibur de Aurora utiliza energía híbrida para combinar la capacidad VTOL con el vuelo de alta velocidad. Aurora Flight Sciences

El director del programa DARPA, el Dr. Ashish Bagai, dijo: "Este avión X VTOL no se producirá en serie en los próximos años, pero es importante por las capacidades futuras que podría permitir: imagina aviones eléctricos más silenciosos, con menor consumo de combustible y adaptables, y capaces de operar sin necesidad de pista. Queremos abrir espacios de diseño y misión totalmente nuevos, liberados de las limitaciones anteriores, y permitir nuevos sistemas y subsistemas de aviones VTOL".

Ventajas eléctricas

Los diseños de ala basculante ofrecen la posibilidad de una mayor eficiencia en los UAV VTOL, ya que proporcionan la elevación de las alas en lugar de los rotores como en un helicóptero. Moore dijo: "El helicóptero es una máquina voladora patética, terriblemente ineficiente. Tenemos la oportunidad de hacerlo mucho mejor con la nueva tecnología".

Así lo demostró con éxito el demostrador de UAV de ala basculante GL-10 (Greased Lightning) de la NASA, impulsado por diez motores eléctricos, ocho en el ala y dos en la cola, que voló por primera vez en 2015. En comparación con los vehículos aéreos no tripulados de ala rotatoria, el GL-10 ofrecía una ventaja del 400% en la eficiencia de crucero en términos de la relación entre elevación y resistencia.

El GL-10, al igual que los vehículos aéreos no tripulados de DARPA e IARPA, genera menos ruido y ofrece una mayor resistencia potencial, pero como una forma de evitar la física inherente a los motores de turbina o de pistón. Esto significa que el diseño puede reducirse al tamaño requerido por los vehículos aéreos no tripulados sin aceptar limitaciones significativas en la eficiencia, la potencia específica y la fiabilidad.

Aunque esto puede no importar mucho para algunos usos (los misiles de crucero de largo alcance sólo llevan una carga útil en un viaje de ida), aumentar la fiabilidad de los UAV que llevan costosas cargas útiles de sensores y comunicaciones es una inversión que merece la pena.

Aunque las bajas emisiones de carbono del X-57 interesan principalmente a los operadores civiles, su baja firma acústica es obviamente valiosa tanto para el uso civil -permitiendo operaciones urbanas actualmente limitadas por el ruido de los helicópteros- como para el militar.

El fabricante de aviones esloveno Pipistrel ha construido el avión biplaza WATTsUp, propulsado por un motor eléctrico Siemens de 85kW y un paquete de baterías de 17kWh www.pipistrel.si
La NASA Langley desarrolló el demostrador de UAV de ala inclinada GL-10 Greased Lightning, impulsado por diez motores eléctricos, ocho en el ala y dos en la cola. La aeronave voló por primera vez en 2015. NASA

El diseño del X-57 pretende reducir su firma acústica en 15dB en comparación con la configuración de referencia del Technam 2006T equipado con dos motores de pistón Rotax 912-S3.

Las temperaturas elevadas y las altas altitudes de despegue no limitarán el rendimiento del motor eléctrico como lo hacen los motores de turbina o de pistón: otra ventaja potencial para las aplicaciones civiles y militares. Sin embargo, a largo plazo, la mayor ventaja de la energía eléctrica para las aeronaves puede ser el potencial de ser más fiable y - especialmente si se adopta para un uso generalizado en el sector civil - más barato que la tecnología actual de motores.

Moore afirma que el Departamento de Defensa de EE.UU. podría lograr una increíble eficiencia de costes si se desarrolla una tecnología de energía eléctrica aeroespacial de doble uso.

Tecnologías sinérgicas

Uno de los factores más importantes para el futuro a largo plazo de la energía eléctrica aeroespacial es el crecimiento paralelo de las capacidades de vuelo autónomo. Las tecnologías de energía eléctrica y de vuelo autónomo producidas en serie y utilizables con éxito podrían significar que los coches autovoladores para el sector civil y los camiones voladores para el militar habrán dejado de ser ciencia ficción para convertirse en un objetivo alcanzable.

Moore dijo que los mercados de consumo están evolucionando y eso está empujando la autonomía hacia los mercados de masas y los volúmenes de producción.

Fueron cambios similares, no sólo en la tecnología, sino también en los mercados y las necesidades de los usuarios finales, los que hicieron evolucionar la tecnología de los aviones de última generación desde el Douglas DC-3 de 1939 hasta el Boeing 747 de 1969.

Aunque ha pasado mucho tiempo desde que los aviones de pasajeros -o los cazas- experimentaron un rápido cambio tecnológico, la energía eléctrica sigue siendo un área con potencial para un cambio revolucionario en el sector aeroespacial. En un futuro próximo, es probable que sean los vehículos aéreos no tripulados (UAV) de propulsión híbrida, con tareas militares específicas, los primeros en volar, pero el X-57 y sus aviones X posteriores demuestran que este cambio puede aplicarse también a las aeronaves tripuladas.

La NASA tiene previsto hacer volar el avión de investigación de operaciones de tecnología de propulsión eléctrica convergente escalable en 2017. El avión ha sido designado como X-57 Maxwell. NASA