El X-57 Maxwell de la NASA fue un avión experimental desarrollado por la NASA , destinado a demostrar tecnología para reducir el uso de combustible , las emisiones y el ruido . [2] El primer vuelo del X-57 estaba programado para realizarse en 2023, pero el programa fue cancelado debido a problemas con el sistema de propulsión. [3] [4] [5]
El experimento consistió en reemplazar las alas de un bimotor Tecnam P2006T (una aeronave ligera convencional de cuatro plazas) de fabricación italiana por alas de propulsión eléctrica distribuida (DEP), cada una con hélices accionadas eléctricamente. Inicialmente, se había planeado que los vuelos de prueba comenzaran en 2017. [6]
En la primera fase de pruebas se utilizó un ala de 18 motores montada en un camión. En la segunda fase se instalaron las hélices y los motores de crucero en un P2006T estándar para realizar pruebas en tierra y en vuelo. Las pruebas de la fase 3 implicaban el ala DEP de alta sustentación y demostraban una mayor eficiencia de crucero a alta velocidad. Se instalarían las góndolas de borde de ataque, pero no se instalarían las hélices, los motores y los controladores de alta sustentación. La fase 4 consistía en añadir los motores DEP y las hélices plegables para demostrar el aumento de la sustentación. [7]
El proyecto Leading Edge Asynchronous Propeller Technology ( LEAPTech ) es un proyecto de la NASA que desarrolla una tecnología experimental para aeronaves eléctricas que involucra muchos motores eléctricos pequeños que impulsan pequeñas hélices individuales distribuidas a lo largo del borde de cada ala de la aeronave . [8] [9] [10] Para optimizar el rendimiento, cada motor puede funcionar independientemente a diferentes velocidades, lo que disminuye la dependencia de combustibles fósiles, mejora el rendimiento de la aeronave y la calidad del vuelo y reduce el ruido de la aeronave. [11]
El proyecto LEAPTech comenzó en 2014 cuando investigadores del Centro de Investigación Langley de la NASA y del 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 del sistema y la instrumentación, mientras que Joby es responsable del diseño y la fabricación de los motores eléctricos, las hélices y la sección del ala de fibra de carbono. [11]
En 2015, los investigadores de la NASA realizaron pruebas en tierra de una sección de ala de compuesto de carbono de 31 pies (9,4 m) de envergadura con 18 motores eléctricos alimentados por baterías de fosfato de hierro y litio . Las pruebas preliminares de hasta 40 mph (64 km/h; 35 nudos) 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 hasta 70 mph (110 km/h; 61 nudos) en el lecho seco de un lago en la base aérea Edwards más tarde en 2015. [11]
El experimento precede al avión de demostración X-57 Maxwell X-plane propuesto en el marco del programa Transformative Aeronautics Concepts de la NASA. Un avión X pilotado debería volar dentro de un par de años, después de reemplazar las alas y los motores de un Tecnam P2006T por una versión mejorada de las alas y los motores de LEAPTech. El uso de un fuselaje existente permitirá a los ingenieros comparar fácilmente el rendimiento del avión X con el P2006T original. [11]
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 en el Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA) en su exposición Aviation 2016. [12] [13] El avión recibió su nombre en honor al físico escocés James Clerk Maxwell . [2]
El primer avión X de la NASA en más de una década forma parte de la iniciativa New Aviation Horizons de la NASA, que también producirá hasta cinco aeronaves de mayor escala. El X-57 fue construido por el proyecto SCEPTOR de la agencia , durante un período de desarrollo de cuatro años en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong , California, con un primer vuelo inicialmente planeado para 2017. [14] [15] [16]
En julio de 2017, Scaled Composites modificó un primer P2006T a la configuración X-57 Mod II reemplazando 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 propulsiva . 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 . [17]
El Tecnam P2006T donante fue recibido en California en julio de 2016. En una prueba de diciembre de 2016, una celda de batería se cortocircuitó y el sobrecalentamiento se extendió a otras celdas, lo que requirió que el empaque se rediseñara de ocho a dieciséis 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 objetivo de peso del Mod III es de 3000 lb (1400 kg) desde las 2700 lb (1200 kg) del P2006T 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 las mismas velocidades que el P2006T aún no está financiado. [18]
En diciembre de 2017, el módulo de batería rediseñado con refrigeración pasiva, con 320 celdas de iones de litio en lugar de las 640 que tenía, pasó las pruebas. La experiencia ayudó a Electric Power Systems a desarrollar una batería para el Sun Flyer 2 de Bye Aerospace , 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. Las pruebas de aceptación del motor, que implicaban una prueba de resistencia de 80 horas, se simplificarían antes de la integración del vehículo. El contratista ES Aero dirigirá extensas pruebas en tierra durante meses, que culminarán en una prueba de 30 minutos a plena potencia similar a una misión, antes de volar en 2019. [19]
En septiembre de 2018, los primeros motores de crucero eléctricos Joby Aviation JM-X57 se montaron 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 ESAero de alta relación de aspecto y baja resistencia estaba casi terminada, para volar el Mod 3 a mediados de 2020. [20]
Construido por Xperimental, las pruebas de carga alar optimizadas para crucero se completaron en septiembre de 2019, hasta ±120% del límite de carga de diseño, verificando el movimiento libre de las superficies de control y las pruebas de vibración para las predicciones de aleteo. Después de las pruebas en tierra de los motores, ESAero debía entregar el avión X Mod 2 con motores eléctricos que reemplazaran los motores de pistón originales al Centro de Investigación de Vuelo Armstrong de la NASA en California en la primera semana de octubre. [21] ESAero lo entregó el 2 de octubre de 2019. [22] En ese momento, las pruebas en tierra de los sistemas debían comenzar a fines de 2019, y las pruebas de vuelo debían comenzar en el tercer trimestre de 2020. [23]
En febrero de 2021, la NASA debía iniciar las pruebas funcionales terrestres de alto voltaje Mod 2 en el Centro de Investigación de Vuelo Armstrong en Edwards, California , con miras a las pruebas de rodaje y el primer vuelo. [24]
En junio de 2023, el programa se canceló debido a problemas de seguridad descubiertos con el sistema de propulsión que no se pudieron resolver dentro del presupuesto y el tiempo asignados para el programa. El programa se había iniciado asumiendo que la tecnología de propulsión eléctrica existente era lo suficientemente madura para un vuelo seguro, pero resultó que ese no era el caso. [4] [5]
El X-57, modificado a partir de un Tecnam P2006T , habría sido un avión eléctrico , con 14 motores eléctricos que impulsaban hélices montadas en los bordes de ataque de las alas. [25] Los 14 motores eléctricos se utilizarían durante el despegue y el aterrizaje, y solo los dos exteriores se utilizarían 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 personas. [26] Tendrá un alcance de 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 282 km/h (152 nudos). [14] Una reducción de tres veces debería provenir del cambio de motores de pistón a eléctricos de batería. [21]
La propulsión distribuida aumenta el número y reduce 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, lo que permite colocarlos en lugares diferentes y más favorables. En este caso, los motores se montan por encima y se distribuyen a lo largo de las alas en lugar de estar suspendidos por debajo de ellas. [7]
Las hélices están montadas sobre el ala. Aumentarán el flujo de aire sobre el ala a velocidades más bajas, aumentando su sustentación. La mayor sustentación le permite operar en pistas más cortas . Un ala de este tipo podría tener solo un tercio del ancho del ala que reemplaza, lo que ahorraría peso y costos de combustible. Las alas típicas de los aviones ligeros son relativamente grandes para evitar que la aeronave entre en pérdida (lo que sucede a bajas velocidades aerodinámicas, cuando el ala no puede proporcionar suficiente sustentación). Las alas grandes son ineficientes a velocidad de crucero porque crean un exceso de resistencia . [6] Las alas se optimizarán para crucero, con los motores protegiéndolas de pérdidas a baja velocidad y logrando el estándar de aeronaves pequeñas de 70 mph (113 km/h; 61 nudos). [7]
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 las alas para hacer frente a las condiciones de vuelo, como las ráfagas de viento. Al volar en crucero, las hélices más cercanas al fuselaje se podrían plegar hacia atrás para reducir aún más la resistencia, dejando que las que están hacia las puntas de las alas muevan el avión. Este tipo de aeronaves no tendrían emisiones en vuelo, funcionarían con menos ruido y reducirían los costos operativos en un 30 % aproximadamente. [6] Se esperaba que la eficiencia en crucero aumentara entre 3,5 y 5 veces. [7]
El ala de 31,6 pies (9,6 m) de envergadura con una relación de aspecto de 15 se compara con una envergadura de 37,4 pies (11,4 m) y una relación de aspecto de 8,8 para el ala P2006T de serie, 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. [7] El ala cuenta con doce hélices de crucero de 1,89 pies (0,58 m) de diámetro que requieren cada una 14,4 kW (19,3 hp) de potencia del motor a 63 mph (102 km/h; 55 kN) y giran a 4.548 rpm . Las hélices de cinco palas se pliegan en crucero para reducir la resistencia. Cada punta del 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 170 mph (280 km/h; 150 kN) y giran a 2250 rpm. La ubicación de la punta del ala ofrece una interacción favorable con los vórtices de la punta del ala , lo que se espera que proporcione un ahorro de resistencia del 5%. [7] Los paquetes de baterías de 47 kWh (170 MJ) pesan 860 lb (390 kg) para una densidad de 121 Wh/kg. [20]
El conjunto de 12 hélices de alta sustentación debería mantener la velocidad de pérdida de 67 mph (107 km/h; 58 nudos) . El ala optimizada tiene un 40% del área de referencia, lo que reduce la resistencia por fricción , y una carga alar 2,6 veces mayor. [21] Tendrá 32,8 pies (10,0 m) de ancho, pero tendrá una cuerda un 40% más pequeña , para una carga alar de entre 17 y 45 psf (83 a 220 kg/m 2 ), y debería volar a un coeficiente de sustentación más alto , alrededor de 4, más del doble del ala de referencia. [23]
Datos de la NASA [27]
Características generales
Actuación