Embora os carros elétricos híbridos estejam se tornando comuns, tecnologia semelhante aplicada a aviões apresenta desafios significativamente diferentes. Os engenheiros aeroespaciais da Universidade de Illinois estão tratando de alguns deles para o desenvolvimento de uma alternativa mais sustentável aos combustíveis fósseis para abastecer aviões.

"O combustível de aviação e a gasolina de aviação são fáceis de armazenar em um avião. Eles são compactos e leves quando comparados à quantidade de energia que fornecem. Infelizmente, o processo de combustão real é muito ineficiente. Estamos aproveitando apenas uma pequena fração dessa energia, mas atualmente não temos sistemas de armazenamento elétrico que possam competir com isso, "disse Phillip Ansell, professor assistente do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Faculdade de Engenharia da Universidade de Illinois.

Ansell disse que adicionar mais baterias para voar mais longe pode parecer lógico, mas funciona contra o objetivo de tornar uma aeronave o mais leve possível. "Essa é uma das grandes barreiras que encontramos ao projetar aeronaves eletrificadas movidas a bateria. A tecnologia atual tem desvantagens de alcance muito significativas. Mas fortes vantagens na queima de combustível."

Ele, junto com o ex-aluno de graduação aeroespacial, Tyler Dean, e a atual estudante de doutorado Gabrielle Wroblewski, utilizou uma série de simulações para modelar o desempenho de aeronaves híbridas-elétricas.

"Começamos com uma aeronave bimotora existente e vimos como poderíamos criar um trem de força híbrido-elétrico para ela usando o hardware de prateleira existente, "Ansell disse." Queríamos saber o quão bem teria um desempenho. Se eu usasse um certo conjunto de componentes do sistema de transmissão, Eu quero saber a que distância a aeronave pode voar, quanto combustível queima, quão rápido pode se subir - todas as mudanças gerais de desempenho de vôo. "

Um simulador de desempenho de vôo foi criado para representar com precisão o verdadeiro desempenho de vôo de um Tecnam P2006T em uma missão geral para incluir a decolagem, escalar, cruzeiro, descida, e pousando, junto com reservas suficientes para atender aos regulamentos da FAA. Os segmentos de transição foram incorporados à simulação durante a subida e descida, onde a configuração do acelerador, implantação de flap, taxa de rotação da hélice, e todas as outras variáveis ​​de controle de voo foram configuradas para simular a entrada de um piloto típico ou prescritas de acordo com o manual de voo da aeronave.

Depois de configurar o simulador para coletar dados de desempenho de linha de base, um sistema de transmissão híbrido paralelo foi integrado à simulação. Os pesquisadores compararam a sensibilidade de alcance e economia de combustível ao nível de eletrificação, densidade de energia específica da bateria, e densidade de potência do motor elétrico. As mesmas sensibilidades foram estudadas com um sistema de transmissão híbrido-elétrico em série.

Ansell disse que, geral, um trem de força híbrido-elétrico pode levar a melhorias substanciais na eficiência de combustível de uma determinada configuração de aeronave, embora esses ganhos dependam fortemente das variações acopladas no grau de eletrificação do trem de força e na faixa de missão necessária. Ambos os fatores influenciam a alocação de peso dos sistemas de bateria e combustível, bem como a escala de peso imposta pelo motor de combustão interna e componentes do motor elétrico. Em geral, para obter a maior eficiência de combustível, uma arquitetura híbrida deve ser usada com tanta eletrificação no trem de força quanto for permitido dentro de um determinado intervalo de requisitos.

As melhorias na eficiência de combustível mostraram-se especialmente brilhantes para missões de curto alcance, o que é uma coisa boa, já que as limitações de alcance servem como um dos principais gargalos na viabilidade de aeronaves híbridas. No entanto, por meio deste estudo, as mudanças nas capacidades de alcance da aeronave também puderam ser previstas com os avanços nas tecnologias de componentes híbridos. "Por exemplo, "Ansell disse, "o sistema de propulsão hoje poderia ser configurado para ter 25 por cento de sua potência propulsora proveniente de um motor elétrico. No entanto, ele só seria capaz de voar cerca de 80 milhas náuticas. Avance rapidamente para as projeções de tecnologias de baterias mais leves para aproximadamente o ano de 2030 e a mesma aeronave poderia voar duas vezes e meia a três vezes mais longe. O aumento do intervalo é não linear, portanto, as maiores melhorias podem ser vistas nas melhorias mais imediatas com a densidade de energia específica da bateria, com retornos gradualmente decrescentes para o mesmo aumento proporcional na energia específica. "

"Um resultado interessante e inesperado que observamos, Contudo, surgiu ao comparar as arquiteturas híbridas paralelas e em série. Uma vez que a arquitetura paralela acopla mecanicamente a potência do eixo do motor e do motor, apenas uma máquina elétrica é necessária. Para a arquitetura da série, um gerador também é necessário para converter a potência do motor em energia elétrica, junto com um motor maior do que a configuração híbrida paralela para acionar o propulsor. Inesperadamente, este aspecto tornou a arquitetura paralela mais benéfica para maior alcance e queima de combustível quase em toda a linha devido ao seu peso mais leve. Contudo, observamos que, se melhorias significativas forem feitas nos componentes de motores elétricos em desenvolvimento a muito longo prazo, podemos, na verdade, algum dia ver melhor eficiência de arquiteturas híbridas em série, pois permitem uma maior flexibilidade na colocação e distribuição dos propulsores. "

A equipe escolheu modelar o Tecnam P2006T usando uma série de variáveis ​​de desempenho encontradas em artigos publicados pelo fabricante da aeronave. Eles selecionaram aquela aeronave em particular, em parte, porque a NASA está trabalhando em sua aeronave X-57, que tem hélices de ponta para alta elevação. "Este estudo estava sendo conduzido para a NASA, e o uso desta aeronave também permitiu que nossos resultados fossem mais bem aplicáveis ​​ao veículo-conceito X-57, "Ansell disse." Usando nossos dados, eles serão capazes de ter pelo menos uma ideia aproximada sobre como o sistema híbrido funcionará sem as outras modificações de propulsão distribuída. "

Ansell disse que a eletrificação de propulsão ainda é uma incógnita em termos de como um veículo deve ser construído, projetado, voou. "Nosso estudo ajuda a informar essas discussões. Analisamos apenas os sistemas de armazenamento de bateria, embora existam muitos mais que podem ser implementados, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens. Este estudo nos permitiu observar quais tipos de avanços precisam ser feitos na tecnologia de motores, em tecnologia de bateria, etc. "

O estudo, "Análise de missão e estudo de sensibilidade em nível de componente de sistemas de propulsão de aviação geral híbridos-elétricos, "foi conduzido por Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, e Phillip Ansell. Aparece no Journal of Aircraft .