Propulsión distribuida

En aeronáutica, la propulsión distribuida es un sistema en el que los flujos de aire propulsores y relacionados se distribuyen sobre las superficies aerodinámicas de una aeronave. El objetivo es mejorar la eficiencia aerodinámica, propulsiva y/o estructural de la aeronave con respecto a un diseño convencional equivalente. ^[1]

Los beneficios previstos incluyen una mejor eficiencia de combustible , emisiones, ruido, longitud del campo de aterrizaje y manejo.

La propulsión distribuida puede lograrse mediante la distribución de múltiples motores pequeños o ventiladores parcialmente o totalmente integrados a lo largo del ala. Alternativamente, puede implicar la conducción de los gases de escape a lo largo de todo el borde de salida del ala.

La propulsión distribuida en una aeronave se caracteriza típicamente no solo por la naturaleza distribuida del empuje propulsor, sino también por el uso del efecto que esto tiene sobre la aerodinámica de la aeronave. ^[2] Los flujos de aire propulsor se distribuyen sobre las superficies aerodinámicas de la aeronave, típicamente a lo largo de la envergadura sobre un ala fija. Estos flujos pueden interactuar con otro aire que fluye sobre el ala y afectar sustancialmente la aerodinámica . Sin embargo, no existe una definición formal aceptada. ^{[3] [4]}

Se han identificado tres grandes clases de sistemas de propulsión distribuida: ^[4]

• Escape distribuido, como por ejemplo flaps de chorro.
• Múltiples propulsores discretos (ventiladores, hélices o chorros), que pueden ser accionados individualmente o mediante accionamiento remoto desde menos motores.
• Ventiladores de flujo cruzado , que son un tipo de rotor de eje horizontal .

Además de proporcionar propulsión, se han estudiado sistemas de propulsión distribuida con vistas a proporcionar diversas funciones aerodinámicas, entre ellas: ^[5]

• Reenergización directa de la capa límite
• Control de separación de flujo
• Control de circulación/elevación motorizada
• Reducción de la resistencia viscosa
• Control de vórtices/vorticidad
• Control del vehículo/empuje vectorial

Se han identificado varias áreas en las que la propulsión distribuida puede ofrecer ventajas con respecto a los diseños convencionales. ^[2] Entre ellas se incluyen la eficiencia del combustible, la reducción del ruido, el ascenso empinado para despegues y aterrizajes cortos (STOL), nuevos enfoques de control (en particular, la eliminación de superficies de control para los momentos de balanceo, cabeceo y guiñada) y altas relaciones de derivación. También se ha sugerido que los propulsores más pequeños serán más baratos de fabricar y más fáciles de manipular durante el montaje y el mantenimiento. ^[3]

La estrategia de unidades de propulsión múltiples implica tres o más unidades de propulsión. Estas unidades se disponen en configuraciones de líder o seguidor. Se clasifican en cinco clases de intensidad (A–E) y tres categorías de relación empuje-peso (I-III). Pueden disponerse dentro, encima, alrededor o a través de las alas, el fuselaje o la estructura del avión. ^{[ cita requerida ]}

Los sistemas de líder emplean unidades de propulsión para generar empuje directamente, es decir, motores distribuidos. El sistema de seguidor utiliza unidades de propulsión secundarias, como múltiples ventiladores que funcionan con un solo motor. En este último caso, la transmisión de potencia entre los ventiladores y los motores puede estar vinculada mediante conductos de gas caliente, engranajes mecánicos o líneas de energía eléctrica. ^{[ cita requerida ]}

La propulsión eléctrica distribuida (PED) comprende múltiples ventiladores o hélices pequeños accionados por motores eléctricos. Normalmente, cada propulsor individual es accionado directamente por su propio motor eléctrico relativamente pequeño y ligero. La energía eléctrica puede ser proporcionada por cualquier fuente adecuada. ^[6]

Las ventajas de la propulsión distribuida para aviones solares ligeros y de alta relación de aspecto se ejemplifican en los proyectos HALSOL/Pathfinder / Helios de AeroVironment , iniciados en 1983, y el X-HALE de la Universidad de Michigan, que se puso en marcha alrededor de 2012. ^[7] La ​​distribución de los motores eléctricos a lo largo del tramo permitió controlar la flexión del fuselaje en vuelo, lo que permitió que la estructura fuera mucho más ligera que su equivalente rígido convencional. ^[4]

Cuando se distribuyen unidades de propulsión pesadas a lo largo de un ala, se permite aligerar la estructura del ala. Sin embargo, su peso y empuje pueden interactuar con la tendencia natural del ala a flexionarse bajo cargas variables ( aeroelasticidad ). Esto puede causar problemas; por ejemplo, fue una de las principales causas de un accidente en el que se vio envuelto el avión de investigación Helios de la NASA . Una solución investigada es el uso de controles aeroelásticos activos para corregir o incluso aprovechar la flexión del ala durante el vuelo. ^[8]

Las instalaciones multimotor han sido una característica de los aviones desde la introducción del Sikorsky Ilya Muromets poco antes de la Primera Guerra Mundial. Sin embargo, la mayoría no modifican significativamente el flujo de aire sobre las alas y no siempre se consideran propulsión distribuida.

En 1963 se construyó el avión de investigación Hunting H.126 para investigar el uso directo de un flap de chorro para la propulsión, mientras que el hidroavión ShinMaywa US-2 de 2003 utilizó flaps soplados para mejorar el rendimiento de despegue y aterrizaje cortos (STOL) y posteriormente entró en producción. ^[4]

FanWing comenzó a desarrollar el ventilador de flujo cruzado como un sistema combinado de sustentación y propulsión en 1997 y durante los siguientes años voló varios modelos y drones de investigación. La investigación posterior en los EE. UU. se centró en el uso de un ventilador de flujo cruzado insertado en el borde de salida superior del ala, como el principal impulsor para el control de la capa límite y la propulsión con flaps de reacción. ^[3]

Más recientemente, varios proyectos de vehículos aéreos no tripulados (UAV) han explorado el potencial de la propulsión distribuida para ofrecer reducción de ruido, eficiencia de combustible y rendimiento en campos cortos. A partir de 2022 , la NASA está desarrollando un avión X tripulado , el X-57 Maxwell, y varios prototipos de un avión ligero, el Lilium Jet , han volado en Alemania.

• Aurora XV-24 LightningStrike : ventiladores eléctricos distribuidos. Vehículo aéreo no tripulado de investigación. Voló en 2016.
• Ball-Bartoe Jetwing : avión de investigación tripulado con flaps. En vuelo desde 1977.
• Español: Inglés Electric P.10 : Turborreactores instalados en alas con estatorreactores distribuidos. Concepto de los años 1950.
• FanWing : Ventilador de flujo cruzado. Serie de vehículos aéreos no tripulados de investigación.
• Hunting H.126 : avión de investigación tripulado con flaps a reacción. En vuelo desde 1963.
• Lilium Jet : Ventiladores eléctricos distribuidos. Serie de prototipos tripulados.
• NASA X-57 Maxwell (Sceptor): ventiladores eléctricos distribuidos. Avión de investigación tripulado. Desarrollo detenido.
• Electra EL-2 Goldfinch : ventiladores eléctricos distribuidos. Demostrador tripulado. En desarrollo.

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