Complejidades y oportunidades del diseño de eVTOL

Los aviones eléctricos de despegue y aterrizaje verticales (eVTOL) representan un avance prometedor en la movilidad aérea urbana, ya que ofrecen soluciones a la congestión y las ineficiencias del transporte. Sin embargo, su desarrollo presenta importantes desafíos de ingeniería.

Estos desafíos incluyen el diseño de sistemas de propulsión eficientes, la garantía de la fiabilidad y longevidad de las baterías, la gestión de las limitaciones de peso manteniendo la integridad estructural y la reducción del ruido en entornos urbanos. Además, la integración de aviónica avanzada para la operación autónoma y la obtención de la aprobación regulatoria añaden niveles de complejidad.

Investigaremos las compensaciones que están haciendo las empresas para equilibrar su desempeño operativo con las limitaciones de diseño, centrándonos en tres áreas clave:

1. Requisitos operativos: ¿Qué se necesita para integrar los eVTOL en la movilidad urbana?
2. Arquitectura de aeronaves: ¿Cómo han buscado los operadores resolver los requisitos operativos a través del diseño de sus aeronaves?
3. Fuerzas del cambio: ¿Qué factores externos pueden influir en la forma en que los fabricantes de equipos originales y los operadores abordan el diseño de eVTOL?

Requisitos operativos

Consideraciones sobre la estrategia operativa

Equilibrar la autonomía y la carga útil es un desafío crítico para los diseñadores de vehículos, especialmente para los eVTOL, donde la inmadurez tecnológica exacerba esta disyuntiva. Aumentar la capacidad de carga útil generalmente requiere una aeronave más grande y más pesada, lo que demanda más energía para lograr la misma autonomía. Por el contrario, ampliar la autonomía a menudo significa reducir la carga útil para conservar energía.

Los diseñadores deben optimizar este equilibrio para cumplir con requisitos operativos específicos. Los taxis aéreos urbanos pueden priorizar cargas útiles más elevadas para viajes cortos, mientras que los eVTOL interurbanos pueden centrarse en ampliar la autonomía a expensas de transportar menos pasajeros o cargas más ligeras.

Las estrategias operativas desempeñan un papel importante a la hora de equilibrar el alcance y la carga útil. Por ejemplo, los operadores de eVTOL pueden implementar límites de carga útil flexibles en función del alcance requerido para misiones específicas. La optimización de las rutas y los horarios de vuelo puede maximizar la eficiencia, garantizando que los eVTOL funcionen dentro de sus límites de rendimiento óptimos.

Consideraciones sobre la batería y la carga

La carga rápida es crucial para los eVTOL, ya que permite a los operadores maximizar el tiempo de funcionamiento del vehículo y la generación de ingresos. Las estimaciones de la industria sugieren que 95% de carga de eVTOL serán de carga rápida, en comparación con solo 10% para automóviles eléctricos, para mantener horarios ajustados y atender de manera efectiva el mercado de taxis de corta distancia.

La piedra angular de la carga rápida para eVTOL reside en la tecnología avanzada de baterías.

Estas baterías deben soportar entradas de alta potencia sin degradarse. Si bien las baterías de iones de litio son actualmente la opción más común, sus limitaciones en cuanto a velocidad de carga y gestión térmica plantean desafíos importantes. Las baterías de estado sólido, que ofrecen mayores densidades de energía y mejor estabilidad térmica, se están investigando como posibles alternativas.

Las áreas urbanas, donde se espera que los eVTOL operen con frecuencia, requieren estaciones de carga ubicadas estratégicamente capaces de suministrar altos niveles de potencia, a menudo varios cientos de kilovatios, para recargar rápidamente las baterías de los eVTOL. Este desafío de infraestructura es inmenso y requiere una inversión sustancial en mejoras de la red y la integración de energía renovable para respaldar una carga sostenible y confiable.

Al igual que los aviones convencionales, los eVTOL alcanzan su máxima potencia durante el despegue y el aterrizaje, lo que requiere sistemas de propulsión y baterías que puedan hacer frente a estas demandas sin sobrecalentarse ni sufrir un desgaste rápido. Los eVTOL tendrán tiempos de crucero cortos, lo que dará lugar a ciclos térmicos y de potencia frecuentes e intensos. El diseño de sistemas que puedan ofrecer esta máxima potencia y al mismo tiempo gestionar el calor es un importante desafío de ingeniería.

La potencia de crucero, la potencia sostenida necesaria para el vuelo nivelado a una velocidad y altitud constantes, es significativamente inferior a la potencia máxima, pero debe ser muy eficiente para maximizar el alcance y la resistencia del eVTOL. La gestión eficiente de la potencia de crucero implica optimizar la aerodinámica, incluido el diseño de alas y rotores, para reducir la resistencia y mejorar las relaciones sustentación-resistencia. Los diseñadores deben asegurarse de que los sistemas de propulsión y las baterías soporten cargas máximas sin comprometer la eficiencia a largo plazo y la vida útil de la batería.

Consideraciones sobre el ruido y la normativa

A medida que avanza la tecnología eVTOL, también deben abordarse los obstáculos regulatorios. Dada la naturaleza urbana de las operaciones eVTOL, el ruido será una preocupación crítica. La Agencia Europea de Seguridad Aérea (AESA) ha tomado la iniciativa en la creación de estándares de ruido para eVTOL.

La movilidad aérea urbana requerirá la creación de corredores aéreos y vertipuertos específicos, con el objetivo de minimizar el impacto en las áreas circundantes. Así como los aeropuertos del centro de la ciudad enfrentan estrictas restricciones de ruido, los eVTOL deberán cumplir con los marcos regulatorios, lo que podría dar lugar a rutas de vuelo menos óptimas y limitaciones operativas durante ciertas horas.

Las tecnologías de reducción de ruido, como diseños avanzados de rotores, materiales que inhiben el sonido y sistemas de cancelación activa del ruido, serán esenciales. La integración de estas tecnologías en los diseños de eVTOL será necesaria para cumplir con los estándares regulatorios y garantizar la aceptación de la comunidad.

Arquitectura aeronáutica

Se analizan tres direcciones de diseño que representan los diseños arquitectónicos más comunes de los fabricantes de equipos originales. Debido a la variedad de aplicaciones que los fabricantes de AAM intentan abordar, existen direcciones de diseño casi infinitas que se pueden explorar. Dado que se trata de un área nueva para los diseños, aún no se ha producido una convergencia de diseño, lo que ocurre a menudo.

Anexo 1. Direcciones de diseño de varios fabricantes de equipos originales

Multicóptero

Los fabricantes de equipos originales, como Volocopter y EHang, utilizan diseños multicópteros, caracterizados por múltiples rotores que proporcionan sustentación vertical. La configuración típica de rotores emplea cuatro o más rotores, dispuestos simétricamente alrededor de la estructura del avión, lo que mejora la estabilidad y el control. Esta configuración garantiza que la pérdida de un rotor no afecte gravemente a la estabilidad del vuelo, lo que proporciona redundancia y seguridad esenciales.

Las capacidades de los VTOL hacen que los diseños de multicópteros sean adecuados para servicios de taxi aéreo urbano y transporte médico de emergencia, ofreciendo viajes rápidos de punto a punto. La mayoría de los eVTOL multicópteros actuales están diseñados para misiones urbanas de corto alcance, que suelen cubrir distancias de 32 a 80 kilómetros por carga. Este alcance es adecuado para viajes dentro de la ciudad, pero limita las operaciones entre ciudades.

La capacidad de mantenerse en el aire y realizar maniobras verticales precisas es una ventaja clave que permite operaciones en áreas a las que los aviones tradicionales no pueden acceder. Los diseños actuales utilizan muchos rotores más pequeños, lo que mejora la maniobrabilidad a expensas de la complejidad.

Ascensor más crucero

Eve y Archer utilizan un diseño más complejo que combina capacidades de sustentación y crucero hacia adelante. Estas aeronaves suelen contar con sistemas de propulsión separados para la sustentación vertical y el crucero horizontal, lo que optimiza el rendimiento en cada fase del vuelo.

La sustentación vertical se consigue normalmente con varios rotores, de forma similar a los multicópteros, que proporcionan estabilidad y control durante el despegue y el aterrizaje. Una vez en el aire, las hélices de empuje delantero o las alas fijas se encargan de realizar un vuelo horizontal eficiente.

Las estrategias operativas de los eVTOL de sustentación más crucero se centran en maximizar la eficiencia y la flexibilidad. Estas aeronaves son adecuadas tanto para vuelos urbanos cortos como para vuelos regionales más largos, y ofrecen una gama más amplia de aplicaciones en comparación con los multicópteros. La capacidad de cambiar entre los modos de vuelo vertical y horizontal permite a los operadores optimizar las rutas y los perfiles de vuelo en función de los requisitos de la misión. Por ejemplo, durante los vuelos interurbanos más largos, la aeronave puede volar a altitudes y velocidades más altas, lo que ahorra energía y amplía el alcance.

Empuje vectorial

El diseño más complejo que ofrece la mayor variabilidad operativa es el de empuje vectorial. Supernal y Lilium son ejemplos de esta categoría. Este diseño innovador ofrece un enfoque versátil para la movilidad aérea urbana, combinando la eficiencia de las aeronaves de ala fija tradicionales con las capacidades de despegue y aterrizaje verticales de los helicópteros. Los eVTOL de empuje vectorial suelen contar con rotores inclinables o ventiladores canalizados que pueden pivotar entre orientaciones verticales y horizontales, optimizando el rendimiento en diferentes fases del vuelo.

Durante el despegue y el aterrizaje, los rotores o ventiladores se orientan verticalmente para proporcionar sustentación, de manera similar a un helicóptero. Una vez en el aire, estos sistemas de propulsión giran a una posición horizontal, lo que permite que la aeronave se desplace como un avión convencional. Este funcionamiento en modo dual mejora la eficiencia energética y amplía el alcance en comparación con los multicópteros y los diseños de sustentación más crucero.

A pesar de sus ventajas, los eVTOL de empuje vectorial enfrentan varias limitaciones. La complejidad de los sistemas de propulsión basculante agrega peso y requisitos de mantenimiento, lo que afecta la capacidad de carga útil general y los costos operativos.

Fuerzas del cambio

Aunque la dirección del diseño de los eVTOL puede llegar a converger, es probable que esta convergencia esté impulsada tanto por fuerzas externas como por nuevos materiales e innovaciones arquitectónicas de los ingenieros. Diversos factores, incluidas las condiciones ambientales, el desarrollo de infraestructura y las asociaciones estratégicas, desempeñan un papel importante en la evolución de los diseños de eVTOL.

Una tendencia notable es la firma de la mayoría de los Memorandos de Entendimiento (MOU) para eVTOL con ciudades de climas cálidos, como Dubái y Abu Dabi. Las altas temperaturas ambientales en estas regiones aceleran la degradación de las baterías, lo que requiere una carga más frecuente y reduce la autonomía operativa. Además, las temperaturas más altas aumentan la tensión en los sistemas de propulsión durante el despegue y el aterrizaje. Los motores deben funcionar a mayores RPM para generar la sustentación necesaria, lo que somete a más tensión a los componentes de la aeronave y potencialmente acorta su vida útil.

Los avances en materia de infraestructura son otro factor crítico para permitir la adopción de los eVTOL. A pesar de la inversión sustancial en el desarrollo de eVTOL, la financiación suele priorizar a los fabricantes de equipos originales por sobre la infraestructura de apoyo necesaria. Como resultado, las capacidades técnicas de los eVTOL pueden verse obstaculizadas por un entorno operativo inadecuado. Por ejemplo, si los suministros de energía son insuficientes o faltan instalaciones de carga, las capacidades operativas de los eVTOL podrían verse gravemente limitadas.

Las alianzas estratégicas desempeñan un papel crucial a la hora de dar forma al diseño y la dirección de los eVTOL, con colaboraciones entre fabricantes y firmas de ingeniería líderes, por ejemplo, Avincis y Airbus, que aportan conocimientos y recursos valiosos. Sin embargo, estas alianzas pueden influir en los fabricantes de equipos originales más pequeños para que alineen sus diseños con los objetivos más amplios de sus socios más grandes, en lugar de con su declaración de misión original/inicial. Además, los perfiles operativos dictados por los socios externos, como las aplicaciones militares frente a las comerciales, impulsan aún más las variaciones de diseño, lo que destaca la necesidad de soluciones personalizadas para satisfacer diversos casos de uso.

Además, es probable que los factores regulatorios y económicos definan el panorama de los eVTOL. Los organismos reguladores están desarrollando estándares y pautas para las operaciones de eVTOL, en particular en lo que respecta a la seguridad, la contaminación acústica y el impacto ambiental. El cumplimiento de estas regulaciones será crucial para el ingreso al mercado, pero puede requerir cambios o adaptaciones en el diseño. Las consideraciones económicas, como el costo de los materiales y tecnologías avanzados, también afectarán la viabilidad y la escalabilidad de los diferentes diseños de eVTOL.

Conclusión

A medida que la industria de los eVTOL siga evolucionando, será esencial equilibrar las influencias internas y externas para desarrollar soluciones de movilidad aérea urbana viables, eficientes y ampliamente aceptadas. Si bien es posible que veamos una convergencia de direcciones de diseño o mercados separados adecuados para diferentes diseños, la decisión final reflejará en última instancia una interacción compleja de innovación tecnológica, adaptación ambiental, apoyo de infraestructura, colaboración estratégica y cumplimiento normativo.

Fuentes

IEEE Spectrum. (2021). “Avances en la tecnología de baterías de estado sólido”.
Laboratorio Nacional de Energías Renovables (2021). “Optimización de la gestión energética para aeronaves eléctricas”.
Revista de ingeniería aeroespacial. (2020). “Materiales ligeros en el diseño aeroespacial”.
Noticias sobre movilidad aérea urbana. (2021). “Propulsión eléctrica distribuida y sus beneficios”.
Revista de almacenamiento de energía. (2020). “Gestión térmica en baterías de litio de alta potencia”.
Agencia Europea de Seguridad Aérea (AESA). (2022). “Especificaciones de certificación para niveles de ruido de eVTOL”.