Il futuro dell'aeromobile elettrico: gestione del trascinamento e del sollevamento per una gamma estesa ed efficienza

La transizione alla propulsione elettrica in aviazione promette di ridurre le emissioni di carbonio, ridurre i costi operativi e consentire nuove configurazioni di aeromobili. Tuttavia, la limitata densità energetica della batteria attuale pone un soffitto duro sulla gamma di volo e la resistenza. Per superare questo vincolo, gli ingegneri devono superare ogni possibile guadagno di efficienza dal telaio dell'aria, e nessun fattore è più critico rispetto all'attenta gestione di trascinamento e sollevamento.

La sfida aerodinamica per l'aeromobile elettrico

L'aereo convenzionale brucia il carburante che diventa più leggero mentre il volo progredisce, riducendo il carico dell'ala e migliorando l'efficienza. L'aereo elettrico, al contrario, trasporta batterie il cui peso rimane costante durante tutta la missione. Questo peso fisso richiede una struttura che genera un sollevamento sufficiente in tutte le fasi del volo senza creare un eccessivo trascinamento. Inoltre, i motori elettrici e i controllori hanno diversi requisiti di gestione termica rispetto alle turbine a gas, che influenzano il modo che l'aria scorre e intorno agli aerei.

Perché la riduzione del trascinamento è non negoziabile

Drag è la somma di tutte le forze che si oppongono al movimento di un aereo attraverso l'aria. Si compone di resistenza parassita (forma drag, attrito della pelle, trascinamento di interferenza) e trascinamento indotto (razza creata da un sollevatore generante). In un aereo elettrico a batteria, ogni kilowatt-ora di energia immagazzinata deve essere utilizzato il più efficiente possibile.

I moderni progetti di aeromobili elettrici incorporano quindi le vele a bassa falesia, i rivetti a filo, le pelli composite senza cuciture e gli atterraggio retrattili anche in piccole classi di aeromobili. Il progetto [NASA X-57 Maxwell[] ha dimostrato come la propulsione elettrica distribuita (DEP) potrebbe essere utilizzata per soffiare l'aria sulla superficie dell'ala, riducendo l'attrito della pelle e trascinamento e trascinamento della pelle durante il decollo e trascinamento durante il decollo durante l'atterraggio e l'atterraggio.

L'imperativo di sollevamento

Per un dato peso, l'ala deve produrre abbastanza ascensore per mantenere il livello di volo. I coefficienti di sollevamento più elevati consentono velocità di avvicinamento più lente e le piste più corte, ma aumentano anche la resistenza indotta. Per gli aerei elettrici che operano su aeroporti urbani più piccoli o vertiporti, è essenziale la capacità di generare elevatore a basse velocità di trasmissione.

"Se possiamo progettare ali che generano l'ascensore, abbiamo bisogno senza la pena di trascinamento che di solito viene con esso, sbloccamo voli più lunghi sullo stesso pacchetto della batteria", spiega il Dr. Elena Torres, ricercatore aerodinamico presso la Delft University of Technology (fonte: TU Delft Research Portal]).

Strategie per la riduzione del trascinamento

La riduzione del trascinamento per gli aerei elettrici si basa su decenni di ricerca aerodinamica, ma lo applica con nuova urgenza, e le sezioni che seguono delineano gli approcci primari adottati o indagati oggi.

Progettazione di Airframe semplificata

La prima linea di difesa contro la resistenza è la forma complessiva dell'aereo. I corpi ali di misto (BWB), le ali volanti, e le fusolicce molto snelle riducono la zona frontale e ritardano la transizione dello strato limite. Per gli aerei elettrici di dimensioni generali, la tendenza è verso ali ad alto rapporto di aspetto che tagliano la resistenza indotta, spesso supportate da montanti o bracci per gestire il peso strutturale.

Per i piccoli aerei elettrici di decollo verticale e di atterraggio (eVTOL), i progettisti favoriscono i ventilatori a ventola spenta che riducono le perdite di punta e il rumore del rotore di scudo, ma i condotti aggiungono l'area bagnata.

Trattamenti di frusta

I vortici Wingtip sono una fonte importante di trascinamento indotto. Le punte ali pieghevoli, le ali miste e le recinzioni ala rotolo si rompono questi vortici e recuperano una porzione di energia persa a vorticity. Su un aereo elettrico, ogni punto di riduzione del trascinamento estende direttamente la gamma.

Finitura superficiale e controllo del livello di cottura

I materiali compositi consentono superfici estremamente lisce e alcuni produttori applicano vernici termoplastiche o micro-riblet (ingombro limitato al flusso d'aria) per ridurre la resistenza del 5–8% a velocità di crociera. Controllo attivo dei livelli di confine, utilizzando superfici porose o piccoli getti d'aria per ri-energizzare il flusso, rimane un argomento di ricerca ma potrebbe essere particolarmente utile per gli aerei elettrici.

Il controllo del flusso laminare[]] è un'altra tecnica promettente. Mantenendo il flusso laminare su una porzione maggiore dell'ala, l'attrito della pelle può essere tagliato a metà rispetto al flusso turbolento. Diversi prototipi elettrici, tra cui il Alice]]] dall'Eviazione, presentano ali ali a flusso laminari laminari laminari naturali con superfici di spessore senza rivetti e non interrotti.

Riduzione del trascinamento di interferenza

In caso di incontro di due componenti, ad esempio, ala e fusoliera, nacelle e ala, coda e fusoliera, si verifica un trascinamento di interferenze. Le carene e i filetti possono lisciare questi incroci. Per i progetti di propulsione distribuiti, l'integrazione di molti piccoli motori lungo il bordo di ala crea più zone di interferenza che devono essere accuratamente sagomate.

Migliorare l'ascensore senza Penalty

L'impianto elettrico è relativamente facile; generandolo in modo efficiente alle velocità e agli angoli giusti è difficile. L'aereo elettrico beneficia di diverse strategie di sollevamento che non impongono una penalità di trascinamento sproporzionata.

Dispositivi ad alto rendimento e loro variabili elettriche

Le patte e le slitte convenzionali aumentano il camber e l'area dell'ala, aumentando il coefficiente massimo di sollevamento del 40-80%. Per gli aeromobili elettrici, il meccanismo di attuazione può essere completamente elettrico (non è necessario alcun sistema idraulico), riducendo il peso e la manutenzione. Tuttavia, l'implementazione di dispositivi ad alto livello aumenta la resistenza, quindi vengono utilizzati solo durante il decollo e l'atterraggio.

Morfi e ali adattivi

Le ali adattative che cambiano il twist, il camber o anche la forma di piano durante il volo offrono la promessa di un ascensore ottimale per ogni condizione di volo.Leghe di forma-memoria, attuatori piezoelettrici, e le strutture composite flessibili consentono cambiamenti di forma senza le lacune e le cerniere che causano trascinamento.

Alleviazione del carico di ruggine

I sistemi di controllo attivi che consentono di regolare le scanalature e di regolare rapidamente le superfici di controllo possono ridurre sia i carichi che i trascinamenti. Gli aerei elettrici, con i loro regolatori di motore precisi e veloci e i sistemi di sollevamento, sono ben posizionati per implementare l'alleviamento della gomma.

Innovazione tecnologica Guidare l'efficienza

Oltre alle basi dell'aerodinamica, diverse tecnologie specifiche permettono alla prossima generazione di aeromobili elettrici di gestire la resistenza e l'alzamento più efficacemente.

Propulsione elettrica distribuita (DEP)

Il flusso d'aria accelerato dalle eliche non solo fornisce spinta ma aumenta anche la pressione dinamica sull'ala, generando un ulteriore sollevamento. Questo permette una zona di ali più piccole per la crociera (basso trascinamento) pur raggiungendo l'elevatore necessario per il decollo e l'atterraggio.

Compositi e manifatturieri leggeri

I compositi a fibra di carbonio sono più leggeri, più rigidi e più lisci di alluminio, consentendo ali più sottili e più alte che riducono la resistenza indotta. I progressi nella messa a punto in fibra automatizzata e nella co-valutazione permettono di produrre forme aerodinamiche complesse con elevata ripetibilità.

Ingestione di strati boundari (BLI)

BLI posiziona i motori (o i ventilatori) sul retro della fusoliera per ingerire l'aria di confine più lenta rispetto all'aria freestream. Questo riduce la resistenza del ram e può migliorare l'efficienza propulsiva complessiva del 5-10%. Il Aurora Flight Sciences D8] (doppio-bubble ibrido) utilizza il BLI per i suoi aero distribubbliconi aero distrinatore distribuito con motori a poppanti a poppanti.

Integrazione della gestione termica

I motori elettrici, gli inverter e le batterie generano calore di scarto che devono essere respinti. I sistemi di raffreddamento ( loop fluidi, radiatori, prese di aria ram) aggiungono resistenza. Innovazioni come scambiatori di calore in pelle] che utilizzano la superficie dell'aereo per il rifiuto di calore possono ridurre il trascinamento di raffreddamento.

Operazioni di volo e gestione dell'energia

L'aerodinamica non si ferma alla fase di progettazione, il modo in cui un aereo elettrico è fluito ha un impatto importante sulla gestione del trascinamento e dell'ascensore, e quindi sulla gamma.

Profili di volo ottimizzati

I motori elettrici hanno un'alta efficienza su un'ampia gamma di impostazioni di potenza, ma l'efficienza aerodinamica varia con velocità e altitudine. Arrampicata ad una velocità che massimizza il rapporto tra ascensore e falesia, quindi si incrocia ad un'altitudine in cui la densità è bassa (riduzione del trascinamento), e scendendo con frenata rigenerativa può conservare l'energia.

Controllo preciso della distribuzione degli ascensori

Il controllo attivo del camber, la rotazione variabile e le impostazioni del pattino differenziale attraverso l'ala possono essere regolate automaticamente per mantenere la distribuzione dell'ascensore vicino all'ellittica (l'ideale per la resistenza minima indotta). I moderni sistemi fly-by-wire rendono possibile questo.

Carico di pagamento e bilanciamento

Poiché il peso della batteria è fisso, il carico utile (passeggeri, carico) deve essere gestito con attenzione per mantenere il centro di gravità all'interno di una gamma stretta. Un CG in avanti aumenta la forza di coda necessaria per il trim, che aumenta la resistenza indotta. Alcuni progetti di aeromobili elettrici includono sistemi di ballating o consentono alle batterie di essere spostate per mantenere il assetto ottimale, riducendo la potenza necessaria per il volo di livello.

Considerazioni del sistema di batteria e di energia

Sebbene non sia puramente aerodinamica, il sistema a batteria interagisce con il design aerodinamico dell’aeromobile in diversi modi.

Posizionamento della batteria e centro di gravità

Le batterie sono pesanti e dense. Sono tipicamente posizionate nella fusoliera o nella radice dell'ala per evitare di influenzare eccessivamente il momento di flessione dell'ala. Tuttavia, grandi batterie nella fusoliera possono interrompere le linee lisce e aumentare l'area bagnata. Alcuni modelli eVTOL posizionano le batterie nei pod vicino al centro di ascensore per ridurre al minimo il trascinamento.

Gestione termica delle batterie

Le batterie generano calore durante lo scarico e soprattutto durante la ricarica rapida. Il raffreddamento richiede spesso aspirazione dell'aria che aumentano la resistenza. I progressi nel raffreddamento passivo (tubi di calore, materiali di cambiamento di fase) o i cicli di raffreddamento liquidi integrati nella struttura dell'ala possono ridurre l'impatto. L'obiettivo è quello di mantenere la batteria ad una temperatura ottimale (di solito 20–40°C) senza scambiatori di calore di grandi dimensioni.

La strada principale: che cosa il prossimo decennio porterà

Poiché le densità di energia della batteria si avvicinano a 400–500 Wh/kg a livello di pacchetto (da oggi 250–300 Wh/kg), la gamma aumenterà notevolmente. Allo stesso tempo, i miglioramenti aerodinamici moltiplicano l’effetto di quella energia immagazzinata.

  • Le ali più elevate del rapporto di aspetto[] rese possibili da compositi leggeri e sartorialatura aeroelastic, riducendo la resistenza indotta.
  • Propulsione distribuita integrata[[] che sintetizza il controllo dei livelli di confine, l'aumento dell'aumento e la riduzione del rumore.
  • Gemelli digitali e ottimizzazione di progettazione guidata dall'AI[] che permettono migliaia di iterazioni sulle forme ala e sistemi di controllo prima che un prototipo sia costruito.
  • Sistemi di sollevamento ad alta resistenza standard[[]] che utilizzano l'azione elettrica per ridurre il peso e la manutenzione.

Le agenzie di regolamentazione come EASA e FAA stanno sviluppando standard di certificazione specificamente per gli aeromobili elettrici, che incoraggeranno gli investimenti in innovazioni aerodinamiche che possono essere certificate secondo le regole della parte 23 o della parte 25 con condizioni speciali per la propulsione elettrica.

Conclusioni

La gestione del drag and lift non è una preoccupazione secondaria per gli aerei elettrici, ma è la sfida centrale dell'ingegneria. Ogni miglioramento percentuale del punto nell'efficienza aerodinamica si traduce direttamente in più passeggeri trasportati o più percorsi serviti su una singola carica della batteria.

La tecnologia della batteria matura, le lezioni aerodinamiche imparate oggi diventeranno ancora più preziose. Il futuro del volo elettrico non è solo una propulsione pulita; si tratta di volare più intelligente, utilizzando meno energia per rimanere aloft, in modo che i cieli possano rimanere aperti e verdi per le generazioni a venire.

Per ulteriori informazioni sull'aerodinamica degli aerei elettrici, vedere la pagina NASA Electric Aircraft Research[] e la AEASA panoramica degli aerei elettrici[[]]].[[]]]