Considerado durante mucho tiempo como un nicho, el mercado de vuelos verticales está siendo testigo de una afluencia de tecnología e inversión que la industria no ha visto en décadas. La capacidad de despegar y aterrizar verticalmente se considera cada vez más esencial para la movilidad, en el centro de la ciudad o en el campo de batalla.
Si bien gran parte de la actividad proviene del creciente interés en torno al campo naciente de la movilidad aérea urbana (UAM), las mismas tecnologías habilitadoras están revitalizando las aplicaciones de helicópteros más tradicionales y potencialmente abriendo nuevos mercados. Ya se trate de velocidad, electrificación o autonomía, el impacto está resonando en toda la industria.
Lo que ha cambiado para la industria es el reconocimiento de que la capacidad de despegue y aterrizaje vertical (VTOL), la capacidad de operar independientemente de las pistas, es un facilitador de la movilidad. Flotar es una capacidad diferente, una que se requiere para realizar ciertas misiones como levantar cargas externas, maniobrar a bajo nivel o realizar una observación precisa. La capacidad de flotar puede hacer que las operaciones de VTOL sean más seguras, pero no es esencial para aplicaciones emergentes como UAM. Esta distinción está expandiendo el mercado direccionable.
Y esa expansión se puede medir de varias maneras, ya sea por el número de nuevas empresas eléctricas VTOL (eVTOL), ahora en cientos, o la membresía corporativa en la principal organización técnica de la industria, la Vertical Flight Society, que creció un 15% en 2020 y se ha duplicado en los últimos cinco años. Esto ha hecho del vuelo vertical uno de los mercados de más rápida evolución en los últimos años.
Un indicador del ritmo y alcance del cambio en curso es la velocidad. Después de décadas de construir helicópteros que navegan a alrededor de 140-150 kt., Los fabricantes estadounidenses y europeos están desarrollando helicópteros de próxima generación capaces de navegar a velocidades muy por encima de los 200 kt.
La velocidad siempre ha sido posible: el Westland Lynx en 1986 estableció un récord de velocidad de helicóptero de 216 kt., Que todavía se mantiene en la actualidad, y el Bell Boeing V-22 puede navegar a 275 kt. Pero el rotor basculante sigue siendo un activo militar único, al menos hasta que Leonardo certifique el rotor basculante civil AW609.
Lo que faltaba era una imperiosa necesidad de velocidad. Ahora, el Ejército de los EE. UU. Quiere ir más lejos más rápido para poder sobrevivir en entornos en disputa. El resultado es el programa Future Long-Range Assault Aircraft (FLRAA), que reemplazará al Sikorsky UH-60 Black Hawk a partir de 2030.
FLRAA enfatiza la velocidad, el alcance y la resistencia en el alcance. Como precursor, se construyeron dos demostradores de helicópteros de alta velocidad. El rotor basculante Bell V-280 Valor ha superado los 280 kt. en pruebas de vuelo, y un equipo de Sikorsky-Boeing espera superar los 250 kt. con el helicóptero compuesto de rotor rígido coaxial SB-1.
Pero la velocidad tiene un precio. Ir dos veces más lejos, dos veces más rápido que el Black Hawk, requerirá el doble de potencia y probablemente costará el doble. Y el Ejército tiene muchas misiones más lentas y cortas realizadas hoy por el UH-60. Entonces, mientras que el desafío de Sikorsky-Boeing con el SB-1 era mostrar que un helicóptero puede ir rápido, el objetivo de Bell con el V-280 era demostrar que un rotor basculante tiene las habilidades de baja velocidad para realizar misiones en helicóptero.
La velocidad absoluta puede no ser el factor crítico. Al presentar su diseño Defiant X para FLRAA en enero, el equipo de Sikorsky-Boeing dijo que está optimizado para la “velocidad donde importa”, que es dentro y alrededor del área objetivo para que las tropas puedan ser desembarcadas y descargadas de manera rápida y con capacidad de supervivencia. En ese entorno, la capacidad de desacelerar rápidamente y maniobrar con agilidad es tan importante como la velocidad, argumenta el equipo.
La iniciativa más amplia Future Vertical Lift (FVL) para modernizar las flotas de helicópteros del Pentágono ha perdido parte de su enfoque característico en la velocidad, ya que los servicios individuales especifican sus requisitos. El propio Ejército soltó el pedal del Avión de Reconocimiento de Ataque Futuro (FARA), estableciendo el umbral de velocidad para su explorador armado en 180 kt más modestos. en comparación con 250 kt. para FLRAA.
Mientras tanto, el requisito de FVL-Maritime Strike de la Armada para reemplazar el Lockheed Martin MH-60 y Northrop Grumman MQ-8 enfatiza la resistencia. Pero el Cuerpo de Marines sigue centrado en la velocidad y el alcance: su requisito de Aeronave de Reemplazo de Utilidad de Ataque exige 310 nudos. velocidad del tablero y un radio de misión de 450 nm, más allá de las necesidades del Ejército para FLRAA y probablemente solo al alcance de un rotor basculante.
El problema inevitable que viene con la velocidad es la asequibilidad, y eso es igualmente cierto en el ámbito comercial. Europa se ha embarcado en dos programas de demostración de helicópteros rápidos destinados a cerrar la brecha entre helicópteros y aviones regionales de ala fija. Pero requisitos como la reducción de los costes de propiedad y el impacto medioambiental son tan importantes como aumentar la velocidad y el alcance.
Bajo el programa de investigación Clean Sky 2, Airbus Helicopters lidera el demostrador Racer, que está diseñado para mantener la versatilidad de un helicóptero mientras aumenta la velocidad a 220 kt. y reducir el costo por distancia volada en un 25%. El resultado es un helicóptero compuesto con un ala de caja y propulsores montados en la punta. El Racer entrará en ensamblaje final este año y está previsto que vuele en 2022.
Leonardo Helicopters lidera el demostrador Tiltrotor civil de próxima generación (NGCTR), que está diseñado para navegar a 280 kt. en comparación con 165 kt. para el helicóptero AW139 de tamaño similar. Pero la clave del programa, como con el Bell V-280, es demostrar que los costos de construcción y operación de un rotor basculante pueden reducirse al alcance de un helicóptero convencional equivalente.
Basado en el AW609, el NGCTR está demostrando un ala recta simple y motores fijos con propulsores y cajas de cambios basculantes, que también son características de diseño cruciales del V-280 de Bell que abordan los factores de costo en la primera generación de rotores basculantes. Está previsto que el demostrador vuele a mediados de 2023, pero Leonardo no espera tener un rotor inclinable civil de 25 asientos listo para el servicio antes de 2035.
La electrificación es una nueva área de interés para la aviación, y el sector de helicópteros no es una excepción. Pero los desafíos son únicos debido a la combinación de densidad de energía y densidad de potencia requerida para el vuelo vertical. Mientras que las nuevas empresas de UAM están liderando la carga hacia eVTOL, los fabricantes establecidos están explorando el valor que la electrificación podría aportar a los helicópteros.
Una característica de los helicópteros es que la potencia requerida para VTOL y vuelo estacionario es significativamente mayor que la necesaria en crucero. El funcionamiento de los motores de turbina a potencia parcial es ineficiente, por lo que el consumo de combustible es alto. Una opción es apagar uno de dos o más motores en crucero. Este enfoque será demostrado por el Racer, que es capaz de apagar y reiniciar uno de sus dos motores Safran RTM322 en vuelo.
Otra opción es utilizar un motor más pequeño y aumentar su potencia durante VTOL con un motor eléctrico a batería. Esto elimina el riesgo de reiniciar un motor en vuelo, pero agrega el peso muerto de las baterías en crucero. Sin embargo, la hibridación podría tener otros usos potencialmente valiosos.
Uno es un sistema de respaldo eléctrico que ayuda a mantener la velocidad del rotor durante la autorrotación después de una falla del motor. Airbus planea probar el sistema este año utilizando su Flightlab basado en H130 de turbina única. Alimentado por una batería de 1 kWh, el motor eléctrico de 100 kW proporcionará 30 segundos. de poder. Una fase posterior conectará dos motores en paralelo y habilitará 2 min. de vuelo eléctrico de baja potencia para ayudar a encontrar una zona de aterrizaje segura.
Probado por primera vez en 2011 pero considerado demasiado pesado, el sistema de respaldo se está revisando debido a los aumentos en la densidad de potencia del motor y la densidad de energía de la batería. Airbus cree que el sistema también podría usarse para aumentar la potencia del motor y aumentar la carga útil de un helicóptero ligero, así como para reducir el ruido al permitir que el rotor se desacelere y al mismo tiempo permitir una rápida puesta en marcha en caso de emergencia.
Mejorar la seguridad reemplazando el rotor de cola es otra aplicación potencial de la electrificación. Bell probó en vuelo su sistema Anti-Torque distribuido eléctricamente (EDAT) en 2019 en un Modelo 429. Usando componentes listos para usar, el demostrador reemplazó el rotor de cola simple del 429 con una cola vertical agrandada que alberga cuatro ventiladores con conductos controlados por rpm que podría ser operado individualmente.
El EDAT podría funcionar con tres de los cuatro ventiladores inactivos, proporcionando una redundancia de la que carece un rotor de cola convencional. Los motores también se pueden operar de forma bidireccional, lo que permite un control más preciso. El cableado reemplazó el eje de transmisión del rotor de cola y las cajas de cambios, lo que potencialmente redujo el mantenimiento. Bell también notó una reducción de ruido de 6-7 dB. La compañía está optimizando el diseño de EDAT pero aún no ha anunciado una aplicación.
Las densidades de potencia y energía siguen siendo un desafío para la electrificación de helicópteros. Los desarrolladores de vehículos eVTOL están progresando, en parte debido a las mejoras en los motores y las baterías, pero también porque los diseños de taxis aéreos están evolucionando hacia vehículos que son esencialmente aviones de ala fija con capacidad VTOL breve. Estos diseños aprovechan la eficiencia aerodinámica del vuelo aéreo y evitan la pérdida de energía del vuelo estacionario en el rotor.
Los helicópteros totalmente eléctricos todavía son un tramo, aunque Tier 1 Engineering ha recibido fondos de United Therapeutics (UT) para obtener la certificación de tipo suplementaria de la FAA para una actualización del tren de potencia eléctrica de batería para el helicóptero ligero Robinson R44. UT está interesada en utilizar el R44 eléctrico para el transporte de órganos, y Eco Helicopters tiene un acuerdo para utilizar R44 modernizados para los servicios de UAM.
Si bien los pioneros como EHang y Volocopter ven un nicho para los eVTOL multicópteros de corto alcance dentro de las ciudades, un número creciente de desarrolladores de taxis aéreos apuntan a entre 15 y 50 millas. o viajes más largos que pueden ahorrar a los clientes un tiempo significativo en el transporte terrestre. El resultado son vehículos que se ven bastante diferentes tanto en la estructura del avión como en la arquitectura del sistema. Pero queda por ver hasta qué punto estos diseños penetrarán en los mercados tradicionales de helicópteros.
La autonomía es otra tendencia que atrae a la aviación y, nuevamente, plantea desafíos particulares para la industria de VTOL. Los helicópteros operan a altitudes más bajas, dentro y fuera de espacios confinados, en lo que eufemísticamente se llama un “entorno rico en obstáculos”. Identificar de forma autónoma las zonas de aterrizaje seguras y evitar el terreno, los árboles, los cables y otros peligros son cuestiones clave que deben abordarse.
La base de una mayor automatización es la adopción del control de vuelo fly-by-wire (FBW), primero en el ámbito militar y ahora en el ámbito comercial, comenzando con el Bell 525. Se espera que la tendencia continúe: Startup Skyryse apunta al R44 como un primer paso. aplicación de su sistema FlightOS. FlightOS está diseñado para proporcionar un control de vuelo simplificado y un mayor nivel de automatización mediante la construcción de una columna vertebral FBW que se puede adaptar a aviones de aviación general, incluidos helicópteros.
Sikorsky ha buscado la autonomía desde que lanzó su programa de I + D de Matrix Technologies en 2013. La compañía ha desarrollado más helicópteros fly-by-wire que cualquier otro fabricante, y el programa Matrix está desarrollando un sistema de gestión de autonomía certificable que se puede conectar a cualquier FBW- aviones habilitados, no solo helicópteros. Usando Matrix, Sikorsky modificó un S-76 como banco de pruebas y convirtió un S-70A Black Hawk en un vehículo opcionalmente pilotado (OPV).
Las capacidades demostradas incluyen la ejecución autónoma de la misión y la replanificación dinámica, la selección de la zona de aterrizaje y la evitación de obstáculos mediante un sistema de percepción multisensor. Los próximos pasos incluirán la demostración de la colaboración de misiones complejas entre el S-70A OPV y un UH-60M del Ejército de los EE. UU. También adaptado a FBW y equipado con el sistema de autonomía Matrix. El Ejército ha dicho que la capacidad autónoma se diseñará tanto en FLAA como en FARA.
Con la autonomía como objetivo a largo plazo, la industria de UAM también está presionando mucho para permitir la operación simplificada del vehículo, tanto para aliviar el desafío de la capacitación de pilotos durante la ampliación como para allanar el camino para operaciones pilotadas remotamente de menor costo y, finalmente, completamente autónomas. . Pero la misma tecnología seguramente llegará a los mercados tradicionales de helicópteros.
Kaman está desarrollando un sistema de aviones comerciales no tripulados basado en su helicóptero de elevación externa K-Max y destinado a misiones como la extinción de incendios, para las que la capacidad pilotada opcionalmente podría ser valiosa. Erickson planea demostrar una capacidad autónoma para realizar misiones peligrosas de extinción de incendios con el S-64 Skycrane de carga pesada utilizando el sistema Matrix de Sikorsky. Airbus utilizará su Flightlab para probar sensores y software para mejorar la seguridad y hacer que volar sea más intuitivo.
Al ritmo histórico de la industria, podría haber sido necesario décadas para introducir las tecnologías que ahora se están acelerando en el mercado de helicópteros debido a los desarrollos en el sector de UAM. El vuelo vertical sigue siendo uno de los dominios más desafiantes en la aviación, pero con un respeto renovado por sus capacidades, se está llevando a cabo un esfuerzo más intenso y diverso de lo que se ha visto en décadas para hacer avanzar el VTOL.
Fuente https://aviationweek.com/forum/aerospace-defense/technology-infusion-expanding-market-opportunities-vertical-flight
