Los sistemas de propulsión eléctrica para vehículos aéreos no tripulados (UAV) convierten la energía eléctrica en potencia mecánica para accionar hélices, rotores y ventiladores canalizados en aeronaves multirrotores, de ala fija y de despegue y aterrizaje vertical (VTOL). Estos sistemas combinan motores eléctricos, controladores electrónicos de velocidad (ESC), sistemas de almacenamiento de energía y componentes de gestión de potencia para proporcionar un empuje controlado en aplicaciones como la vigilancia, la cartografía, la inspección y la entrega de mercancías.
En esta categoría se presentan los fabricantes de sistemas de propulsión eléctrica para UAV, incluyendo configuraciones de transmisión directa, con engranajes, integradas, distribuidas e híbridas-eléctricas.
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Los sistemas de propulsión eléctrica utilizan motores eléctricos para generar empuje en los vehículos aéreos no tripulados (UAV), convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica para accionar hélices, rotores o ventiladores canalizados. Estos sistemas se utilizan en aeronaves multirrotor, de ala fija y de despegue y aterrizaje vertical (VTOL), y dan soporte a aplicaciones que van desde la topografía y la inspección aéreas hasta la vigilancia, la cartografía y la entrega de mercancías.
La propulsión eléctrica para UAV suele combinar motores, controladores electrónicos de velocidad (ESC), hélices, sistemas de almacenamiento de energía y equipos de gestión de la energía eléctrica en una arquitectura de propulsión coordinada. Las configuraciones van desde unidades de propulsión integradas y compactas hasta sistemas distribuidos con varios motores, y la elección depende del peso de la aeronave, los requisitos de empuje, la autonomía, las condiciones de funcionamiento y las características de vuelo requeridas.
Sistema de propulsión eléctrica para UAV, serie P, de HOBBYWING.
Los sistemas de propulsión eléctrica de transmisión directa conectan el motor eléctrico directamente a la hélice o al rotor sin caja de cambios intermedia, lo que reduce la complejidad mecánica, el peso y el mantenimiento, al tiempo que evita las pérdidas de transmisión propias de la caja de cambios. Estas configuraciones se utilizan ampliamente en drones multirrotor y UAV de ala fija, especialmente cuando son importantes la simplicidad, la fiabilidad y un control ágil del motor.
Los sistemas de propulsión eléctrica con caja de cambios utilizan una caja de cambios o un mecanismo reductor entre el motor y la hélice, lo que permite que cada componente funcione más cerca de su velocidad de rotación óptima. Esto permite que los motores eléctricos de mayor velocidad impulsen hélices más grandes y de giro más lento con características adecuadas de par y empuje, aunque los componentes adicionales del tren de transmisión aumentan el peso, la complejidad mecánica y los requisitos de mantenimiento.
Los sistemas de propulsión eléctrica integrados combinan motores, ESC y hélices a juego en conjuntos coordinados que, a menudo, se suministran como unidades de propulsión listas para instalar. Los componentes se seleccionan en función de su compatibilidad en cuanto a tensión, corriente, velocidad de rotación y características de empuje, lo que reduce el esfuerzo de integración para los fabricantes de UAV, mientras que algunos sistemas también incorporan supervisión del motor, protección térmica, diagnóstico e interfaces de comunicación para la conexión con los controladores de vuelo.
La propulsión eléctrica distribuida utiliza múltiples propulsores accionados eléctricamente situados a lo largo del fuselaje del UAV, lo que permite controlar cada motor de forma independiente para la distribución del empuje y el control de actitud. Estas configuraciones son habituales en aeronaves multirrotor y de despegue y aterrizaje vertical (VTOL), donde el funcionamiento coordinado de los motores proporciona sustentación y maniobrabilidad; además, algunas arquitecturas también pueden admitir redundancia de propulsión o control tolerante a fallos cuando se combinan con sistemas de control de vuelo adecuados.
Los sistemas de ventilador canalizado eléctrico (EDF) utilizan motores eléctricos de alta velocidad para accionar ventiladores encerrados en conductos aerodinámicos, lo que influye en el flujo de aire a través de la unidad de propulsión y puede ofrecer ventajas de tamaño o aerodinámicas en instalaciones adecuadas. La propulsión EDF se utiliza en determinados UAV de ala fija de alta velocidad y en aeronaves no tripuladas especializadas, aunque la eficiencia, el consumo de energía, las características acústicas y el rendimiento del empuje dependen del ventilador, la geometría del conducto, la velocidad de funcionamiento y las condiciones de vuelo.
Los sistemas de propulsión híbridos-eléctricos para UAV combinan la propulsión eléctrica con la generación de energía eléctrica a bordo, normalmente mediante un motor de combustión interna acoplado a un generador. Los sistemas híbridos en serie utilizan hélices o rotores accionados eléctricamente, alimentados por el generador y el sistema de almacenamiento de energía, mientras que las arquitecturas en paralelo también pueden transmitir potencia mecánica procedente del motor. Las baterías pueden proporcionar potencia adicional durante el despegue, en maniobras que requieren un gran esfuerzo o en condiciones transitorias, lo que permite que las configuraciones híbridas-eléctricas amplíen la autonomía más allá de la de los sistemas comparables que funcionan únicamente con batería, a costa de un mayor peso, complejidad y mantenimiento.
Los componentes de propulsión eléctrica para UAV deben funcionar como un sistema coordinado para proporcionar un empuje controlado, al tiempo que gestionan las cargas eléctricas, las tensiones mecánicas, la temperatura y la energía disponible. Por lo tanto, las especificaciones de los componentes individuales dependen de la arquitectura de la aeronave, la potencia de propulsión requerida, la tensión, el perfil de la misión y el entorno operativo.
La compatibilidad de estos componentes afecta directamente a la eficiencia de la propulsión, la capacidad de respuesta del control y la fiabilidad. Los comandos del controlador de vuelo son procesados por los ESC, que regulan el funcionamiento de los motores para accionar las hélices y generar el empuje necesario, lo que hace que la combinación adecuada de motores, ESC, hélices y fuentes de alimentación sea especialmente importante durante la integración del UAV.
Los sistemas de propulsión eléctricos y de combustión ofrecen características diferentes en cuanto a autonomía, complejidad mecánica, requisitos operativos, suministro de potencia e integración en la aeronave. La propulsión eléctrica se utiliza ampliamente en UAV de tamaño pequeño y mediano, mientras que los sistemas de combustión siguen siendo importantes para aeronaves y misiones que requieren una mayor capacidad energética a bordo o una autonomía prolongada.
| Factor de comparación | Propulsión eléctrica de los UAV | Propulsión de UAV con combustión |
| Densidad energética y autonomía de vuelo | Los sistemas alimentados por batería suelen tener una menor densidad energética a bordo, lo que puede limitar la autonomía de vuelo. | Los combustibles líquidos ofrecen una mayor energía específica, lo que podría permitir vuelos de mayor duración. |
| Suministro de potencia y respuesta del acelerador | Los motores eléctricos proporcionan una respuesta rápida del par y un control electrónico preciso. | La respuesta del motor depende del control del acelerador, de la dinámica del motor y de los componentes asociados al tren de transmisión. |
| Complejidad mecánica y mantenimiento | El menor número de piezas móviles en las configuraciones de transmisión directa suele reducir las necesidades de mantenimiento mecánico. | Los motores requieren sistemas mecánicos adicionales y mantenimiento, incluyendo el suministro de combustible, la lubricación y las revisiones. |
| Características de ruido y vibraciones | Suelen producir menos vibraciones en el tren de potencia y pueden funcionar de forma más silenciosa, aunque el ruido de la hélice o del rotor sigue siendo significativo. | La combustión del motor y los componentes alternativos o giratorios generan ruido y vibraciones adicionales. |
| Capacidad de carga útil y tamaño de la aeronave | Adecuados para una amplia gama de tamaños de UAV, si bien la capacidad de carga útil depende de la potencia del motor, el peso del sistema de almacenamiento de energía y el diseño del fuselaje. | A menudo resultan ventajosos para aeronaves de mayor tamaño y misiones de larga duración, en las que la densidad energética del combustible permite una mayor autonomía global de la misión. |
| Logística operativa y reabastecimiento de energía | Requiere la recarga de la batería, su sustitución u otra fuente de energía eléctrica. | Requiere almacenamiento, manipulación y repostaje de combustible, lo que puede facilitar una rápida rotación cuando se dispone de la infraestructura de combustible adecuada. |
| La propulsión híbrida-eléctrica como alternativa | Los propulsores eléctricos pueden alimentarse mediante baterías y generadores a bordo, lo que permite combinar el control eléctrico con una mayor disponibilidad de energía. | Los motores de combustión pueden proporcionar potencia mecánica o generar electricidad en el marco de arquitecturas híbridas. |
» , N8L, de IPET Systems.
Los sistemas de propulsión eléctrica para UAV pueden estar sujetos a requisitos eléctricos, medioambientales, de software, de hardware y de aeronavegabilidad, en función de la clasificación de la aeronave, el entorno operativo, el uso previsto y la base de certificación. Las normas pertinentes proporcionan métodos y directrices para evaluar el diseño de la unidad de propulsión, el rendimiento medioambiental, el hardware electrónico, la garantía del software y la protección de los equipos.
Los requisitos aplicables dependen de la base de certificación del UAV, del marco de aprobación operativa, de las especificaciones de adquisición y de la función que desempeñe el sistema de propulsión dentro de la aeronave. Los fabricantes también pueden realizar ensayos de empuje, autonomía, térmicos, de vibraciones, eléctricos y a nivel de sistema para verificar el rendimiento en las condiciones de funcionamiento previstas.
Los avances en la propulsión eléctrica de los UAV se centran en mejorar la densidad de potencia, la eficiencia energética, la gestión térmica, la integración de sistemas y el control de la propulsión. Estos avances son especialmente relevantes para los UAV de mayor tamaño, las plataformas de carga pesada, las aeronaves autónomas y las misiones de larga autonomía, en las que es necesario equilibrar cuidadosamente el rendimiento eléctrico y mecánico con el peso de la aeronave.
Las continuas mejoras en el diseño de los motores, la electrónica de potencia, la gestión térmica y los sistemas de energía eléctrica están ampliando la gama de tamaños de aeronaves y perfiles de misión que pueden ser compatibles con la propulsión eléctrica de los UAV.
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