NASA X-57 Maxwell
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X-57 Maxwell
X57-Maxwell-CGI (recortado) .jpg
Concepto artístico del X-57
PapelAviones ligeros experimentales
origen nacionalEstados Unidos
FabricanteESAero [1]
Primer vuelo24 de febrero de 2022 (previsto) [2]
Usuario principalNASA
Desarrollado porTecnam P2006T

El NASA X-57 Maxwell es un avión experimental desarrollado por la NASA , destinado a demostrar tecnología para reducir el uso de combustible , las emisiones y el ruido . [3] El primer vuelo del X-57 está programado para el 24 de febrero de 2022. [2]

Desarrollo

El experimento consiste en reemplazar las alas en un Tecnam P2006T bimotor construido en Italia (un avión ligero convencional de cuatro plazas) con alas de propulsión eléctrica distribuida (DEP) que contienen cada una hélices accionadas eléctricamente. Inicialmente, se planeó que los vuelos de prueba comenzaran en 2017. [4]

La primera fase de prueba utiliza un alerón montado en un camión de 18 motores. La segunda fase instalará las hélices y los motores de crucero en un P2006T estándar para una experiencia de prueba en tierra y en vuelo. Las pruebas de la fase 3 involucrarán el ala DEP de gran sustentación y demostrarán una mayor eficiencia de crucero de alta velocidad. Se instalarán las góndolas de vanguardia, pero no se instalarán las hélices, los motores y los controladores de gran elevación. La fase 4 agrega los motores DEP y las hélices plegables para demostrar el aumento de elevación. [5]

Proyecto LEAPTech

El proyecto Leading Edge Asynchronous Propeller Technology ( LEAPTech ) es un proyecto de la NASA que desarrolla una tecnología de aeronave eléctrica experimental que involucra muchos motores eléctricos pequeños que impulsan pequeñas hélices individuales distribuidas a lo largo del borde de cada ala de la aeronave . [6] [7] [8] Para optimizar el rendimiento, cada motor se puede operar de forma independiente a diferentes velocidades, disminuyendo la dependencia de los combustibles fósiles, mejorando el rendimiento de la aeronave y la calidad de conducción, y reduciendo el ruido de la aeronave. [9]

El proyecto LEAPTech comenzó en 2014 cuando investigadores del Centro de Investigación Langley de la NASA y el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA se asociaron con dos empresas de California, Empirical Systems Aerospace (ESAero) en Pismo Beach y Joby Aviation en Santa Cruz, California . ESAero es el contratista principal responsable de la integración e instrumentación del sistema, mientras que Joby es responsable del diseño y fabricación de los motores eléctricos, las hélices y la sección de ala de fibra de carbono. [9]

En 2015, los investigadores de la NASA estaban probando en tierra una sección de ala compuesta de carbono de 31 pies (9,4 m) con 18 motores eléctricos alimentados por baterías de fosfato de hierro y litio . Las pruebas preliminares de hasta 40 mph se llevaron a cabo en enero en el aeropuerto del condado de Oceano en la costa central de California. Montado en un camión especialmente modificado, se probó a una velocidad de hasta 70 mph en el lecho de un lago seco en la Base de la Fuerza Aérea Edwards a finales de 2015. [9]

El experimento precede al demostrador X-57 Maxwell X-plane propuesto bajo el programa Transformative Aeronautics Concepts de la NASA. Un avión X pilotado debería volar en un par de años, después de reemplazar las alas y los motores del Tecnam P2006T por una versión mejorada del ala y los motores LEAPTech. El uso de un fuselaje existente permitirá a los ingenieros comparar fácilmente el rendimiento del X-plane con el P2006T original. [9]

X-57 Maxwell

El Maxwell se incluyó en una ilustración para el Día Nacional de la Aviación 2016

El proyecto X-57 fue revelado públicamente por el administrador de la NASA Charles Bolden el 17 de junio de 2016 en un discurso de apertura ante el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA) en su exposición Aviación 2016. [10] [11] El avión recibió su nombre del físico escocés James Clerk Maxwell . [3]

El primer avión X de la NASA en más de una década, es parte de la iniciativa New Aviation Horizons de la NASA, que también producirá hasta cinco aviones de mayor escala. El X-57 fue construido por el proyecto SCEPTOR de la agencia , durante un período de desarrollo de cuatro años en Armstrong Flight Research Center , California, con un primer vuelo inicialmente planeado para 2017. [12] [13] [14]

En julio de 2017, Scaled Composites estaba modificando un primer P2006T a la configuración X-57 Mod II al reemplazar los motores de pistón con motores eléctricos Joby Aviation , para volar a principios de 2018. La configuración Mod III moverá los motores a las puntas de las alas para aumentar la eficiencia de propulsión . La configuración Mod IV verá la instalación del ala de alta relación de aspecto Xperimental, LLC con 12 hélices más pequeñas a lo largo de su borde de ataque para aumentar su sustentación aerodinámica de despegue y aterrizaje . [15]

El donante Tecnam P2006T fue recibido en California en julio de 2016. En una prueba de diciembre de 2016, una celda de la batería sufrió un cortocircuito y el sobrecalentamiento se extendió a otras celdas, requiriendo que el empaque fuera rediseñado de ocho a 16 módulos con separadores de panal de aluminio . Los Rotax 912 serán reemplazados por motores eléctricos de 60 kW (80 hp) para el Mod II. El peso objetivo del Mod III es de 1.400 kg (3.000 lb) del P2006T 1.200 kg (2.700 lb) y apunta a una eficiencia de crucero de alta velocidad un 500% mayor, ya que el ala más pequeña reducirá la resistencia de crucero , mientras que las hélices de punta de ala contrarrestarán los vórtices de punta de ala . El Mod IV con 12 hélices para despegar y aterrizar a la misma velocidad que el P2006T aún no tiene financiación. [dieciséis]

En diciembre de 2017, el módulo de batería refrigerado pasivamente rediseñado con 320 celdas de iones de litio en comparación con 640 pasó las pruebas. La experiencia ayudó a Electric Power Systems a desarrollar una batería para el Bye Aerospace Sun Flyer 2, que realizó su primer vuelo en abril de 2018. Joby Aviation entregó tres motores de crucero en 2017 y estaba ensamblando el par final en junio de 2018. Pruebas de aceptación del motor con un motor de 80 -hora. La prueba de resistencia debía simplificarse antes de la integración del vehículo. El contratista ES Aero conducirá extensas pruebas en tierra durante meses, que culminarán en una misión similar a 30 minutos a plena potencia, antes de volar en 2019. [17]

En septiembre de 2018, el primer motor de crucero eléctrico Joby Aviation JM-X57 se montó con controladores, baterías y nuevas pantallas de cabina en Scaled Composites en Mojave, antes de las pruebas de vuelo a mediados de 2019. La construcción del ala compuesta de alta relación de aspecto y baja resistencia de ESAero estaba casi terminada, para volar el Mod 3 a mediados de 2020. [18]

Prueba en tierra Mod II de los nuevos motores eléctricos en el ala original, junio de 2019

Construido por Xperimental , la prueba de carga del ala optimizada para crucero se completó en septiembre de 2019, a ± 120% del límite de carga de diseño, verificando el libre movimiento de las superficies de control y las pruebas de vibración para las predicciones de aleteo. Después de que el motor funcionara en tierra, ESAero debía entregar el avión Mod 2 X con motores eléctricos que reemplazaban los motores de pistón originales al Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en California durante la primera semana de octubre. [19] ESAero lo entregó el 2 de octubre de 2019. [20] En ese momento, las pruebas de sistemas en tierra debían comenzar a fines de 2019, y las pruebas de vuelo debían comenzar en el tercer trimestre de 2020. [21]

Para febrero de 2021, la NASA debía comenzar las pruebas en tierra funcionales de alto voltaje Mod 2 en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong en Edwards, California , para las pruebas de rodaje y el primer vuelo. [22]

Diseño

Modelo del último mod 4 con corte de línea central, que muestra el sistema de batería, ala de alta relación de aspecto, motores eléctricos y bus de potencia de tracción

Modificado de un Tecnam P2006T , el X-57 será un avión eléctrico , con 14 motores eléctricos que impulsan hélices montadas en los bordes de ataque del ala. [23] Los 14 motores eléctricos se utilizarán durante el despegue y el aterrizaje, y solo los dos exteriores se utilizarán durante el crucero . El flujo de aire adicional sobre las alas creado por los motores adicionales genera una mayor sustentación, lo que permite un ala más estrecha. El avión tiene capacidad para dos. [24] Tendrá un rangode 100 millas (160 km) y un tiempo máximo de vuelo de aproximadamente una hora. Los diseñadores del X-57 esperan reducir cinco veces la energía necesaria para volar un avión ligero a 175 millas por hora (282 km / h). [12] Una reducción triple debería provenir del cambio de motores de pistón a baterías eléctricas. [19]

La propulsión distribuida aumenta el número y disminuye el tamaño de los motores de los aviones. Los motores eléctricos son sustancialmente más pequeños y ligeros que los motores a reacción de potencia equivalente. Esto les permite colocarse en ubicaciones diferentes y más favorables. En este caso, los motores deben montarse por encima y distribuirse a lo largo de las alas en lugar de suspenderse debajo de ellas. [5]

Las hélices están montadas sobre el ala. Aumentarán el flujo de aire sobre el ala a velocidades más bajas, aumentando su sustentación. El aumento de la sustentación le permite operar en pistas más cortas . Tal ala podría tener solo un tercio del ancho de la ala que reemplaza, lo que ahorra peso y costos de combustible. Las alas típicas de las aeronaves ligeras son relativamente grandes para evitar que la nave se detenga (lo que ocurre a velocidades bajas, cuando el ala no puede proporcionar suficiente sustentación). Las alas grandes son ineficaces a velocidad de crucero porque crean un exceso de resistencia . [4] Las alas se optimizarán para crucero, con los motores protegiéndolas de paradas a baja velocidad y logrando el estándar de aeronaves pequeñas de 61 nudos (113 km / h). [5]

La velocidad de cada hélice se puede controlar de forma independiente, lo que ofrece la posibilidad de cambiar el patrón de flujo de aire sobre el ala para hacer frente a las condiciones de vuelo, como las ráfagas de viento. Al navegar, las hélices más cercanas al fuselaje se pueden plegar hacia atrás para reducir aún más la resistencia, dejando las hélices hacia las puntas de las alas para mover el avión. Dichas aeronaves no tendrían emisiones en vuelo, operarían con menos ruido y reducirían los costos operativos en aproximadamente un 30%. [4] Se esperaba que la eficiencia de crucero aumentara entre 3,5 y 5 veces. [5]

El ala de 31,6 pies (9,6 m) de envergadura con una relación de aspecto de 15 se compara con 37,4 pies (11,4 m) y 8,8 para el ala P2006T original, la cuerda del ala delgada es de 2,48 pies (0,76 m) en la raíz del ala y 1,74 pies ( 0,53 m) en la punta. [5] El ala cuenta con 12 hélices de crucero de 1,89 pies (0,58 m) de diámetro que requieren cada una 14,4 kW (19,3 hp) de potencia de motor a 55 kN (102 km / h) y giran a 4548 rpm . Las hélices de cinco palas se pliegan en crucero para reducir la resistencia. Cada punta de ala alberga dos hélices de crucero de 3 palas de 5 pies (1,5 m) de diámetro que requieren cada una 48,1 kW (64,5 hp) a 150 nudos (280 km / h) y giran a 2250 rpm. La ubicación de la punta del ala ofrece una interacción favorable con los vórtices de la punta del ala , y se espera que proporcione un ahorro de arrastre del 5%. [5]Los paquetes de baterías de 47 kWh (170 MJ) pesan 860 lb (390 kg) para una densidad de 121 Wh / kg. [18]

El conjunto de alta sustentación de 12 hélices debe mantener la velocidad de pérdida de 58 nudos (107 km / h) . El ala optimizada tiene el 40% del área de la línea de base, lo que reduce la fricción y una carga del ala 2.6 veces mayor. [19] Tendrá 32,8 pies (10,0 m) de ancho pero tendrá una cuerda un 40% más pequeña , para una carga alar de 17 a 45 psf (83 a 220 kg / m 2 ), y debería navegar a un coeficiente de sustentación más alto. , alrededor de 4, más del doble del ala de la línea de base. [21]

Ver también

  • Relámpago engrasado GL-10 de la NASA
  • Dirección de Misión de Investigación Aeronáutica

Referencias

  1. ^ Julie Lynem (29 de septiembre de 2015). "ESAero, con sede en Oceano, para construir el avión X de la NASA" . The Tribune .
  2. ^ a b "Programa de lanzamiento de la NASA" . NASA . Consultado el 29 de septiembre de 2021 .
  3. ↑ a b Beutel, Allard (17 de junio de 2016). "Avión de investigación eléctrica de la NASA obtiene número X, nuevo nombre" . NASA . Consultado el 19 de junio de 2016 .
  4. ^ a b c "Vuelo electrizante" . The Economist . 17 de septiembre de 2015. ISSN 0013-0613 . 
  5. ↑ a b c d e f Graham Warwick (4 de septiembre de 2015). "Prueba de ala de propulsión eléctrica de la NASA ayuda a dar forma al siguiente X-Plane" . Semana de la aviación y tecnología espacial .
  6. ^ Grady, Mary (18 de marzo de 2015). "El proyecto de aeroplano eléctrico de la NASA avanza" . AVweb .
  7. ^ Szondy, David (18 de marzo de 2015). "¿Podría este ala de 18 motores ser el futuro de los aviones eléctricos?" . Gizmag .
  8. ^ Golson, Jordan (20 de marzo de 2015). "La NASA ata 18 hélices a un ala, porque la ciencia" . Cableado .
  9. ↑ a b c d Merlin, Peter (16 de marzo de 2015). "LEAPTech para demostrar tecnologías de propulsión eléctrica" . NASA.
  10. ^ Daines, Gary (17 de junio de 2016). "Esta semana @ NASA, 17 de junio de 2016" . NASA .
  11. ^ "OBSERVACIONES PARA EL ADMINISTRADOR BOLDEN AIAA AVIATION 2016" Concepto a la realidad: nuestro viaje para transformar la aviación " " (PDF) . NASA. 17 de junio de 2016. págs. 9-11.
  12. ↑ a b Matt McFarland (16 de junio de 2016). "El nuevo avión eléctrico de la NASA podría ser un paso significativo hacia una era de aviación más limpia" . Washington Post .
  13. ^ Alan Boyle (17 de junio de 2016). "La NASA obtiene el primer avión X oficial en una década: nave eléctrica llamada X-57 Maxwell" . GeekWire .
  14. ^ Yasmin Tayag (17 de junio de 2016). "Administrador de la NASA Charlie Bolden: X-57 volará el próximo año" . Inverse.com .
  15. ^ Graham Warwick (19 de julio de 2017). "NASA empujando hacia adelante con X-plane eléctrico" . Red Semana de la Aviación .
  16. ^ Graham Warwick (26 de octubre de 2017). "El X-Plane eléctrico se acerca a la prueba crucial de la batería" . Red Semana de la Aviación .
  17. ^ Warwick, Graham; Norris, Guy (5 de junio de 2018). "La NASA comparte lecciones difíciles a medida que avanza el X-57 totalmente eléctrico" . Semana de la aviación y tecnología espacial .
  18. ↑ a b Guy Norris (5 de septiembre de 2018). "Hito de las marcas de montaje del motor para el X-plane eléctrico de la NASA" . Semana de la aviación y tecnología espacial .
  19. ↑ a b c Graham Warwick (30 de septiembre de 2019). "La semana de la tecnología, del 30 de septiembre al 4 de octubre de 2019" . Semana de la aviación y tecnología espacial .
  20. ^ Potter, Sean (3 de octubre de 2019). "La NASA recibe el primer avión experimental totalmente eléctrico" . NASA . Consultado el 8 de noviembre de 2019 .
  21. ↑ a b Guy Norris (14 de noviembre de 2019). "NASA totalmente eléctrico X-57 preparado para la fase de prueba en tierra" . Semana de la aviación y tecnología espacial .
  22. ^ "La NASA comenzará las pruebas de tierra de alto voltaje en el X-57 totalmente eléctrico" (Comunicado de prensa). NASA. 25 de febrero de 2021.
  23. ^ Keith Button (mayo de 2016). "Volando sobre electrones" (PDF) . Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica.
  24. ^ Steve Fox (26 de julio de 2016). "Cabina del primer avión de propulsión totalmente eléctrico" . NASA.

enlaces externos

  • El futuro de la propulsión aeronáutica es eléctrico
  • [1]
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