El papel giratorio del Empenaje en aeronaves eléctricas y híbridas

El empenage, o montaje de cola, es un componente crítico de cualquier avión, responsable de la estabilidad longitudinal y direccional, así como el control de lanzamiento y sierra. A medida que la industria de la aviación transfiere hacia sistemas de propulsión eléctricos e híbridos, se está reexaminando el papel tradicional del empeine.

Funciones básicas del Empenaje

Antes de examinar consideraciones específicas de la electricidad, es esencial entender los roles aerodinámicos fundamentales que cumple el empennage. La cola de montaje proporciona estabilidad sobre los ejes laterales (pitch) y verticales (yaw) y alberga las superficies de control que permiten que el piloto o sistema de control de vuelo manioje el avión.

Estabilidad y control de Pitch

El estabilizador horizontal genera una fuerza aerodinámica descendente (o a veces hacia arriba) para contrarrestar el momento de lanzamiento de la nariz producido por el ascensor del ala. Esto asegura que el avión regrese a su ángulo de ataque trimado después de una perturbación. El ascensor, una superficie de asaceleración de asagüe en el estabilizador horizontal, proporciona control de la superficie. En las configuraciones de canard, la superficie horizontal delantera proporciona un principio de elevación y la pendiente

Estabilidad y control de dirección

El estabilizador vertical proporciona estabilidad en la cubierta meteorológica, manteniendo la nariz alineada con el viento relativo. El timón se afianza a los controles de estabilizador vertical y se utiliza para giros coordinados, aterrizajes en viento cruzado y escenarios de salida de motor. En aviones eléctricos de doble motor con motores montados en las alas, el empuje asimétrico de una falla motora impone un momento de desgastado.

Control de la integración de superficies

Los empeinetes modernos suelen incluir tablillas de trim, tablillas de servo o incluso la accionación totalmente voladora por cable. En aeronaves eléctricas, las exigencias de peso y potencia de los actuadores son críticas. Los actuadores de control de vuelo eléctrico (EMA o EHA) se están volviendo comunes, reemplazando sistemas hidráulicos más pesados. La integración de estos sistemas con el autobús de distribución de energía eléctrica del avión debe ser cuidadosamente diseñado para asegurar la redundancia y la tolerancia.

Desafíos únicos de diseño para los Powertrains eléctricos y híbridos

Los aviones eléctricos e híbridos introducen varios factores que influyen directamente en el diseño de empennage. Estos incluyen el centro de sobres de gravedad, el par alto de hélices de gran diámetro, sistemas eléctricos de alta tensión, y la necesidad de maximizar la eficiencia aerodinámica para compensar la menor densidad de energía de las baterías.

Center-of-Gravity (CG) Management

Los paquetes de batería son pesados, en forma tecnológica alrededor de 200-250 Wh/kg a nivel de paquete, en comparación con 12.000 Wh/kg para combustible de jet. En una configuración híbrida, el motor de combustión interna y el generador añaden peso. La colocación de las baterías se ve constreñida con frecuencia por la estructura de la base de aire y las consideraciones de seguridad (contención de fuego de la fuerza de la presión).

Efectos de Torque y P-Factor

Los motores eléctricos pueden producir pares completos instantáneos, y muchos aviones eléctricos utilizan hélices de gran diámetro y de giro lento para la eficiencia. Estas hélices generan un elevador significativo y asimétrico (factor P) en ángulos altos de ataque.Los momentos de rodamiento y de coser resultantes deben ser contrarrestados por las colas verticales y horizontales.

Sistemas de alta tensión e Interferencia Electromagnética

Los empennages pueden albergar componentes como motores montados a la cola, inversores o paquetes de baterías. Los cables de alta tensión enrutados a través de la cola pueden crear interferencia electromagnética (EMI) con señales de control de vuelo. El blindaje y la puesta en tierra se vuelven críticos. Además, la gestión térmica de estos componentes puede requerir conductos de refrigeración o intercambiadores de calor, que pueden interrumpir la forma aerodinámica limpia de las superficies de los fluidos iniciales.

Demandas de eficiencia aerodinámica

Los aviones accionados por baterías sufren de una penalización de rango comparado con los equivalentes a combustibles fósiles. Cada cuenta de arrastre importa. El empeine contribuye aproximadamente 10-15% de la arrastre total de aviones en crucero. Los diseñadores deben minimizar el área mojada, optimizar las formas de aerotransporte y considerar el control de flujo laminar. El uso de aerolíneas de flujo laminar natural en estabilizadores, a veces con succión activa, puede reducir la contaminación de la piel sensible.

Diseño aerodinámico y dimensionamiento del Empenaje

El tamaño de las colas horizontales y verticales se rige por los coeficientes de volumen de cola clásica, que relacionan el área de cola y el brazo de momento con las características aerodinámicas del ala. Para aeronaves eléctricas, estos coeficientes deben ser actualizados para tener en cuenta los derivados del momento de lanzamiento alterados y los efectos de potencia.

Coeficiente de volumen de cola horizontal

La fórmula básica es: VH hh [FLT]] [FLT] [4]]] [FLT]] [4]]

Coeficiente de volumen de la cola vertical

V[LT]: El control de la cola es de tipo vertical, y el control de la cola es de tipo vertical, y el sistema de control de la marcha es de tipo vertical, y el sistema de control de la marcha es de tipo vertical, y el sistema de control de la marcha es de tipo vertical.

Tail Airfoil Selección

Los aerosoles simétricos (por ejemplo, NACA 0012, 0015) son comunes para superficies de cola porque proporcionan un levantamiento cero en ángulo de ataque. Sin embargo, para aeronaves eléctricas centradas en la alta eficiencia de crucero, colas encaminadas que producen una pequeña descarga en crucero para compensar el peso de la nariz CG puede ser beneficioso. El arrastre es mayor en otras condiciones de vuelo.

Innovaciones estructurales y materiales

El empennage debe soportar cargas aerodinámicas, cargas dinámicas de ráfagas y maniobras, y cargas de manipulación de suelos potenciales (huelgas de cola). La construcción de peso ligero es primordial para los aviones eléctricos para maximizar la carga de pago y el alcance.

Composites y fabricación aditiva

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) dominan los empeinetes modernos de los aviones. Para los aviones eléctricos, la capacidad de unir o co-cure miembros estructurales con vías eléctricas integradas (por ejemplo, para des-icación, antenas) es ventajosa. Fabricación aditiva (3D impresión) de soportes y accesorios de aluminio permite piezas de alta definición de trabajo que pueden ser de 30-50% ligeros.

Supervisión de la salud estructural

Los sensores de fibra óptica embebidos o parches piezoeléctricos pueden monitorear la tensión y el daño en tiempo real. Para los aviones eléctricos con alta utilización (por ejemplo, movilidad urbana del aire), es importante predecir la vida de fatiga. La estructura de la cola puede diseñarse teniendo en cuenta la tolerancia del daño, utilizando múltiples vías de carga y paneles de acceso a la inspección.

Relámpago y seguridad eléctrica

Los aviones eléctricos deben cumplir con los requisitos de protección de relámpagos. El empeine es un punto de huelga probable. La malla conductora en estructuras compuestas, tiras de desvío de relámpagos y correas de unión se utilizan para llevar a cabo corrientes de forma segura. Además, las baterías y cables de alta tensión en la cola deben estar aislados de la estructura aérea para evitar el arcing.

Configuraciones innovadoras de Empenaje

El espacio de diseño para las colas de aviones eléctricos se está expandiendo más allá de las distribuciones convencionales. Se están explorando varias configuraciones novedosas para mejorar la eficiencia, reducir el ruido o integrar componentes de propulsión eléctrica.

V-Tails and Ruddervators

Un V-tail combina las funciones de los estabilizadores verticales y horizontales en dos superficies desgastadas, con ruddervators que proporcionan tanto el control de la lanza como el desierte. Esto reduce el área y el peso húmedos, y puede colocar los motores propulsivos lejos de la vela del ala. Pipistrel Velis Electro utiliza un V-tail, que también mezcla la complejidad y reduce el control

T-Tails and Empennage-Mounted Batteries

Un T-tail coloca el estabilizador horizontal en la parte superior de la aleta vertical. Esta configuración mueve la superficie horizontal fuera del lavabo del ala y las hélices, mejorando la respuesta del campo. También permite que el fuselaje de popa se utilice para el almacenamiento de batería. Varios conceptos de avion eléctrico emplean los T-tails para mantener la parte posterior del aerosol.

Diseños de Canard y Three-Surface

Las configuraciones de canard tienen una superficie horizontal y una superficie trasera (pequeña). En aviones eléctricos, las canards pueden permitir que las alas principales tengan una relación de aspecto más alta y una reducción de la arrastre inducida. La superficie trasera actúa como estabilizador y a veces como superficie de control. La Electra Aero] utiliza un sistema de elevación de 9 motores con una cola redundante

Ala y diseños sin cola

Algunos aviones eléctricos eliminan el empeine por completo, utilizando elevones y timones de alas para el control. La NASA X-57 Maxwell (propulsión distribuida) y varios diseños de drones siguen este enfoque. Las configuraciones implacables tienen el menor arrastre, pero requieren sistemas de aumento de estabilidad sofisticados (SAS) para mantener el control. Son sensibles a los cambios de CG, que son un desafío para las baterías de expansión sólidas.

Control de flujo activo en superficies de cola

Los investigadores están experimentando con actuadores de chorro sintético, soplando y succión en superficies de cola para mejorar la separación de ascensores y demoras a bajas velocidades. Para aeronaves eléctricas con energía eléctrica disponible, estos sistemas pueden reducir el tamaño y la resistencia de la cola requeridas. Un ejemplo notable es el proyecto de la Unión Europea AFFECT] que demostró el control de flujo activo en una cola vertical para reducir el tamaño del timón para reducir el tamaño de la eficiencia eléctrica.

Integración de sistemas y certificación

La elaboración del empenage para un avión eléctrico o híbrido no es solamente una tarea aerodinámica o estructural; implica una estrecha integración con los sistemas eléctricos, térmicos y de control de vuelo. La certificación bajo la Parte 23 o la Parte 25 (o equivalente para Europa, CS-23/25) requiere demostrar que la cola puede soportar todas las cargas y fallas previsibles.

Aceleración de la voladora por cable y la estabilidad

Muchos aviones eléctricos están siendo diseñados con sistemas de control completos de mosca por cable (FBW), incluyendo las superficies de empennage. Esto permite una estabilidad estática relajada (RSS) para reducir el tamaño y la resistencia de la cola. Los ordenadores de control de vuelo modulan las superficies miles de veces por segundo para mantener la estabilidad. Para la certificación, múltiples canales redundantes y software disimilar (por ejemplo, utilizando dos microcontroladores diferentes) se requiere un equipo primario.

Gestión térmica de componentes de alta frecuencia

Si los inversores o motores se alojan en el empeine, el calor de los residuos debe ser rechazado. Esto puede requerir fregaderos de calor montados en la superficie, entradas de aire de carnero o bucles de refrigeración líquido enrutados a través de la estructura. El impacto aerodinámico de estas características debe ser minimizado. Por ejemplo, un scoop en la aleta vertical para el aire enfriador puede añadir arrastre de presión.

Certificación de ruido

Los aviones eléctricos son generalmente más silenciosos, pero el empeine todavía puede contribuir al ruido, especialmente en la configuración de enfoque cuando los pilotos despliegan frenos de buceo montados a la cola o solapados. Además, la interacción de la hélice despierta con las superficies de cola puede producir ruido tonal. Los niveles de ruido inferiores son una ventaja para las operaciones cerca de zonas pobladas, por lo que los diseñadores buscan minimizar el ruido generado por el emperatamiento mediante una cuidadosaccionamiento y control de flujo.

Conclusión

Los soportes de seguridad de la NASA son un reto multidisciplinar que se basa en la aerodinámica clásica, incorporando nuevas tecnologías y limitaciones.El cambio en el centro de gravedad debido a la colocación de baterías, el alto par y el factor P de los motores eléctricos, y el impulso incesante para la eficiencia aerodinámica exigen soluciones innovadoras como el control de flujo activo, la estabilidad aumentada y las configuraciones de cola alternativas como el Vtail