El demostrador, con un peso total de hasta 420 kg incluyendo 45 kg de combustible, parte de una célula entregada por AutoGyro GmbH en 2016, que posteriormente fue modificada por el DLR. Entre las modificaciones más significativas, se encuentra una cubierta diseñada por una empresa externa a solicitud del DLR. Esta envolvente no solo reduce la resistencia aerodinámica durante el vuelo, sino que permite un acceso sencillo a los sistemas de aviónica experimental, baterías e interfaces de mantenimiento. En paralelo, el manual original del MTOfree ha sido adaptado para incorporar instrucciones específicas de instalación y mantenimiento de los nuevos componentes, sin eliminar las directrices originales cuando siguen siendo aplicables.

El documento denominado Concept of Operations (ConOps) define la operación planeada del sistema aéreo no tripulado (UAS). Es un requisito legal incluido en el proceso SORA y describe detalladamente la naturaleza de la operación, así como los roles del personal involucrado. En este contexto, se considera que la operación comienza con el rodaje de la aeronave y todo el período anterior es catalogado como preparación del vuelo. Dada su importancia, el concepto de seguridad, aunque incluido en el ConOps, se desarrolla por separado.

Durante la fase inicial de pruebas de vuelo, se rechazó la opción de convertir el demostrador en una aeronave opcionalmente tripulada (OPV), pese a que esto permitiría una mejor conciencia situacional y capacidad de reacción ante fallos. La decisión se fundamentó en los altos requisitos de seguridad que implicaría esa configuración y la reducción de carga útil por el peso del piloto y los equipos necesarios. Además, tal modificación requeriría una certificación completa de aeronavegabilidad.

También se descartó el uso de sistemas de visión remota en primera persona (FPV), debido a la complejidad de desarrollar un sistema con baja latencia y alta fiabilidad dentro del presupuesto del proyecto. Por lo tanto, el enfoque adoptado fue un control directo por parte de un piloto mediante una interfaz de control remoto. En caso de fallo del controlador automático, el piloto puede retomar el control manualmente. Esta configuración ha resultado ser eficaz, en parte gracias a las características del autogiro, que presenta una velocidad de vuelo relativamente baja y una estructura lo suficientemente grande para facilitar su control visual.

Sin embargo, la silueta del autogiro dificulta la percepción de su actitud comparado con una aeronave de ala fija de tamaño similar. Además, la falta de retroalimentación física (fuerzas, rotaciones) limita la percepción del piloto, obligándolo a depender de impresiones visuales y datos en pantalla. A esto se suma la incapacidad de monitorear instrumentos mientras opera el control remoto. Para mitigar esta limitación, un segundo piloto actúa como observador, proporcionando datos esenciales como velocidad y apoyando en la evaluación del estado de la aeronave ante condiciones anormales.

La operación normal se realiza exclusivamente durante el día y bajo condiciones meteorológicas visuales (VMC), con viento calmado. En términos generales, se siguen los procedimientos estándar del MTOfree, complementados por aquellos específicos para el control remoto. El despegue y ascenso se realizan hasta una altitud entre 100 y 200 metros sobre el nivel del suelo, tras lo cual se ejecutan uno o varios circuitos a altitud constante. Durante estas maniobras se llevan a cabo pruebas de sistemas o de funciones de control automático de vuelo.

El piloto puede activar funciones automáticas, maniobras y controlar misiones según los objetivos experimentales. La estación de control en tierra actúa como interfaz para interactuar con el piloto automático. Durante el modo de vuelo automático, el piloto supervisa el vuelo pasivamente, siempre que se mantengan condiciones nominales de actitud, altitud, velocidad y posición. En modos asistidos, el sistema de control de vuelo respalda al piloto, facilitando el pilotaje. En caso de condiciones anómalas —como cambios súbitos en el clima o pérdida de control— la tripulación debe recuperar el control o aterrizar de inmediato en el área nominal prevista.

La selección del área de pruebas de vuelo se basa en parámetros como tamaño, accesibilidad, disponibilidad e infraestructura. Se priorizan entornos escasamente poblados y libres de obstáculos visuales como colinas, edificaciones o vegetación, ya que las pruebas incluyen vuelos remotos dentro del alcance visual del piloto que permanece en una posición fija en el aeródromo.

En cuanto a la organización del equipo, la experiencia del DLR con distintos sistemas aéreos no tripulados ha demostrado la eficacia de definir roles específicos y documentar las responsabilidades de cada uno, para evitar malentendidos u omisiones. Aunque en experimentos de baja complejidad una persona puede asumir múltiples funciones, se ha constatado que mantener la separación funcional entre los roles es lo más eficiente.

El lector debe comprender que el éxito en el desarrollo y operación de un demostrador no tripulado no radica únicamente en la tecnología incorporada, sino en la minuciosa planificación de su uso, la claridad de los procedimientos operativos y la capacidad de respuesta ante situaciones no nominales. La interfaz entre ser humano y máquina, especialmente durante fases críticas de prueba, exige no solo precisión técnica, sino también una profunda comprensión del comportamiento del sistema en condiciones reales. Es clave considerar que incluso una aeronave técnicamente avanzada puede fallar si su operación no está acompañada por un marco organizativo y estratégico robusto.

¿Cuáles son las aplicaciones más óptimas de las celdas de combustible y los sistemas de almacenamiento de hidrógeno para vehículos de propulsión híbrida y eléctrica?

En los sistemas de almacenamiento de hidrógeno que emplean celdas de combustible, los tanques de hidrógeno gaseoso a 350 o 700 bares o los tanques de hidrógeno líquido a baja presión (≤10 bares) son los más utilizados para aplicaciones de vehículos de propulsión. El uso de otros sistemas de tanques, como los tanques de hidruro metálico, queda excluido debido a su elevado peso o bajo nivel de preparación tecnológica. Los tanques presurizados de hidrógeno a 700 bares, aunque más costosos por los esfuerzos adicionales de fabricación, ofrecen una densidad energética volumétrica superior a los de 350 bares. Estos tanques alcanzan una densidad de energía gravimétrica de 1,4 ± 0,04 kWh/kg y una densidad energética volumétrica de 0,81 ± 0,01 kWh/l. En un futuro cercano, se espera que los sistemas de tanques puedan llegar a densidades de hasta 1,8 kWh/kg y 1,3 kWh/l (New 2011).

En comparación, los tanques de hidrógeno líquido presentan una densidad energética significativamente mayor. Los tanques de hidrógeno líquido con un 15% en peso de H2 (referido al peso total del sistema, incluyendo el hidrógeno) ya han sido producidos para aplicaciones automotrices. Como un derivado de las aplicaciones espaciales, también se ha logrado producir sistemas con hasta un 28% en peso de H2 (Crespi 2017). Para poner en perspectiva, los tanques presurizados de hidrógeno tienen un rango de 4-6% de H2 en peso. Estos sistemas de almacenamiento de hidrógeno líquido tienen la mayor densidad energética, y por ello se prefieren para la estimación del peso del tren motriz.

Por otro lado, las pilas de combustible SOA (State of the Art) son capaces de alcanzar densidades de potencia de salida de hasta 3,5 kW/kg con una eficiencia superior al 50%. Sin embargo, además de la pila de combustible, el sistema completo de celdas de combustible incluye muchos componentes secundarios, como compresores para el suministro de aire, bombas de refrigerante, entre otros, los cuales juegan un papel determinante en la densidad volumétrica y gravimétrica de todo el sistema. En este contexto, se ha realizado un análisis más detallado de los componentes del sistema de celdas de combustible para calcular con precisión el peso y volumen del sistema. Los resultados de los cálculos se presentan a continuación, revelando cómo estos componentes afectan al rendimiento general del sistema.

En cuanto a la propulsión eléctrica, se prevé que los motores eléctricos sincrónicos de imanes permanentes sean los más adecuados para los vehículos ALAADy debido a su alta eficiencia y densidad de potencia. Siemens ha probado un motor eléctrico con una potencia continua de 260 kW, un peso de 50 kg y una eficiencia del 95%, lo que resulta en una densidad de potencia de 5 kW/kg. Este motor fue probado como motor principal en una aeronave en 2016. Según la hoja de ruta de la NASA, se espera que las densidades de potencia lleguen a 16,5 kW/kg para 2025 y a 19,7 kW/kg para 2030, y con tecnología Kryo, se prevé que se alcancen valores aún mayores de hasta 41,1 kW/kg para 2035 (Rosario 2014).

Las estimaciones de costes para los sistemas de almacenamiento de energía y conversión, como las celdas de combustible, las baterías y los motores eléctricos, son objeto de numerosos estudios. Los costes actuales y las predicciones para su evolución varían considerablemente, por lo que no es posible hacer afirmaciones precisas y confiables en este campo. No obstante, se han recopilado datos de diversos estudios para realizar estimaciones aproximadas de los costes de los componentes del tren motriz. Los costos actuales de las pilas de combustible y los tanques de hidrógeno están significativamente por encima de los de los motores de combustión interna (ICE) y los sistemas de almacenamiento de combustible. Sin embargo, se prevé que los costos de las pilas de combustible disminuyan de manera significativa hacia 2050, volviéndose más competitivos que los motores de combustión interna. En el caso de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno, se estima que su costo se reducirá a la mitad para 2030, aunque se mantendrán por encima de los sistemas tradicionales de almacenamiento de combustible, incluso en un futuro lejano.

Los precios de las celdas de combustible son muy elevados en la actualidad, alrededor de 280 $/kW debido a la baja producción. Sin embargo, se estima que con una producción anual de 500,000 unidades, el precio podría reducirse a 55 $/kW (Spendelow 2013). La eficiencia de las pilas de combustible está proyectada para alcanzar el 60% a un coste de 30 $/kW con una vida útil de 5000 horas (Dinh 2014). Los costos de los tanques de hidrógeno presurizados se estiman actualmente en 1000 €/kg H2, pero se espera que los sistemas de tanques más avanzados cuesten solo 300 €/kg H2 para 2030. Para los motores eléctricos de vehículos automotrices, los costes son de 15 €/kW y los costos de la electrónica de potencia son similares (Kochhan 2014).

Si bien los sistemas de pilas de combustible y almacenamiento de hidrógeno son significativamente más caros en la actualidad, se espera que los costes se reduzcan en los próximos años, lo que hará que se vuelvan más competitivos en comparación con los motores de combustión interna. A pesar de esto, se prevé que los tanques de hidrógeno continúen siendo más caros que los sistemas de almacenamiento de combustible convencionales durante mucho tiempo.

En cuanto al diseño del sistema de propulsión, se han establecido los primeros conceptos de arquitectura del sistema basados en los componentes disponibles y los criterios preliminares de diseño de vehículos. Se han considerado dos enfoques principales: un sistema de celdas de combustible con batería, en el que la pila de combustible proporciona energía para la fase de crucero y la batería actúa como refuerzo durante el despegue y ascenso; y un motor de combustión interna (ICE) o una turbina a gas (GT) con una batería para las fases de despegue y ascenso. Los componentes necesarios para ambos conceptos han sido identificados y se ha recopilado la información de rendimiento de los mismos. Se han realizado cálculos y análisis detallados para determinar si el sistema híbrido-eléctrico puede integrarse en un vehículo ALAADy.

¿Cómo se diseña un sistema de propulsión eléctrico e híbrido para vehículos ALAADy?

El diseño de sistemas de propulsión para vehículos ALAADy (Aircraft Light Air and Electric Dynamics) está intrínsecamente relacionado con la optimización de la masa y la eficiencia energética. En este contexto, se han realizado numerosos cálculos preliminares para evaluar las opciones más viables para el almacenamiento de energía, considerando tanto sistemas de baterías como de pilas de combustible y motores eléctricos. A continuación, se detallan los elementos fundamentales que configuran el sistema de propulsión para estas aeronaves, haciendo especial énfasis en las diferentes configuraciones de los depósitos de hidrógeno y las estimaciones de masa de los sistemas híbridos y eléctricos.

El uso de sistemas de almacenamiento de hidrógeno en forma gaseosa presenta dificultades debido a su mayor masa comparado con los sistemas de hidrógeno líquido, lo que lo hace poco adecuado para vehículos ALAADy. Así, se consideran dos opciones principales para la configuración del sistema de propulsión: un sistema de tanque de hidrógeno líquido con un 15% de H2 en peso, ya probado para aplicaciones automotrices, y un sistema de tanque con un 28% de H2 en peso, que se espera esté disponible para aplicaciones aeronáuticas hacia 2025. Estos sistemas de almacenamiento de hidrógeno se combinan con pilas de combustible de alta densidad energética para generar la electricidad necesaria para el vuelo.

En cuanto a las baterías, los cálculos han demostrado que es posible alcanzar densidades energéticas de 200 Wh/kg y 1 kW/kg utilizando celdas de batería de estado avanzado (SOA). Con estos datos, se han diseñado sistemas de baterías que incluyen todos los componentes necesarios, como refrigeración, electrónica de seguridad, cableado y carcasas, cuyo peso se ha estimado a partir de los valores de densidad de energía disponibles. Por otro lado, los motores eléctricos y generadores también se han optimizado con una densidad de potencia de hasta 5 kW/kg para el motor eléctrico, mientras que se asume una densidad de 7,9 kW/kg para los generadores encargados de convertir la energía mecánica proveniente de motores de combustión interna o turbopropulsores en energía eléctrica.

El análisis de diferentes motores turbopropulsores y motores de combustión interna (ICE) ha permitido definir qué tipo de motor es más adecuado para las necesidades específicas de los vehículos ALAADy, considerando factores como la potencia de crucero y la eficiencia de consumo de combustible. Para las aeronaves de ala de caja y configuraciones de girocópteros, se han considerado motores turbopropulsores como el RR500 y el PBS TS 100, mientras que para otras configuraciones se han evaluado motores ICE como el Graflight-V8 y el Continental TSIO-360-A.

Una de las áreas clave del diseño ha sido la estimación del peso y volumen del sistema de propulsión híbrida o totalmente eléctrica. En el caso del sistema híbrido, se ha considerado la combinación de motores ICE y baterías, mientras que para los sistemas totalmente eléctricos se ha analizado la integración de pilas de combustible y baterías. De estas estimaciones, se concluye que un sistema eléctrico totalmente integrado con un tanque de hidrógeno líquido de alta densidad energética puede ser más liviano que un sistema híbrido en algunos casos, lo que lo hace más adecuado para misiones largas, como la de 600 km que se plantea en este estudio.

En cuanto a la redundancia y seguridad del sistema, los cálculos preliminares han mostrado que una arquitectura de propulsión totalmente eléctrica podría ofrecer mayores ventajas en términos de fiabilidad. Esto se debe a que la ausencia de generadores y el uso de un sistema de pilas de combustible de alta densidad energética reduce el peso y mejora la seguridad al disminuir los riesgos asociados a fallos en el sistema de propulsión.

El diseño detallado del sistema de propulsión, a través de simulaciones estacionarias, ha permitido determinar las especificaciones de los apiladores de pilas de combustible y las baterías, así como su interacción con los motores eléctricos. Además, se ha incorporado la degradación de las baterías y pilas de combustible a lo largo del tiempo para simular escenarios operacionales realistas, lo que contribuye a obtener una imagen más precisa de la viabilidad del sistema en condiciones reales de vuelo.

Además de los aspectos técnicos mencionados, es fundamental que el lector considere otros factores que influirán en el éxito de estos sistemas de propulsión. La integración de nuevas tecnologías de almacenamiento de energía, como los tanques de hidrógeno de alta densidad, será un factor determinante para la eficiencia y la reducción de peso en las aeronaves ALAADy. Sin embargo, no solo el peso es importante, sino también la durabilidad y fiabilidad de los sistemas a largo plazo, especialmente en condiciones extremas de vuelo. Por otro lado, los desafíos asociados con la recarga y el abastecimiento de hidrógeno, así como la infraestructura de apoyo para los sistemas eléctricos, son elementos que deben ser considerados para asegurar una adopción exitosa y una operación eficiente de las aeronaves en misiones reales.

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