EFICIENCIA ENERGÉTICA, RENDIMIENTO DE VUELO EN DRONES ELÉCTRICOS
En el sector de las aeronaves no tripuladas, vemos decenas de diseños distintos, y la mayoría para las mismas misiones y trabajos en común.
Son muchos los fabricantes de drones aéreos que siguen cometiendo el mismo error de siempre, solo tiene en sus diseños más motores con hélices.
Por eso nunca van a mejorar la autonomía, la *carga útil o (payload) y la eficiencia energética; y que realicen un trabajo completo sin la necesidad de estar siempre reemplazando baterías en la mayoría de las veces. (actualmente los fabricantes solo venden motores y hélices, y no aeronaves eficientes energéticamente).
*carga completa que puede llevar una aeronave, ya sea sensores ópticos, cámaras, logística, líquidos (pesticidas para fumigación agrícola) entre otros.
Desde el principio de la aviación controlada y motorizada en el siglo XX ya los ingenieros y diseñadores se dieron cuenta que esos componentes (hélices-motores), se tenían que instalar en el menor numero posible para tener un performance de vuelo muy sobresaliente.
Por otra parte son pocos los fabricantes de drones aéreos que si saben de aeronáutica, conceptos como aerodinámica, carga alar, carga de disco, flujo laminar, capa límite, flujo turbulento que pocos entienden y también saben que existen tan solo 4 aeronaves, que cumplen y superan a las aeronaves anteriormente mencionadas en la imagen del principio; en performance, velocidad, autonomía y carga útil.
Si observan, en noticias aeronáuticas y aviación no tripulada, verán que los grandes fabricantes globales de helicópteros y aviones, no desarrollan cuadricópteros, ni octacópteros ni siquiera aviones multi-helices con capacidad de despegue vertical.
Ellos ya saben que es un sistema ineficientemente energéticamente y no es viable para aeronaves con mas de 30 kilogramos de peso.
Todos los links e hipervínculos de esta sección, están funcionales y actualizados para que ustedes mismos indaguen y se informen.
En el diseño de una aeronave, el peso total final en vacío, sin carga útil, sin combustible, en este caso sin baterías, es muy importante. Aquí estás luchando en contrarrestar con propulsión eléctrica la resistencia al avance en el aire lo que se llama "Drag" y al mismo tiempo crear la suficiente velocidad de avance para un ala, o velocidad de rotación para un rotor (ala rotatoria) para vencer la fuerza gravitacional de la Tierra por otra fuerza opuesta, que es la fuerza de sustentación.
El vuelo eléctrico es el más exigente, aquí la energía de nuestros motores provienen del voltaje de las baterías, algunas muy pesadas un ejemplo: 5 kilogramos de peso en batería son 5 kilogramos que siempre van a estar ahí al momento de despegar y aterrizar.
Las baterías son un “lastre” un “peso muerto”, quitando constantemente rendimiento de vuelo, y tu batería va a hacer cada vez más grande y pesada si tienes más componentes que hagan uso de ella. (Motores y hélices de alta carga).
Aquí no estas utilizando micro motores de combustión (recíprocos, turbinas, turbo-hélices, turbo-ejes) que tienen una potencia descomunal junto con la eficiencia del combustible, consumiéndose por cada segundo de vuelo, haciendo que tu aeronave sea más liviana, mejorando el performance y las características de vuelo.
Si tu aeronave es muy pesada, más fácil le será a la fuerza gravitacional hacerla caer y/o sus maniobras serán un poco lentas y torpes (robotizadas). En la actualidad vemos drones aéreos del tipo Avión *VTOL, que son unos híbridos, que poseen 4, 5, 6, motores o más, solo por la necesidad de despegar y aterrizar verticalmente, cuando hablo de híbridos me refiero a la combinación de despegue vertical y vuelo horizontal.
*Vertical Take off and Landing, o despegue y aterrizaje vertical, aeronaves capaces de elevarse, descender y mantenerse en vuelo estacionario verticalmente, sin necesidad de una pista de despegue. Incluye helicópteros, multi-rotores, aviones VTOL, y Tilt-Rotors.
En la actualidad el vuelo vertical sigue siendo dominio de una sola aeronave, que más adelante veremos, capaz de llevar buena carga útil, buena autonomía y buen desempeño en el vuelo estacionario y lo mejor con tan solo un motor.
Un buen diseño de dron aéreo debe tener un peso en vacío extremadamente liviano, para compensar el peso de la batería instalada. Este es el factor que muy pocos fabricantes toman en cuenta.
En aviación los componentes críticos como motores y hélices son los que en menor medida deberían estar instalados; esto permite obtener diseños más eficientes y confiables, mejora la aerodinámica, menos elementos que puedan fallar, estructuras más livianas y se traduce en mayor autonomía, mejora la carga útil para llevar, menor consumo energético y barato para tu bolsillo, lo cual es ventajoso para tu empresa o negocio.
Los motores eléctricos Brushless Inrunner/Outrunner, junto con las hélices, tienen un empuje y potencia enormes. Esto da la ventaja de hacer una carrera de despegue tradicional en pocos metros y así ahorrar energía de la batería, ya que se aprovecha la enorme fuerza de sustentación de las alas y no de los pequeños motores y hélices para soportar todo el peso de la aeronave en despegues y aterrizajes verticales.
En la mayoría de misiones o trabajos aéreos, no se necesita una aeronave totalmente para aterrizajes y despegues verticales, salvo en aquellos casos que se requiera una inspección en vuelo estacionario (hovering) o por la necesidad del entorno o área circundante solo se deba recurrir a este tipo de maniobras.
No hace falta mencionar que entre más superficie de sustentación tenga un dron aéreo, menor será el esfuerzo de sus motores para que este remonte el vuelo, al igual que en los aviones de pasajeros, los aviones medianos de pasajeros que poseen alas muy cortas requieren más potencia de su motor y una carrera de despegue más larga, en comparación con aviones de pasajeros con alas más largas y grandes; estos últimos poseen una carrera de despegue menor y los motores trabajan menos forzados a menos revoluciones.
Muy importante en los drones que presentan alas, siempre pero siempre asegúrate de comprarlo o construirlo con *Winglets.
*Extensiones verticales aerodinámicas en las puntas de las alas que reducen la resistencia inducida y mejoran la eficiencia de la aeronave al disminuir los vórtices que se forman en el extremo del ala.
Las hélices son superficies aerodinámicas que al girar producen sustentación en la dirección del vuelo de la aeronave, llamémosle “empuje” para no confundirlos.
Para la mayoría de drones aéreos es mejor utilizar motores que giren a pocas revoluciones, bajos KV y hélices de diámetros grandes y medianos, con buena superficie aerodinámica.
Es más eficiente empujar mucho volumen de aire a menos velocidad con hélices grandes, ya que su motor girará más lento y consumirá menos energía, que tratar de empujar poco volumen de aire a más velocidad con hélices más pequeñas, y que su motor va a girar más rápido consumiendo velozmente el voltaje de la batería.
Por eso los fabricantes de aviones de pasajeros hoy en día instalan en sus aeronaves solo dos motores pero con hélices o un fan muy grandes; esto da un rendimiento de trabajo y energético excepcional.
Cuando vayan a comprar un dron aéreo o construirlo, fíjense que las hélices tengan muy buen acabado aerodinámico y opten por las que están construidas con material de fibra de carbono, aléjense de esas que son construidas en plástico y polímeros sencillos. Las hélices deben soportar una carga de trabajo alta y esfuerzos estructurales en el vuelo, son propensas a erosionarse en el borde de ataque ya sea por la propia fricción con el aire, o por mucha arena y tierra en el lugar de despegue y aterrizaje.
Si ustedes requieren la expulsión de alta velocidad de aire pero con un volumen mayor, vuelos de alta velocidad y maniobrabilidad; entonces la opción correcta es un Electric Ducted Fan con motor Brushless Inrunner. Los Electric Ducted Fan el ducto interno de estos motores junto con la tobera convergente, aumentan más la velocidad de escape del aire.
Si van a comprar o fabricar un Avión VTOL tradicional de 4, 5 o 6 motores (pero ojalá nunca lleguen a tantos motores), les recomiendo que lo compren o construyan con motores de bajos KV (mas torque), y en lo posible, unas hélices *bipala que tengan un diámetro de casi la mitad de la longitud del ala donde están instaladas.
Aléjate de la segunda imagen; no compres ni construyas esta configuración con hélices de menor diámetro, cometes varios errores.
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Hélices pequeñas girando a mayor velocidad tratando de expulsar el mayor volumen de aire posible disminuirán mucho el voltaje de tu batería, sobre todo en despegues y aterrizajes con la carga útil completa.
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Diámetros de hélices pequeños en el estacionario (hovering) implican que la aeronave requerirá más movimientos en los sticks del radiocontrol; el vuelo en vertical será más nervioso.
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Los motores y el vector de empuje vertical están más separados del centro de gravedad de la aeronave; esto hará que cualquier viento fuerte lo desestabilice mucho hacia los lados, y tendrás que hacer correcciones más grandes con los sticks del radiocontrol.
Si quieres un avión VTOL de 5 motores, puedes conseguirlo o construirlo con un diseño parecido a este, es lo mejor:
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Tenemos gran diámetro y superficie de hélices que abarcan casi la mitad de la longitud del ala en donde están instaladas, empujando mucho volumen de aire a menor velocidad.
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Contamos con un centro de gravedad más equilibrado para el vuelo vertical; sus motores y hélices están más cerca del fuselaje.
Ahora, si quieren disminuir esta cantidad de motores por algo más eficiente manteniendo este mismo concepto, entonces consigan o construyan un Avión VTOL que tenga incorporada la plataforma del tricóptero.
Tricóptero
Uno de mis favoritos y la mejor plataforma aérea si es que ustedes quieren una aeronave VTOL, tienen por excelencia la capacidad de llevar hélices más grandes y anchas que un cuadricóptero normal, motores de menor KV y alto torque. Posee una ventaja mecánica: el servo de cola, o servo del motor de cola.
Recuerden esta frase: “Las ayudas y ventajas mecánicas hacen que un sistema o componente mejore por mucho su rendimiento y eficacia de trabajo”.
El movimiento de guiñada o (Yaw) se produce por empuje vectorial, y no por torque como en los cuadricópteros, es más si estás haciendo un vuelo cinemático en un tricóptero, la mayoría de los pilotos dicen que se siente como si volaras un avión o un helicóptero cuando efectúas los giros, no se sienten tan robotizados como en un cuadricóptero, en el tricóptero es muy suave, y el vector de fuerza para la guiñada se realiza al final del eje de cola, esto crea un brazo de palanca largo, con lo cual los giros son más suaves y el control más natural.
La maniobrabilidad de los tricópteros es espectacular.
Si desean comprar o construir un dispositivo con ayuda de ventajas mecánicas simples, esta plataforma es para mi una de las mejores, opten por una plataforma de tricóptero con o sin alas.
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Dependiendo del diseño y configuración, por lo general se utilizan los tres motores para despegue, aterrizaje vertical y maniobras en vuelo estacionario. La transición a vuelo horizontal; se inclina el motor de cola para la propulsión, y después se realizan las respectivas configuraciones de apagado de los motores de las alas.
También hay opciones en que los tres motores se pueden inclinar hacia la transición de vuelo horizontal; posicionando primero el motor de la cola y cuando ya el ala sea la que proporcione toda la sustentación entonces, ya se inclinarán para vuelo horizontal los dos motores delanteros.
A partir de este tipo de aeronave se vienen mejoras en consumo energético, autonomía y carga útil. Por lo general, los drones aéreos tipo Avión *Tail-sitter superan con creces a los Aviones VTOL tradicionales, ya saben ustedes las obvias razones.
Este tipo de aeronave se viene desarrollando desde la década de 1950 con varios modelos tripulados como el Convair Pogo, Lockheed XFV, entre muchos otros. En este 2025 la empresa de helicópteros Sikorsky que ahora es filial de Lockheed Martin, esta desarrollando un prototipo de transporte pesado con este diseño llamado Ala Impulsada.
Este diseño presenta mayor robustez, una estructura más liviana y compacta, lo cual es favorable. En un buen diseño de Tail-sitter, los motores deben estar ubicados en la mitad ó cerca de la punta del ala (wingtip); esto da la ventaja de poder colocar una hélice bipala o tripala de gran diámetro con unas revoluciones bajas para su operación.
Sus motores deben estar lo más cerca posible del borde de ataque de las alas, o por el contrario si tiene un único motor ubicado en la nariz de la aeronave, entonces contar con el mecanismo de hélice coaxial con transmisión.
Hay variedad de configuraciones y diseños para esta aeronave. La transición para vuelo horizontal es por medio de los alerones o *elevones. Hay otras configuraciones en donde, por el propio diseño de la aeronave, toda el ala presenta una inclinación hacia adelante, haciendo un despegue casi vertical.
*Superficie de control aerodinámica que combina el movimiento de alerones y elevador.
En los diseños de Avión Tail-sitter, no es tan caprichoso buscar la mejor configuración como en los aviones VTOL anteriormente vistos, ya que en sí mismo ofrece un buen equilibrio entre el factor peso-potencia. Esta aeronave se acerca mucho a la configuración de uno de los mejores híbridos que tiene la aviación actualmente, que más adelante vamos a ver.
Los siguientes consejos ténganlos en cuenta si vas a comprar o construir un dron del tipo Avión VTOL o Avión Tail-Sitter:
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Como siempre hélices de mayor superficie y diámetro grande, motores bajos en KV.
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Si el VTOL tiene implementada la plataforma del tricóptero, que su motor de cola permita rotar para la propulsión a vuelo horizontal. Así te ahorras un peso extra al no tener que instalar un cuarto motor solo para la propulsión.
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Fíjate en que tu aeronave sea muy aerodinámica y que, al tacto, su piel o estructura sea muy lisa; evita superficies ásperas, rugosas, evita plásticos/polímeros de mala calidad.
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Importante que tengan winglets; esto ayuda a reducir la resistencia inducida y disminuye los vórtices de punta de ala, lo cual te dará un mejor rendimiento y autonomía.
En la actualidad, solo hay dos híbridos perfectos de VTOL (despegue y aterrizaje vertical) y *STOL (despegue y aterrizaje corto). Me refiero a que cuentan con el mejor equilibrio relación peso-potencia, velocidad, autonomía y carga útil. Son los más eficientes hasta la fecha si es que ustedes requieren despegues y aterrizajes súper cortos, o aterrizajes y despegues verticales de una manera eficiente y barata.
*Aeronaves diseñadas para despegar y aterrizar en distancias muy reducidas, gracias a características aerodinámicas especiales como alas de gran sustentación, flaps avanzados y gran relación potencia-peso.
¿Qué tienen en común estas 4 aeronaves?
Son los que poseen el mayor coeficiente de sustentación en la aviación, gestionan mejor el peso de las baterías, mayor autonomía, más capacidad de carga útil, mayor velocidad de operación, poseen la mejor aerodinámica, son los mejores en seguridad en caso de falla de motor, y lo mas importante todos pueden volar con tan solo un único motor a excepción del Tilt-Rotor, que debe tener obligatoriamente dos motores obviamente por su diseño.
Los grandes fabricantes aeronáuticos no diseñan o construyen algo por capricho; ellos no van a perder miles de millones de dólares en investigación, ingeniería y desarrollo si no vale la pena. Estas aeronaves llevan más de 120 años perfeccionadas en aerodinámica, eficiencia, ingeniería y seguridad, y esos avances se han trasladado con más simplicidad a sus homólogos pequeños.
Ala fija - Avión
El avión es el referente en autonomía, eficiencia energética y capacidad de carga. Tenemos una aeronave que posee un elevado coeficiente de sustentación gracias a su gran envergadura, y se puede mejorar aún más, ya que no tenemos los estorbos de tantos motores, ahora sí podemos diseñar y configurar nuestra ala fija como queramos, con gran variedad de diseños de alas y perfiles alares, mejoras de performance, carga y autonomía.
Hay unos nuevos conceptos de avión que poseen un ala encajonada o boxwing, en el cual al ala se le efectúa una extensión que va más atrás del fuselaje o hasta el propio empenaje de cola. La idea no es nada nueva; se remonta a más de 100 años, precisamente en 1924, por el ingeniero alemán Ludwig Prandtl. Este nuevo concepto minimiza aún más la resistencia inducida por el ala y las puntas de ala, posee menor resistencia aerodinámica y permite ir más lejos con el mismo voltaje de batería.
Citó textual referente a este documento:
"La
carga de disco se define como el empuje dividido por el área sobre
la cual se genera. Si
se utiliza un área grande para generar la sustentación vertical,
como en el caso de un helicóptero con sus rotores de gran diámetro,
el sistema se llama dispositivo de baja carga de disco.
Los
sistemas de elevación con baja carga de disco son capaces
de entregar significativamente más empuje por caballo de fuerza.
Por lo tanto, para aplicaciones donde se requiere mantener el vuelo estacionario o "hover" durante períodos prolongados o condiciones cercanas al estacionario "hover", o donde es importante tener menor potencia instalada o menor consumo de combustible en estacionario "hover", los conceptos de aeronaves con baja carga de disco son la elección correcta".
Significa que para los despegues y el hovering, necesitaremos: Menor potencia del motor, mejor desempeño con carga útil, consumirá menos energía de baterías. Vemos al helicóptero y al Tilt Rotor dominar estos terrenos de vuelo vertical y estacionario.
Si uno o dos rotores ofrecen el mejor rendimiento, ahora que se puede esperar con aeronaves de 4,6,8,12 motores, y hélices pequeñas girando muy rápido.
En casi todos los casos, el helicóptero de rotor convencional es más que suficiente. Hay ocasiones en que, si se quiere ampliar la carga útil o la autonomía en un helicóptero de este tamaño, simplemente se adiciona una pala más al rotor, un rotor tripala, (no hay que agregar mas motores, y mas componentes electrónicos, así de simple), manteniendo su bajo peso, y performance.
El vuelo vertical y el hovering siguen siendo dominio de los helicópteros, gracias a su gran disco de rotor, capaz de variar el ángulo de sus palas, y el motor trabajando a bajas revoluciones constantes.
Al igual que en el avión el diseño de helicóptero convencional es más que suficiente para la mayoría de trabajos requeridos en aviación no tripulada.
Los helicópteros con rotores en tándem son muy buenos para el izaje y el transporte de carga pesada con mucha velocidad. Los rotores coaxiales y entrelazados corresponden a helicópteros más compactos, aptos para el transporte de carga liviana-pesada y fumigación aérea.
Si se requieren trabajos de Delivery de cargas livianas y pesadas, esta aeronave cumple su cometido. Es muy utilizado por el sector de la salud y logística en países Asiáticos. En la mayoría de los drones tilt-rotor, el diámetro de sus rotores es mayor que la envergadura del ala en donde están instalados, igual que en el V-22 Osprey o el Augusta BA609.
En cuanto a seguridad ante fallas de motor, tenemos planeo y autorrotación (avión, helicóptero, tilt-rotor). El autogiro vuela permanentemente en autorrotación, en “modo seguro”. Juan de la Cierva creó una de las aeronaves híbridas más brillantes y espectaculares de la historia.
Las cuatro aeronaves anteriormente mencionadas se las puede comprar o construir con el uso de micro-motores a combustión (recíproco, turbina, turbopropeller, turbo-eje), esto ya cambia drásticamente su eficiencia, no estamos obligados a tenerlos eléctricos, por ejemplo aviones y helicópteros a combustión pueden llevar una carga útil 200 kilogramos o más con autonomías de 2 o 3 horas.
Todavía estamos demasiado lejos de que las baterías tengan la densidad energética que se obtiene con una gota de combustible en la cámara de combustión. Como les comente en un principio el vuelo es el sistema que mas requiere energía y es más complicado y difícil cuando dependes solo de baterías de baja densidad energética.
En mi opinión el futuro de trabajos pesados (carga, fumigación) en drones aéreos debe ser otra alternativa a las baterías, si queremos mucha autonomía con poco peso es mejor algún sistema hibrido de muy alta eficiencia energética, sin comprometer mucho el peso de la aeronave, si no, no seria viable u otro tipo de motores con un combustible muy diferente a los actuales, se podría utilizar el peróxido de hidrogeno al 80% o 90% de pureza.
Si se usa para motores cohetes profesionales y caseros, ¿que nos limita a usarlo en drones aéreos?, un motor que aproveche la expansión supersónica del peróxido de hidrogeno, y este vapor de agua super caliente de alta presión y velocidad, haga mover unas pequeñas ruedas de turbina acopladas a una pequeña transmisión y hélices, algo parecido a las TurboBombas, de los Cohetes V2, o los Saturnos V, pero a tamaño micro escala, o alimentar nuestros tradicionales micro-motores de combustión con Hidrogeno.
Lo que si es seguro es que los fabricantes de baterías deben mejorar drásticamente la densidad energética y el propio peso total. Para obtener mejor rendimiento en nuestros vuelos, o la opción mas prometedora es la de las empresas H3 Dynamics y Hylium, usar hidrogeno para alimentar celdas de combustibles que produzcan electricidad para los motores eléctricos del dron aéreo. H3 Dynamics y Hylium Industries unen fuerzas para avanzar en las capacidades de vuelo de hidrógeno líquido-eléctrico – sUAS News
Ahora, si eres de los que requieren un dron aéreo de despegue vertical y no quieres un helicóptero, por desafío o algo de miedo para volarlo, entonces puedes optar por un cuadricóptero o tricóptero.
Mencionaré sobre ellos porque sé que la mayoría de ustedes y me incluyo, hemos trabajado alguna vez con este tipo de aeronaves, o algunos comenzaron en el mundo del radio control con este sistema.
Bien, estas aeronaves son buenas en dos cosas: el vuelo tranquilo y lento con poca carga útil, para que su autonomía este en el rango razonable de casi 1 hora; inspecciones con sensores ópticos, cámaras especializadas, liDAR y algunos sistemas de micro radares, hasta ahí rinden bien.
He visto autonomías de 40, 50 y 55 minutos de vuelo con una sola carga de batería, son aeronaves en las que no se requieren movimientos exagerados, vuelos lentos y tranquilos, o para uso personal fotos-videos aéreos van perfectos, si es para esto entonces si es una excelente compra.
Pero una cosa es ir más allá con cuadricópteros; para trabajos pesados como delivery, fumigación o carga, ya se convierte en la insuficiencia energética más grande.
Este sistema de aeronaves no cuenta con el tan anhelado paso variable (Swashplate-Cyclic) palas del helicóptero; las maniobras y la traslación se hacen aumentando o desacelerando cierta cantidad de motores. Esto no es nada ventajoso, ya que si agregas más peso, tienes que gestionarlo colocando un motor y otra hélice; para fines prácticos, hay que poner de a dos motores y dos hélices.
Y con todo esto llegamos al Octacóptero, donde se agregaron ocho motores más pesados, batería más grande y pesada por la demanda y consumo de sus ocho motores y hélices en configuración coaxial, (que no cuenta con las características de diseño coaxial real y eficiente).
Me pregunto en qué piensan los ingenieros y técnicos que diseñan este tipo de aeronaves.
A no ser que el negocio solo sea vender motores y hélices, y no el desarrollo de una aeronave polivalente y confiable energéticamente para el trabajo al cual fue diseñada.
Bien, para que el sistema coaxial de hélices funcione bien y este optimizado es cuando:
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La hélice superior e inferior varían en el número de palas; la hélice superior que tenga 5 palas y la inferior solo 3 palas por poner un ejemplo, la inferior debe tener un menor diámetro y mayor velocidad de giro con un ángulo de ataque mayor. (los vemos en el Antonov-70)
La otra opción es cuando tienes la misma cantidad de palas en las hélices superior e inferior, pero la segunda hélice debe tener un ángulo de ataque mayor, y velocidad de giro mayor, la forma de ambas hélices debe ser más ancha, con más “cuerda”.
Datos y fuentes tomados de Historical development of the coaxial contra-rotating propeller
School of Engineering, The University of Manchester, Manchester, UK
DESIGN AND EFFICIENCY ANALYSIS OF EVTOL CONTRA ROTATING PROPELER
Congreso Internacional de Ciencias Aeronáuticas de Suecia
Hay otros puntos a tener en cuenta, pero a mi consideración estos son los mas viables, y comprometen poco el peso del sistema.
La hélice inferior tiene que enderezar el flujo de aire turbulento que viene de la primera hélice para que el downwash de salida sea lo más lineal y menos turbulento posible. Esto es muy parecido a los álabes de un estátor de compresor en un motor de turbina, donde los estátores tienen un ángulo determinado para redireccionar el flujo de aire que viene de los compresores y que salga lo más lineal posible hacia la siguiente etapa de compresor-estátor.
Otro factor, y uno de los más importantes, es que las hélices deben estar sincronizadas en revoluciones. Esto es necesario para que la hélice inferior reciba la corriente de aire generada por la hélice superior en el momento adecuado y así evitar el flujo turbulento y la formación de vórtices en su cara superior.
Para lograr esta sincronización, se debe poner una pequeña transmisión mecánica intermedia ubicada entre los dos motores que asegure que ambas hélices mantengan siempre la relación angular correcta.
Este tipo de sincronización es esencial si se busca una mejora sustancial en el rendimiento de un sistema coaxial en un Octacóptero. Bueno, listo supongamos que diseñamos y construimos las hélices con los parámetros requeridos, falta poner las transmisiones de engranajes para el sistema de hélices coaxiales interconectadas entre los dos motores Brushless Outrunner ¿como se hace esto?, estas convirtiendo una solución muy simple, en un problema muy grande técnico y mecánico para una maquina a la cual simplemente no se le pueden dar ventajas mecánicas, solo por la naturaleza de su funcionamiento.
“La gran simpleza mecánica de los octacopteros, es también su gran deficiencia de trabajo ”.
Por eso los helicópteros con rotor coaxial o tándem son tan eficientes, por su mecánica de engranajes reductores o aumentadores de fuerza y velocidad, así como los aviones que utilizan este sistema. Las dos hélices o los dos rotores están acoplados a un sistema de engranajes y un solo motor.
Muchas personas piensan que si tienen una hélice que ofrece un empuje de 60 kilogramos y la instalan en un sistema coaxial típico que vemos en los octacópteros, van a conseguir un empuje total de 120 kilos. No, eso no es así: el empuje no es escalable por más hélices que instales en un mismo eje, ya que se pierde energía por fricción, por flujo turbulento, el simple hecho de que la segunda hélice interaccione con el aire de la primera ya estas perdiendo energía cinética.
En esta configuración, sin seguir los puntos de diseño antes mencionados, obtendrás unos 17 o 21 kilogramos más de empuje, y eso que estoy exagerando los números.
Como dije anteriormente las hélices solamente son eficientes para propulsión horizontal, montadas en un eje horizontal, para eso se diseñaron, Si quieren eficiencia para vuelos verticales la opción optima y eficiente es una ala rotatoria.
Si se quiere que un cuadricóptero pueda llevar casi la misma carga útil que un octacóptero actual, sin hacer tan pesado el sistema total, se necesita un propulsor que maneje un volumen de aire enorme y de muy alta velocidad, con potencia descomunal una posible solución es la utilización del sistema propulsor con motor Inrunner el Electric Ducted Fan. Un motor de estos ofrece un empuje entre 100 a 168 kilogramos o más de empuje y son de un tamaño compacto, he visto algunos drones del tipo cuadricóptero y tricóptero FPV con Electric-Ducted-Fan, y realmente vuelan muy bien, habrá que hacer pruebas y cálculos para un sistema mas grande.
Ya para finalizar; si el dinero te sobra, disfrutas de coleccionar, comprar muchas baterías y cargadores, llevar todas estas cosas en tu carro o contigo en tu bolso, y realizar múltiples reemplazos de baterías entre misiones, existen decenas de aeronaves distintas diseñadas para este fin.
Por otro lado, tenemos a las cuatro mejores aeronaves que, con la batería de a bordo o una batería extra, te permiten completar varias misiones sin complicaciones para tu bolsillo.
El diseño de aeronaves de los grandes fabricantes aeronáuticos a nivel mundial, se ha rediseñado para una escala más pequeña y funciona a las mil maravillas. Nuestros drones aéreos son demasiado livianos: cuentan solamente con el sistema propulsor y el sistema de sustentación; el resto es lo que le podamos poner de carga útil, sensores ópticos, cámaras, instrumentos, etc.
El futuro ya esta aquí
El hibrido entre avión y helicóptero, y como siempre viene del diseño de los grandes fabricantes aeronáuticos mundiales, como mencione antes Ellos no diseñan o construyen algo por capricho; no van a perder miles de millones de dólares en investigación, ingeniería y desarrollo si no vale la pena.
Estamos viendo que la próxima generación de drones aéreos se podría enfocar en los conceptos del Sikorsky X2, Eurocopter X3 y Airbus Hybrid Helicopter, combinando la velocidad de un avión turbopropulsor pequeño, el despegue y aterrizaje vertical de los helicópteros.
Este sistema de aeronave podría desplazar a todos los Aviones VTOL, y me atrevería a decir que hasta al Tilt-Rotor, porque ya saben: es mejor tener un enorme disco rotor que gire más lento. Empresas como Unmanned Aerospace, AirialUas ente otras ya iniciaron con sus pruebas y prototipos, la división de aeronaves de la empresa Kawasaki, tiene ya dos sistemas de estos para la venta, estos son de combustión.
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