Sebbene le auto ibride elettriche stiano diventando comuni, una tecnologia simile applicata agli aeroplani presenta sfide significativamente diverse. Gli ingegneri aerospaziali dell'Università dell'Illinois stanno indirizzando alcuni di loro verso lo sviluppo di un'alternativa più sostenibile ai combustibili fossili per alimentare gli aeroplani.

"Il carburante per aerei e la benzina per aviazione sono facili da riporre su un aereo. Sono compatti e leggeri rispetto alla quantità di energia che forniscono. Sfortunatamente, l'effettivo processo di combustione è molto inefficiente. Stiamo sfruttando solo una piccola parte di quell'energia, ma al momento non disponiamo di sistemi di accumulo elettrico in grado di competere con quella, " ha detto Phillip Ansell, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale presso il College of Engineering dell'Università dell'Illinois.

Ansell ha detto che aggiungere più batterie per volare più lontano può sembrare logico, ma va contro l'obiettivo di rendere un aereo il più leggero possibile. "Questa è una delle grandi barriere che incontriamo durante la progettazione di velivoli elettrificati alimentati a batteria. L'attuale tecnologia ha svantaggi di autonomia molto significativi. Ma forti vantaggi in termini di consumo di carburante".

Lui, insieme all'ex studente universitario aerospaziale, Tyler Dean, e attuale dottoranda Gabrielle Wroblewski, ha utilizzato una serie di simulazioni per modellare le prestazioni di velivoli ibridi-elettrici.

"Abbiamo iniziato con un aeromobile bimotore esistente e abbiamo esaminato come creare una trasmissione ibrida-elettrica utilizzando hardware standard esistente, " Ansell ha detto. "Volevamo sapere come si sarebbe comportato. Se ho usato un certo set di componenti della trasmissione, Voglio sapere fino a che punto l'aereo potrebbe volare, quanto carburante brucia, quanto velocemente può salire, tutte le prestazioni di volo complessive cambiano."

È stato creato un simulatore di prestazioni di volo per rappresentare con precisione le reali prestazioni di volo di un Tecnam P2006T in una missione generale che includa il decollo, salita, crociera, discesa, e atterraggio, insieme a riserve sufficienti per soddisfare le normative FAA. I segmenti di transizione sono stati incorporati nella simulazione durante la salita e la discesa in cui l'impostazione dell'acceleratore, spiegamento del lembo, velocità di rotazione dell'elica, e tutte le altre variabili di controllo del volo sono state impostate per imitare l'input di un pilota tipico o prescritte in conformità con il manuale di volo dell'aeromobile.

Dopo aver configurato il simulatore per raccogliere i dati sulle prestazioni di base, una trasmissione ibrida parallela è stata integrata nella simulazione. I ricercatori hanno confrontato la sensibilità dell'autonomia e del risparmio di carburante con il livello di elettrificazione, densità di energia specifica della batteria, e densità di potenza del motore elettrico. Le stesse sensibilità sono state studiate con una trasmissione ibrida-elettrica di serie.

Ansell ha detto che, globale, una trasmissione ibrida-elettrica può portare a miglioramenti sostanziali nell'efficienza del carburante di una determinata configurazione di aeromobile, sebbene questi guadagni dipendano fortemente dalle variazioni accoppiate del grado di elettrificazione della trasmissione e dell'intervallo di missione richiesto. Entrambi questi fattori influenzano l'allocazione del peso della batteria e dei sistemi di alimentazione, così come il ridimensionamento del peso imposto dal motore a combustione interna e dai componenti del motore elettrico. Generalmente, per ottenere la massima efficienza del carburante, dovrebbe essere utilizzata un'architettura ibrida con la massima elettrificazione nella trasmissione consentita entro un dato requisito di autonomia.

I miglioramenti dell'efficienza del carburante si sono dimostrati particolarmente brillanti per le missioni a corto raggio, il che è una buona cosa poiché i limiti di autonomia rappresentano uno dei principali colli di bottiglia nella fattibilità degli aerei ibridi. Benchè, attraverso questo studio è stato anche possibile prevedere i cambiamenti nelle capacità di autonomia del velivolo con i progressi nelle tecnologie dei componenti ibridi. "Per esempio, "Ansell ha detto, "Il sistema di propulsione oggi potrebbe essere configurato per avere il 25% della sua potenza propulsiva proveniente da un motore elettrico. Tuttavia, sarebbe in grado di volare solo per circa 80 miglia nautiche. Avanti veloce alle proiezioni per tecnologie di batterie più leggere per circa l'anno 2030 e lo stesso aereo potrebbe volare da due volte e mezzo a tre volte più lontano. L'aumento della gamma è non lineare, quindi i miglioramenti più grandi possono essere visti per i miglioramenti più immediati con la densità di energia specifica della batteria, con rendimenti gradualmente decrescenti per quello stesso aumento proporzionale di energia specifica."

"Un risultato interessante e inaspettato che abbiamo osservato, però, è nata quando si confrontano le architetture ibride parallele e serie. Poiché l'architettura parallela accoppia meccanicamente la potenza dell'albero del motore e del motore insieme, è necessaria una sola macchina elettrica. Per l'architettura in serie, è necessario anche un generatore per convertire la potenza del motore in energia elettrica, insieme a un motore più grande rispetto alla configurazione ibrida parallela per azionare il propulsore. inaspettatamente, questo aspetto ha reso l'architettura parallela più vantaggiosa per una migliore autonomia e consumo di carburante quasi su tutta la linea grazie al suo peso più leggero. Però, abbiamo osservato che se vengono apportati miglioramenti significativi nella maturazione dei componenti del motore elettrico a lunghissimo termine, potremmo effettivamente vedere un giorno una migliore efficienza dalle architetture ibride in serie, in quanto consentono una maggiore flessibilità nel posizionamento e nella distribuzione dei propulsori."

Il team ha scelto di modellare il Tecnam P2006T utilizzando una serie di variabili prestazionali trovate negli articoli pubblicati dal produttore dell'aereo. Hanno selezionato quel particolare aereo, in parte, perché la NASA ha lavorato sul suo aereo X-57, che ha eliche all'avanguardia per un'elevata portanza. "Questo studio è stato condotto per la NASA, e l'uso di questo aereo ha anche permesso ai nostri risultati di essere meglio applicabili al veicolo concettuale X-57, " ha detto Ansell. "Utilizzando i nostri dati, saranno in grado di avere almeno un'idea di come si comporterà il sistema ibrido senza le altre modifiche alla propulsione distribuita".

Ansell ha affermato che l'elettrificazione della propulsione è ancora molto sconosciuta in termini di come dovrebbe essere costruito un veicolo, ingegnerizzato, volato. "Il nostro studio aiuta a informare queste discussioni. Abbiamo esaminato solo i sistemi di accumulo a batteria, anche se ce ne sono molti altri che possono essere implementati, ognuno con i propri vantaggi e svantaggi. Questo studio ci ha permesso di esaminare quali tipi di progressi devono essere fatti nella tecnologia dei motori, nella tecnologia delle batterie, eccetera."

Lo studio, "Analisi della missione e studio della sensibilità a livello dei componenti dei sistemi di propulsione dell'aviazione generale ibridi-elettrici, " è stato condotto da Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, e Phillip Ansell. Appare in Giornale degli aerei .