Los avances en aviónica ayudan a reducir la huella de carbono

No está claro si los viejos patrones de viaje se reanudarán una vez que acabe la crisis o si nuestros hábitos y expectativas se habrán rehecho de tal manera que exijan un replanteamiento de todo el sector aeroespacial. Sin embargo, lo que sí parece probable es que la incertidumbre actual acelerará el ritmo del cambio y creará oportunidades a medio plazo para innovar en apoyo de una industria aeroespacial renovada. Los ingenieros electrónicos serán los responsables de dicha innovación, construyendo los sistemas de aviónica que permitirán que la industria reconfigurada sobreviva y prospere.

Los vehículos eléctricos están alcanzando el punto en el que se les considera una alternativa creíble a los coches de gasolina o diésel. Aunque esta evolución se encuentra en marcha, algunas empresas de propulsión aeroespacial, como Rolls-Royce, han estado desarrollando motores eléctricos para aeronaves con el objetivo de reducir la huella de carbono, el ruido y el coste de los viajes en avión. El ‘Spirit of Innovation’ de Rolls-Royce, que se aprecia en la imagen, ha sido construido con la misión de convertirse en el avión eléctrico más rápido del mundo. La compañía afirma que puede volar desde Londres (Reino Unido) a París (Francia) con el respaldo de su paquete de baterías de 6.000 celdas.

La adopción de la propulsión eléctrica en los aviones creará una demanda de nuevos sistemas de control sofisticados, que utilizan la experiencia adquirida en los vehículos eléctricos para construir sistemas de control avanzados y trenes de potencia enfocados en la eficiencia.

Por ejemplo, la aviónica del avión de Rolls-Royce incluye la unidad de control de motor, la unidad de distribución de potencia y los sensores de vuelo. La compañía podrá recopilar información durante el vuelo, como la tensión de la batería, la temperatura y otros parámetros de rendimiento, de más de 20.000 puntos por segundo en el tren motriz.

La experiencia con los coches eléctricos nos ha enseñado que, al principio, los sistemas de propulsión eléctrica funcionarán mejor en viajes cortos, dados los desafíos de almacenamiento de energía de la tecnología de baterías actual. No obstante, esta limitación aparente puede encajar bien con los planes emergentes para los ‘ecosistemas de movilidad aérea urbana’, que podrían concebirse mejor como taxis voladores en las ciudades.

Como sostiene el informe de Deloitte, se necesitará mucho trabajo para crear la infraestructura y el ecosistema necesarios para permitir la movilidad aérea urbana. Habrá que hacer frente a los desafíos de regular los vehículos sin piloto, certificar su aeronavegabilidad y controlar la forma en que utilizan el espacio aéreo y, por ello, también surgirán retos para la aviónica. Los vehículos tendrán que ser extremadamente eficientes y contar con múltiples sensores y capacidades de fusión de datos para respaldar los sistemas anticolisión. También queda mucho trabajo por hacer a la hora de crear la infraestructura de soporte, como los sistemas de gestión de control de tráfico aéreo actualizados que funcionan perfectamente todo el tiempo, lo que fomentará y mantendrá la demanda de los consumidores.

A pesar de que esto puede sonar a ciencia ficción, en noviembre de 2020, la ciudad de Orlando (Florida - Estados Unidos) y Lilium, compañía de aviación alemana, anunciaron planes de construir un ‘vertiport’ en 2025. Este vertiport será la sede de una flota de aeronaves eléctricas de aterrizaje vertical, que se podrán usar como taxis voladores para ayudar a los pasajeros más ricos de la ciudad a evitar los atascos de las carreteras. La aeronave desarrollada por Lilium usa treinta y seis motores eléctricos, montados en las alas para proporcionar un impulso directo. La empresa alemana cree que su diseño elimina muchas de las superficies de control y las cajas de cambios asociadas y los circuitos de lubricación de los aviones convencionales. Esto podría incrementar la fiabilidad del vehículo al reducir su peso y los gastos generales de mantenimiento.

Lilium no se encuentra sola en su objetivo de construir una aeronave eléctrica de despegue y aterrizaje vertical. SkyDrive, compañía japonesa, afirmaba en agosto de 2020 que había completado un vuelo de prueba de cuatro minutos con un vehículo de prueba SD-03, que utiliza ocho hélices, dos en cada una de las esquinas del vehículo casi rectangular, para elevarse. También dice que ha recibido Yen3.9bn (unos 31,5 millones de euros) como financiación por parte del Development Bank of Japan y otros inversores para continuar trabajando.

Otras oportunidades de la aviónica pueden surgir de los movimientos para aumentar la cantidad de automatización utilizada en las cubiertas de vuelo, que demandarán más potencia informática. En la cabina, las expectativas de los pasajeros impulsarán la instalación de sistemas de comunicación y entretenimiento en los respaldos de los asientos mucho más complejos, lo que creará una demanda de más potencia informática, mejores gráficos, redes de asiento a asiento, Wi-Fi a bordo y conectividad aire-tierra. Aquí el reto se encuentra en construir tales sistemas potentes y la infraestructura de cableado para alimentarlos, conectarlos y gestionarlos, minimizado su tamaño y consumo de energía.

La aviónica de los vehículos aéreos no tripulados, como los drones de inspección o los aviones de carga no tripulados, se someterá a actualizaciones casi continuas. Se puede observar esta tendencia en el funcionamiento en los drones de consumo y semiprofesionales que ofrecen empresas como DJI. El software de control para estos drones está siendo revisado constantemente para mejorar diversas funciones, como la estabilidad de la plataforma en vuelo para fotografía o la capacidad de seguir a una persona en movimiento, como un esquiador, con el objetivo de filmarlo en movimiento.

Curiosamente, es probable que la intensa presión de desarrollo que se ejerce al competir en un mercado de consumo como el de los drones genere innovaciones que, a su vez, se retroalimentarán en los profesionales de la empresa. Después de todo, nada pondrá a prueba un equipo con tanta dureza como un youtuber durante un fin de semana. También puede proporcionar la perspectiva necesaria para tomar decisiones informadas sobre si el equipo de aviónica siempre necesita usar los componentes mejor calificados o si las piezas comerciales disponibles en el mercado (COTS) serán lo suficientemente buenas en muchos casos de uso.

Al igual que en los sectores militar y espacial, los futuros sistemas de aviónica harán un uso mucho mayor de los datos de los sensores para aumentar su conciencia situacional y la capacidad de toma de decisiones rápidas y precisas. Esto significará que los desarrolladores tendrán que pensar más detenidamente en la forma de conectarse a estos sensores, el ancho de banda de los esquemas de interconexión que especifican y la solidez física de su implementación. Esto podría conllevar un cambio hacia el uso de implementaciones Ethernet de dos hilos (two-wire), sistemas de fibra óptica y estrategias de interconexión tradicionales más densas/ligeras.

Los desarrolladores de aviónica también deberán pensar en cómo proporcionar la potencia informática necesaria para capturar, fusionar e interpretar estos datos, lo que puede conducir a una exploración de las arquitecturas informáticas alternativas, como los coprocesadores de aprendizaje automático, para gestionar las tareas de reconocimiento de patrones de manera eficiente y con mínimo conste energético.

En el tren de potencia, especialmente para los vehículos de vuelo eléctricos, se pondrá el énfasis en aprovechar al máximo la energía almacenada en el paquete de baterías. Esto llevará a centrarse en maximizar la eficiencia con la que la potencia se convierte y distribuye a los motores y otros sistemas. Rolls-Royce está explorando estos aspectos en su avión biplaza Magnus eFusion, un banco de pruebas para sistemas de propulsión eléctrica de menos de 100 kW. La primera iteración al tren de potencia tenía un motor eléctrico de 45 kW, pero, tras una serie de actualizaciones, cuenta con una salida de potencia de 70 kW. El motor y su inversor asociado ya han sido registrados por Rolls-Royce para su certificación.

Se hará hincapié en minimizar la masa de todos los componentes en la aeronave para poder compensar la ratio energía/masa relativamente baja de las baterías en comparación con los combustibles fósiles. Algo de esto se logrará aprendiendo del desarrollo de los trenes de potencia de los vehículos eléctricos, que están evolucionando muy rápidamente en este momento y, posteriormente, aplicando las opciones arquitectónicas y de componentes relevantes para su uso en aviónica.

Por ejemplo, Molex fabrica ensamblajes de cable, como el OTS Multicat, que puede ofrecer una distribución de potencia de alta densidad con elevada fiabilidad.

Y, como en casi todos diseños de aviónica, continuará la presión para minimizar aspectos como el tamaño de los equipos, el consumo de energía y los requisitos de refrigeración, dentro de los límites del diseño de aviónica tradicional, y aumentar la fiabilidad, la vida útil y la robustez.

Hay que tener en cuenta incluso las especificaciones de un “humilde” potenciómetro, si va a formar parte de una interfaz hombre máquina (HMI) en un sistema de aviónica, como es el caso del modelo PDF241 de larga duración de Bourns. Está diseñado para soportar un millón de giros y también cumple los estándares requeridos para su uso en equipos de laboratorios médicos y sistemas de diagnóstico.

La aviónica se encuentra en el ‘corazón’ de la industria aeroespacial y es la responsable de muchas innovaciones que probablemente seguirán a la actual reestructuración de la industria. Dependerá de los ingenieros electrónicos hacer las complejas concesiones de diseño necesarias para crear estos sistemas de aviónica innovadores que, a su vez, ayudarán a ofrecer el camino de regreso a una próspera industria aeroespacial.

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