¿Cuáles son algunos beneficios alternativos a la propulsión eléctrica?

Para aviones, ninguno .

Los trenes de transmisión híbridos se utilizan porque:

• Ofrecen una mejora de la eficiencia bastante limitada al poder operar el motor más cerca de sus condiciones óptimas.

  Debido a que los motores de encendido por chispa son más eficientes en configuraciones de mayor potencia, el híbrido puede obtener ventajas al tener un motor más pequeño, hacerlo funcionar a (relativamente) alta potencia o no funcionar en absoluto y cubrir las variaciones en la potencia requerida utilizando el motor eléctrico.

  Los automóviles aceleran y se detienen mucho y, a menudo, viajan con una pequeña fracción de potencia, por lo que pueden hacer un buen uso de esto.

  La ventaja sólo se aplica a los motores de encendido por chispa, es decir, de gasolina. Los motores de encendido por compresión (diésel) tienen una eficiencia más uniforme en su rango de funcionamiento, por lo que la ventaja es insignificante o nula. Lo cual es parte de la razón por la que no se ven autos diésel híbridos.

• Las baterías se pueden precargar con una red eléctrica más económica. Esto se usa en los autos híbridos, pero obviamente requiere muchas baterías pesadas .

• Los motores eléctricos pueden proporcionar un alto par desde parado. Los motores de pistón solo pueden proporcionar un par limitado desde parado y sobrecargan mucho el embrague.

  Esto es particularmente importante para las locomotoras de los trenes. Las ruedas del tren tienen cojinetes lubricados por bombas de aceite conectadas a los ejes que solo funcionan cuando el tren está en movimiento, por lo que cuando el tren se detiene, los cojinetes no están lubricados y la fuerza requerida para ponerlo en movimiento es mucho mayor que cuando está en movimiento.

• En salidas de alta potencia, el generador eléctrico y el motor son más simples y más confiables que una caja de cambios y un embrague. Para motores de trenes y barcos grandes, el embrague mecánico está fuera de cuestión. Se puede utilizar uno hidráulico, que es una turbobomba y turbina en aceite, pero que aún necesita caja de cambios variable. El tren de transmisión eléctrico actúa como una transmisión variable continua casi ideal, pudiendo entregar una potencia casi constante en un amplio rango de velocidades de rotación.

En cualquier caso, la transmisión híbrida es más pesada que la mecánica.

Ahora para aviones :

• El motor funciona a una velocidad constante y un ajuste de potencia, que es relativamente alto (por lo general, el ajuste de crucero es del 75 % para el pistón e incluso más alto para los aviones de turbina). Por lo tanto, no hay espacio para diseñar un tren de transmisión híbrido para hacer funcionar el motor más cerca de lo óptimo.

• El peso es fundamental para las aeronaves, por lo que el peso del generador eléctrico y el motor es un factor decisivo allí. Para los automóviles, agregar peso provoca un menor aumento en la resistencia, por lo que es menos preocupante y los trenes incluso deben ser pesados ​​​​para tener suficiente adherencia para su tracción.

• Dado que el peso es fundamental, los aviones no pueden permitirse el lujo de llevar muchas baterías que podrían precargarse con electricidad de red más barata, el otro beneficio que tienen los automóviles híbridos.

• Las hélices casi no necesitan fuerza para comenzar a girar y se operan en un rango estrecho de RPM, por lo que la capacidad del motor eléctrico para proporcionar par desde parado y en un amplio rango de RPM no es útil para las aeronaves.

Por lo tanto, ninguno de los beneficios por los que se utilizan los trenes de transmisión híbridos en otros vehículos es aplicable a los aviones, por lo que no tiene sentido construir uno.

Estoy de acuerdo con la respuesta anterior de que hay una serie de problemas con la implementación de un híbrido en serie (por ejemplo, un generador de energía química que funciona con motores eléctricos) en un avión, pero creo que también hay un par de aspectos positivos. ...aunque es posible que tengamos que diseñar un nuevo sistema de propulsión en lugar de complementar uno existente. Encontré un estudio de la NASA que analiza la propulsión turboeléctrica distribuida para reemplazar los scramjets de hidrógeno almacenados criogénicamente en un avión BWB que muestra el potencial para ahorrar peso al pasar al sistema eléctrico ( https://mdao.grc.nasa.gov/publications/ IPLF08-Kim.pdf ), pero esa es una aplicación bastante específica. Sin embargo, esto, naturalmente, no implica universalmente que ese sea el caso: solo por ahora y para esa aplicación.

Sin embargo, la mención de la propulsión distribuida destaca una gran ventaja para los sistemas de propulsión eléctrica. Es mucho más fácil enrutar líneas eléctricas flexibles que conexiones de ejes mecánicos. Por lo tanto, si desea tener múltiples motores... la propulsión eléctrica le permite hacerlo con relativa facilidad. Además, supongamos que desea fabricar un avión que pueda flotar y navegar como un avión de ala fija típico; por lo general, tendría que diseñar un cambio de paso colectivo en sus propulsores. O, con la propulsión eléctrica, podría tener un montón (me refiero a más de 12) de propulsores, cada uno de los cuales se adapta con una distribución de torsión adecuada para un determinado modo de vuelo. Mire un diseño propuesto por la NASA ( http://aero.larc.nasa.gov/files/2012/11/Distributed-Electric-Propulsion-Aircraft.pdf), un diseño separado de Aurora Flight Sciences que ha avanzado en el programa DARPA X-Plane ( http://www.darpa.mil/news-events/2016-03-03 ), o el diseño reciente de Lilium Aviation ( http:/ /lilium-aviation.com/ ). Dado que todos estos son conceptos , no hay nada probado por un diseño funcional hasta el momento... pero parece que mucha gente está investigando las posibilidades que ofrece un sistema de propulsión eléctrica distribuida. El esperado advenimiento de las baterías de litio-azufre también debería ser un gran problema aquí. Se espera que estas baterías tengan una capacidad de ~500 kWh/kg (aproximadamente 2 veces el mejor Li-poly disponible ahora), pero creo que 2019 es la fecha esperada para que las baterías Li-S de alta capacidad comiencen a llegar al mercado.

Finalmente, una cosa acerca de los motores es que su eficiencia puede variar dramáticamente dependiendo de cómo se estén ejecutando (es decir, la carga en el motor, RPM, etc.). Lamentablemente, este extracto de un libro de texto alemán está en alemán ( https://books.google.com/books?id=QAGHZPVnnSAC&pg=PA540#v=onepage&q&f=false ), pero la idea básica se refleja en una página de Wikipedia donde el la trama se reproduce en inglés ( https://en.wikipedia.org/wiki/Consumption_map). En el eje vertical está la potencia de salida de un motor de encendido por chispa, el eje horizontal son las RPM a las que está funcionando el motor, los contornos son, esencialmente, el consumo de combustible. En resumidas cuentas, si tiene algún cambio en la carga del motor o en qué RPM está funcionando, no está funcionando de la manera más eficiente. Este sería el caso de su propulsión no híbrida típica, donde la carga y las RPM varían con las condiciones de vuelo. Sin embargo, si desacoplamos la condición de vuelo (es decir, la velocidad de crucero deseada, la configuración del acelerador, la configuración de la velocidad de la hélice, la configuración del paso de la hélice, etc.) del motor químico y dejamos que un motor eléctrico (que tiene una eficiencia mucho mayor que un motor químico) se ocupe con estas variaciones, podemos, concebiblemente, haga funcionar el motor químico dentro de un rango de rendimiento óptimo (probablemente se necesitará alguna variación si la potencia de salida es excesiva, pero ese es un problema de diseño en el que intentaría dimensionar el motor para que sea más eficiente en crucero, creo). Eso es un ahorro de combustible para nosotros, además de una disminución en el desgaste del motor porque no tiene que ver todas las variaciones de aceleración típicamente presentes en un vuelo normal.

Como se señaló, este no es el caso de un avión típico (pequeñas bandas de RPM)... pero ¿qué pasaría si decidiéramos jugar el juego que están jugando Aurora, Lilium y la NASA y fabricar aviones VTOL/STOVL? Las diferencias entre volar un proprotor en vuelo de canto y axial son dramáticas, y tener control de RPM puede marcar una gran diferencia y podría obviar la necesidad de hélices de paso variable. Simplemente diseñe correctamente su distribución de torsión, varíe sus RPM y es posible que pueda obtener una eficiencia aceptable en ambos regímenes (al menos para velocidades más lentas). O, como la NASA, use dos conjuntos diferentes de propulsores para un crucero de ala fija y un vuelo vertical, cada uno optimizado para ese régimen de vuelo específico. No digo que sea fácil... solo que la propulsión eléctrica hace que la oportunidad se presente.

Pero sí, el peso y la tecnología son las principales preocupaciones... y se puede ver en los aviones eléctricos que se han construido hasta la fecha. Firefly (el helicóptero eléctrico de Sikorsky) tiene una resistencia máxima, creo, de 15 minutos. Helios ( https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-068-DFRC.html) es un avión limpio, pero mire lo endeble que es el diseño para permitir que funcione como un híbrido solar/célula de combustible (es decir, la energía solar simplemente no proporciona mucha energía, por lo que necesita hacer una luz, aviones de alta relación de aspecto). El Gamera-S es un cuadricóptero alimentado por energía solar que se está desarrollando en la Universidad de Maryland (ver más abajo), pero mire cuán escaso es el marco: el peso es un GRAN problema para estos aviones, especialmente dada la cantidad de energía que podemos obtener actualmente. de las pilas o del sol. Los híbridos en serie no eliminan ese problema (ya que introduce el peso del motor, el peso del combustible, el peso del sistema de lubricación, etc.), pero puede brindarle un par de ventajas, como se indicó anteriormente.