La preocupación por el calentamiento global está empujando a la aviación a introducir tecnologías innovadoras para vuelos más ecológicos, ya que las partes interesadas de la aviación se comprometieron con objetivos ambiciosos de reducir las emisiones netas globales de carbono de la aviación en un 50% para 2050 en comparación con 2005. La propulsión híbrida-eléctrica es una de las soluciones propuestas para lograrlo. objetivo ambicioso. La introducción de esta solución abre nuevas oportunidades y también genera nuevos desafíos, como la necesidad de sistemas de gestión térmica (TMS) dedicados para enfriar las máquinas eléctricas. La Unión Europea ha cofinanciado el proyecto ORCHESTRA(Optimised electric network aRCHitEctures and SysTems for more-electric Aircraft) para diseñar nuevas tecnologías que permitan un aumento del 10% en la eficiencia y una reducción del 25% en el peso del sistema de energía eléctrica (EPS) en comparación con el estado del sistema. Dentro del proyecto ORCHESTRA, Skylife desarrolló un convertidor modular bidireccional Dual Active Bridge (DAB) para gestionar la transferencia de energía entre el bus de corriente continua de kilovoltaje (kVDC) (1-3kV) y el bus de corriente continua de alto voltaje (HVDC) ( 540V). 

Consorcio: University of Nottingham (coordinador), Leonardo, Safran Electrical & Power, Safran, C.I.R.A, Fraunhofer, Aeromechs, AIT (Austrian Institute of Technology), BSIM, Skylife Engineering, VR Aviation Safety Partnership

Introducción

La demanda de energía a bordo de las aeronaves aumenta continuamente, debido tanto a la introducción de nuevos sistemas a bordo que requieren energía adicional como a la creciente preocupación relacionada con el impacto de la aviación en el calentamiento global, lo que empuja hacia la electrificación de las aeronaves. En particular, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático ha fijado el objetivo de reducir al menos un 50% las emisiones de dióxido de carbono (CO2) para 2050. Sin embargo, se espera que las emisiones globales de CO2 producidas por el sector de la movilidad aumenten un 80% para finales de 2050.

Según la OACI, alrededor del 20% del aumento previsto debería corresponder a la aviación. Así, para cumplir los objetivos globales de reducción de emisiones de la movilidad, el Consejo Asesor para la Investigación Aeronáutica en Europa (ACARE) ha definido el Flightpath 2050, según el cual se espera una reducción del 75% en las emisiones de CO2 y del 90% en las emisiones de Óxidos de Nitrógeno (NO).

Estos ambiciosos objetivos pueden lograrse mediante la introducción de nuevas configuraciones de aeronaves y/o tecnologías disruptivas, como la propulsión híbrida/eléctrica para aeronaves, cambiando el paradigma del mercado de la aviación actual, que todavía se basa en el uso de motores a reacción introducidos en la década de 1950.

La introducción de sistemas propulsivos híbridos/eléctricos abre nuevas potencialidades, pero también nuevos desafíos que afrontar. Uno de los principales desafíos a resolver es la forma de disipar el calor producido por los componentes de las centrales eléctricas híbridas/eléctricas: estos sistemas no pueden utilizar técnicas convencionales aplicadas en los aviones actuales y deben cumplir estrictas restricciones térmicas. Por lo tanto, se necesitan estudios detallados del TMS para liberar las potencialidades del sistema de propulsión híbrido/eléctrico.

La Unión Europea (UE) ha cofinanciado el proyecto ORCHESTRAcon el objetivo de diseñar nuevas tecnologías que permitan aumentar un 10% la eficiencia y reducir un 25% el peso del sistema de energía eléctrica (EPS) en comparación con lo último en tecnología.

En este artículo se presenta el diseño de un novedoso convertidor modular bidireccional para gestionar la transferencia de energía entre el bus kVDC (1-3kV) y el bus HVDC (540V) de la arquitectura multi-Mega Watt (MW) del futuro. Se propone un avión mucho más eléctrico (M2EA). La topología seleccionada para este equipo es una DAB. Luego, se muestra el diseño de un TMS optimizado para el control térmico del DAB, incluyendo el estudio de viabilidad de SMA para mejorar el rendimiento fuera de diseño.

Convertidor bidireccional 1-3kV/540 para topología multimegavatio

El convertidor de potencia diseñado por Skylife para este proyecto tiene una característica principal a considerar: la entrada de alto voltaje, ya sea 1 kV o 3 kV. Generalmente, para ese nivel de voltaje, las soluciones más típicas incluyen módulos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) como semiconductores, por su capacidad de soportar alto voltaje y alta capacidad de corriente. Sin embargo, en este caso, el tamaño y el peso del convertidor también son críticos, y esa es la razón que motivó el aumento de la frecuencia de conmutación, haciendo imperativo el uso de dispositivos más rápidos como los SiC MosFET (Silicon Carbide Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), con buena resistencia a la tensión y capacidad de corriente.

La topología elegida para el convertidor DC/DC fue el convertidor Dual-Active Bridge. Esta elección se basó en las principales características de esta topología: flujo de potencia bidireccional, alta eficiencia, regulación de voltaje, aislamiento galvánico, armónicos reducidos y modularidad. Esta última característica fue la que permitió utilizar el convertidor en diferentes configuraciones modulares para trabajar a una tensión de entrada de 1 kV o 3 kV. Cuando la tensión de entrada es de 1 kV, los convertidores tienen su entrada conectada en paralelo en lo que se llama IPOP (Input Parallel, Output Parallel). Cuando la tensión de entrada es de 3 kV su entrada se conecta en serie, en lo que se denomina ISOP (Input Series, Output Parallel). Ambas conexiones están representadas en la siguiente imagen.

Diseño eléctrico

El diseño de los convertidores se realizó para alcanzar las características siguientes.

• Nominal Power: 70kW
• Nominal Voltage kVDC: 1kV
• Nominal Voltage HVDC: 540V
• Topology: Dual-active bridge

Referencia: Diego Giuseppe Romano, Salvatore Ameduri, Antonio Carozza, Bernardino Galasso, Gianluca Marinaro, Edson Lima Junior Manuel Lagares, Carmen Bejarano Espada, María Dolores Jiménez Sánchez (2024),  Development of a bi-directional modular converter and its thermal management system for a future much more electric aircraft, International Conference on More Electric Aircraf, France

Este proyecto ha recibido financiación de Horizonte 2020 en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención número 101006771.

Se ha recibido un incentivo de la Agencia de Innovación y Desarrollo de Andalucía IDEA, de la Junta de Andalucía cofinanciado en un 80% por la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional, FEDER para la realización del proyecto "Metallic Environment Research loCation for the Use in the IndustRY" con el objetivo de Promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad.

Desde los años 90, los sistemas de navegación por satélite se han integrado en muchos aspectos de nuestra vida. Sin embargo, es importante contar con alternativas confiables de posicionamiento para cuando esta herramienta no esté disponible. Estos avances, en su mayoría, se centran en la innovación militar y en materia de defensa, para garantizar el desplazamiento de aeronaves, vehículos y tropas en entornos de guerra electrónica.

¿Qué son los Sistemas Globales de Navegación por Satélite?

Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS por sus siglas en inglés) son sistemas de posicionamiento y navegación que utilizan una red de satélites en órbita alrededor de la Tierra para determinar la ubicación precisa de un receptor en cualquier parte del mundo. Estos sistemas están diseñados para proporcionar información del posicionamiento tridimensional de un objeto, la velocidad de movimiento y el tiempo en el que se halla en un determinado lugar con una precisión muy alta.

El GNSS más conocido y ampliamente utilizado es el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), desarrollado por Estados Unidos. También existen otros sistemas GNSS como el GLONASS de Rusia, el Galileo de la Unión Europea y el Beidou de China. Estos sistemas funcionan mediante una constelación de satélites que transmiten señales de navegación a receptores en la Tierra. Estos receptores utilizan las señales que reciben de múltiples satélites para calcular su posición con una precisión de algunos metros o incluso de centímetros, en función de la calidad del receptor y la cantidad de señales recibidas.

Los sistemas GNSS han revolucionado la forma en que nos orientamos y nos desplazamos por el mundo. Actualmente, se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones civiles, industriales y militares, como la navegación marítima, la aviación, la cartografía, los servicios de emergencia y la agricultura de precisión.

Alternativas a los GNSS

Cuando no es posible utilizar los Sistemas Globales de Navegación por Satélite, ya sea debido a su falta de disponibilidad o a su poca confiabilidad, como en entornos urbanos densos, cerca de puertos con una saturación de equipos de posicionamiento que dificulta el atraque de barcos o en casos de ataques electrónicos, existen una serie de tecnologías alternativas experimentales.

Una de estas alternativas es la navegación inercial, que usa sensores como acelerómetros y giróscopos para medir los cambios de velocidad y la orientación de un objeto en movimiento. Estos sensores permiten determinar la posición relativa y la trayectoria del objeto, aunque pueden acumular errores con el tiempo a medida que se acumulan las mediciones.

Otra alternativa es el uso de balizas terrestres y radiofrecuencias. Este método se basa en la recepción de señales emitidas por estaciones terrestres, que contienen información sobre posición y tiempo. Los receptores pueden medir la diferencia de tiempo entre las señales y calcular la posición. Sin embargo, este enfoque requiere una infraestructura terrestre considerable y un buen conocimiento sobre la ubicación y las características de las balizas.

En la misma línea, existen sistemas basados en la radiogoniometría, que utilizan antenas direccionales para medir la dirección de llegada de señales de radio que provienen de transmisores conocidos. Sin embargo, su alcance está limitado a áreas muy específicas y depende completamente de la infraestructura disponible.

Estas alternativas cuentan con limitaciones en cuanto a la precisión y la fiabilidad en comparación con los sistemas GNSS, por lo que su aplicación depende del contexto y de las necesidades concretas de cada caso.

El proyecto OPTIMISE

Con el objetivo de ofrecer una alternativa precisa y mejorada para el posicionamiento y la navegación sin depender de los GNSS, Skylife Engineering ha coordinado el proyecto de I+D e innovación OPTIMISE. El objetivo principal es un trabajo de investigación para mejorar el posicionamiento, la navegación y el tiempo en áreas donde no se tenga acceso a los sistemas GNSS mediante una arquitectura innovadora que combina datos de diferentes señales y sensores.

La plataforma OPTIMISE fusiona diversas tecnologías para PNT (Posicionamiento, Navegación y Tiempo), que al combinarse buscan lograr un resultado más confiable. Además de utilizar sensores más modernos y efectivos, gran parte del proyecto busca probar una amplia gama de herramientas basadas en tecnologías emergentes para utilizar en situaciones específicas, junto con un software central que las integra y fusiona para obtener una solución más precisa y robusta.

Las tecnologías implicadas en el proyecto son:

• Un estudio de viabilidad para llevar la tecnología magneto-inercial a la plataforma aérea.

• Sistema de posicionamiento basado en señales de oportunidad (SoOp) con procesamiento paralelo.

• Integración avanzada de un radar de apertura sintética (SAR) en plataformas aéreas para probar la viabilidad tecnológica del sistema.

• Reloj atómico MEMS y unidad de medidas inerciales (IMU) atómica.

• Sistema de navegación estelar.

En primer lugar, se llevaron a cabo varios workshopscon expertos a lo largo de 2021 para la definición de requisitos y restricciones, así como un estudio del estado arte de las tecnologías y métodos disponibles actualmente. En base a esto, se definieron los escenarios y el roadmappara el desarrollo de los distintos sistemas. Tras esto, se procedió al diseño de los prototipos para cada tecnología, y entre junio de 2022 y abril de 2023 se llevaron a cabo diversas pruebas de integración y validación tanto en tierra como en vuelo en el aeropuerto de Žilina en Eslovaquia. Para medir los resultados, se definió una trayectoria de referencia de la aeronave.

Tras las pruebas de vuelo, se procedió a una evaluación de las diferentes tecnologías basados en los criterios de fiabilidad del sensor, precisión de la fusión, latencia, tasa de actualización y disponibilidad de los datos, con el siguiente resultado:

OPTIMISE es una prueba más de cómo Skylife forma parte activa de la innovación y el desarrollo de nuevas tecnologías en ámbitos como el desarrollo de tecnologías de PNT en los programas de defensa de la Unión Europea. En este proyecto, coordinado por Skylife, han participado MBDA, Sener Aeroespacial, ONERA - The French Aerospace Lab, SYRLINKS, STARNAV, SYSNAV, la universidad de Žilina y AICIA (Andalusian Association for Research and Industrial Cooperation).

OPTIMISE forma parte del programa de la Unión Europea denominado PADR (Acción preparatoria sobre investigación en materia de Defensa) (GA No 884134) y sus resultados serán tomados en cuenta para la asignación de fondos destinados a la investigación del Fondo Europeo de Defensa (EDF).