Entendiendo los eVTOL: Una guía completa sobre aeronaves eléctricas de despegue y aterrizaje vertical

Introducción a las aeronaves eVTOL

Las aeronaves de despegue y aterrizaje vertical eléctrico (eVTOL) representan un cambio transformador en la tecnología de la aviación. Prometen revolucionar la movilidad urbana, reducir la congestión del tráfico y mitigar los impactos ambientales asociados con la aviación tradicional.

Estas innovadoras aeronaves están diseñadas para combinar la eficiencia de la propulsión eléctrica con la versatilidad de las capacidades de despegue y aterrizaje vertical, lo que les permite operar en entornos urbanos donde el espacio es limitado y las pistas tradicionales son imprácticas.

Una breve historia de los eVTOL

El concepto de los eVTOL se remonta a mediados del siglo XX con aeronaves experimentales como el Hawker Siddeley Harrier, un avión VTOL propulsado por un motor a reacción desarrollado en la década de 1960. Sin embargo, estos primeros modelos no eran eléctricos. El movimiento moderno de los eVTOL comenzó a ganar tracción en la década de 2010, impulsado por avances en la propulsión eléctrica, la tecnología de baterías y la creciente demanda de soluciones sostenibles de transporte urbano.

Uno de los primeros hitos importantes en el espacio de los eVTOL fue la formación de empresas como Joby Aviation y Volocopter, que comenzaron a desarrollar prototipos de VTOL eléctricos. Durante la última década, numerosas startups y empresas aeroespaciales establecidas han ingresado al mercado, acelerando el desarrollo y la comercialización de la tecnología eVTOL.

Cómo funcionan las aeronaves eVTOL

Propulsión eléctrica

En el núcleo de la tecnología eVTOL está la propulsión eléctrica, que se basa en motores eléctricos alimentados por baterías u otras fuentes de energía eléctrica. Esto contrasta con las aeronaves tradicionales que utilizan motores de combustión interna. Los motores eléctricos ofrecen varias ventajas, como niveles de ruido más bajos, reducción de emisiones y mayor eficiencia. El sistema de propulsión eléctrica de un eVTOL generalmente consiste en un paquete de baterías, motores eléctricos y electrónica de potencia que gestiona la distribución de energía.

Despegue y aterrizaje vertical

Las aeronaves eVTOL están diseñadas para despegar y aterrizar verticalmente, de manera similar a los helicópteros. Esta capacidad se logra mediante varios rotores, ventiladores con conductos o configuraciones de rotores basculantes. La elevación vertical generalmente es proporcionada por múltiples rotores distribuidos alrededor de la aeronave, que pueden inclinarse o ajustarse para la transición del vuelo vertical al horizontal. Durante el despegue y el aterrizaje, los rotores se posicionan para proporcionar empuje vertical, mientras que en el vuelo de crucero, pueden inclinarse para generar empuje hacia adelante y elevación.

Operación autónoma y pilotada

Muchos diseños de eVTOL incorporan sistemas avanzados de aviónica y de vuelo autónomo para mejorar la seguridad y la eficiencia operativa. La tecnología de vuelo autónomo permite que estas aeronaves operen con una intervención humana mínima, reduciendo el potencial de error humano. Sin embargo, algunos eVTOLs también están diseñados para ser pilotados de forma remota o por un piloto a bordo, lo que proporciona flexibilidad en la operación y asegura el cumplimiento con las regulaciones de aviación existentes.

Varios tipos de eVTOLs

"El mercado de eVTOL es diverso, con numerosos diseños y configuraciones adaptados a casos de uso y entornos operativos específicos. Estos diseños se pueden categorizar ampliamente en los siguientes tipos:

• eVTOLs multirrotor

• eVTOLs Lift + Cruise

• eVTOLs de rotor basculante y ala basculante

• eVTOLs de empuje vectorial

Veamos más de cerca cada uno de estos tipos:

eVTOLs multirrotor

Los eVTOLs multirrotor se asemejan a grandes drones con múltiples rotores (generalmente de cuatro a ocho) que proporcionan elevación y empuje. Estas aeronaves son conocidas por su simplicidad, estabilidad y facilidad de control. Son ideales para aplicaciones de movilidad aérea urbana (UAM) de corto alcance, como taxis aéreos y drones de entrega. Ejemplos incluyen el Volocopter 2X y el EHang 216.

eVTOLs de elevación y crucero

Los eVTOLs de elevación y crucero utilizan rotores o hélices separadas para la elevación vertical y el vuelo horizontal. Esta configuración permite un rendimiento optimizado durante las diferentes fases del vuelo. La elevación vertical es proporcionada por rotores que operan durante el despegue y el aterrizaje, mientras que el empuje hacia adelante es generado por hélices de ala fija durante el vuelo de crucero. El Joby Aviation S4 es un destacado ejemplo de eVTOL de elevación y crucero.

eVTOLs de rotor basculante y ala basculante

Los eVTOLs de rotor basculante y ala basculante tienen rotores o alas que pueden inclinarse para hacer la transición entre los modos de vuelo vertical y horizontal. En los diseños de rotor basculante, los rotores están montados en góndolas giratorias, lo que les permite proporcionar elevación vertical durante el despegue y aterrizaje, así como empuje hacia adelante durante el vuelo de crucero. Los diseños de ala basculante, por otro lado, cuentan con alas que se inclinan junto con los rotores. Estas configuraciones ofrecen capacidades de alta velocidad y largo alcance. Ejemplos incluyen el Lilium Jet y el Bell Nexus.

eVTOLs de empuje vectorial

Los eVTOLs de empuje vectorial utilizan una combinación de alas fijas y rotores o ventiladores que pueden direccionarse para proporcionar tanto elevación vertical como empuje hacia adelante. Este diseño permite un vuelo de crucero eficiente y una maniobrabilidad mejorada. Los sistemas de empuje vectorial pueden ser más complejos, pero ofrecen ventajas en términos de rendimiento y alcance. El Archer Aviation Maker es un ejemplo de un eVTOL de empuje vectorial.

Pruebas y certificación de los eVTOLs

Probar y certificar aeronaves eVTOL es un proceso riguroso que garantiza la seguridad, confiabilidad y el cumplimiento con los estándares regulatorios. La fase de pruebas típicamente incluye varias etapas clave:

Desarrollo y creación de prototipo

Durante la fase de desarrollo, los ingenieros crean prototipos y realizan pruebas iniciales para validar el diseño y el rendimiento del eVTOL. Esta etapa implica extensas simulaciones por computadora, pruebas en túneles de viento y modelos a pequeña escala para perfeccionar la aerodinámica, la propulsión y la integridad estructural de la aeronave.

Pruebas en tierra

Las pruebas en tierra consisten en evaluar los sistemas y componentes de la aeronave sin despegar. Esto incluye probar el sistema de propulsión eléctrica, la aviónica, los sistemas de control y las baterías. Las pruebas en tierra aseguran que todos los sistemas funcionen correctamente y puedan soportar las tensiones y condiciones que enfrentarán durante el vuelo.

Pruebas de vuelo

Las pruebas de vuelo se realizan en varias fases, comenzando con vuelos a baja altitud y baja velocidad, y progresando gradualmente a condiciones de vuelo más complejas y exigentes. Durante las pruebas de vuelo, los ingenieros evalúan el rendimiento, la estabilidad, la maniobrabilidad y las características de seguridad del eVTOL. Los datos recopilados en estas pruebas se utilizan para perfeccionar el diseño y solucionar cualquier problema.

Pruebas de sistemas eléctricos

Probar los sistemas eléctricos en aeronaves eVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico) implica numerosos procedimientos rigurosos para garantizar la seguridad, confiabilidad y rendimiento. Estas pruebas cubren componentes como motores eléctricos, inversores y baterías. A continuación, se ofrece una visión general de cómo se prueba típicamente cada componente:

Motores eléctricos:

Pruebas marco:

• Pruebas de rendimiento: Los motores se prueban en banco para medir parámetros de rendimiento como el par motor, RPM (revoluciones por minuto), eficiencia y potencia de salida.

• Pruebas térmicas: Los motores se someten a ciclos térmicos para evaluar su rendimiento bajo diferentes temperaturas e identificar posibles problemas de sobrecalentamiento.

Pruebas de durabilidad:

• Pruebas de resistencia: Los motores se hacen funcionar durante largos períodos bajo carga para evaluar su durabilidad a largo plazo y detectar desgaste.

• Pruebas de vibración: Los motores se someten a pruebas de vibración para simular condiciones operativas y verificar la integridad estructural.

Pruebas ambientales:

• Pruebas de humedad y corrosión: El motor se expone a entornos húmedos y corrosivos para evaluar su resistencia a factores ambientales.

• Pruebas de altitud: Los motores se prueban bajo diferentes condiciones de altitud para asegurar la consistencia de su rendimiento.

Pruebas ambientales:

• Pruebas de humedad y corrosión: El motor se expone a entornos húmedos y corrosivos para evaluar su resistencia a los factores ambientales.

• Pruebas de altitud: Los motores se prueban en condiciones de altitud variables para garantizar la consistencia de su rendimiento.

Inversores:

Pruebas funcionales:

• Eficiencia de conversión de energía: Los inversores se prueban para medir su eficiencia en la conversión de corriente continua (DC) a corriente alterna (AC) y viceversa.

• Rendimiento de conmutación: Se prueba la capacidad de conmutación y los tiempos de respuesta para garantizar una modulación de potencia efectiva.

Pruebas de gestión térmica:

• Disipación de calor: Los inversores se prueban para asegurar que puedan disipar el calor de manera efectiva bajo diferentes condiciones de carga.

• Ciclos térmicos: Someter a los inversores a ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento para probar su estabilidad térmica y confiabilidad.

Pruebas de seguridad:

• Pruebas de cortocircuito: Simulación de condiciones de cortocircuito para probar los mecanismos de protección del inversor.

• Pruebas de sobrecarga: Ejecutar los inversores por encima de su capacidad nominal para asegurar que puedan manejar condiciones de sobrecarga de manera segura.

Baterias:

Pruebas de rendimiento:

• Capacidad y densidad de energía: Medición de la capacidad de la batería y su densidad de energía para asegurar que cumpla con las especificaciones de diseño.

• Ciclos de carga/descarga: Carga y descarga repetida para evaluar el ciclo de vida de la batería y su tasa de degradación.

Pruebas de certificación

Los vehículos eVTOL deben someterse a rigurosos procesos de certificación para cumplir con los estándares de seguridad aérea. Organismos reguladores como la Administración Federal de Aviación (FAA) en Estados Unidos y la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea (EASA) en Europa han establecido marcos para la certificación de aeronaves eVTOL. Las pruebas de certificación examinan exhaustivamente el diseño, la fabricación y los procedimientos operativos del vehículo. Este proceso puede tomar varios años y requiere documentación y pruebas extensas.

Principales actores en el mercado de eVTOL

El mercado de eVTOL está creciendo rápidamente, con numerosas empresas y startups compitiendo por desarrollar la próxima generación de soluciones de movilidad aérea urbana. Algunos de los principales actores incluyen:

Joby Aviation

Con sede en EE. UU., Joby Aviation es una de las empresas líderes en el mercado de eVTOL. Es conocida por su aeronave S4, que cuenta con un diseño de Elevación + Crucero con seis rotores basculantes y un alcance de más de 150 millas. Joby ha recibido financiamiento significativo y ha establecido alianzas con empresas como Toyota y Uber para desarrollar su servicio de taxis aéreos. En febrero de 2024, Joby firmó un contrato para lanzar un servicio de taxis aéreos en los Emiratos Árabes Unidos a partir de 2026.

Volocopter

Volocopter es una empresa alemana enfocada en soluciones de movilidad aérea urbana. Su producto insignia, el Volocopter 2X, es un eVTOL multirrotor diseñado para vuelos de corto alcance dentro de áreas urbanas. Volocopter ha realizado numerosas demostraciones públicas y está trabajando en el desarrollo de infraestructura para la movilidad aérea urbana. Sus socios e inversores incluyen a Mercedes, Japan Airlines, Lufthansa, Schenker, entre otros.

EHang

La empresa China EHang es conocida por sus aeronaves eVTOL autónomas, incluido el EHang 216. Este eVTOL multirrotor está diseñado para el transporte de pasajeros y ha sido utilizado en varios proyectos piloto y demostraciones. EHang tiene como objetivo desarrollar un ecosistema integral de movilidad aérea urbana, que incluya el transporte de pasajeros y carga.

Lilium

La empresa aeroespacial alemana Lilium está desarrollando el Lilium Jet, un eVTOL de ala basculante. Con 36 motores a reacción eléctricos integrados en sus alas, se creó la primera aeronave eléctrica de despegue y aterrizaje vertical a reacción. El Lilium Jet está diseñado para vuelos de alta velocidad y largo alcance, con un rango proyectado de 186 millas. Están colaborando y asociándose con empresas como Honeywell, Toray, CustomCells, NetJets y Aciturri. En julio de 2024, el Grupo Saudia anunció que realizó un pedido en firme de 50 jets vTOL de Lilium, con opción de 50 más. Las aeronaves estarán al servicio del Reino de Arabia Saudita.

Archer Aviation

Con sede en los Estados Unidos, Archer Aviation está desarrollando el Maker, un eVTOL de empuje vectorial con un alcance de 60 millas. En febrero de 2021, United Airlines anunció un pedido de 200 aeronaves eVTOL de Archer, con una opción para 100 unidades adicionales. La asociación tiene como objetivo desarrollar una red de movilidad aérea urbana que pueda reducir el tiempo de viaje y las emisiones en áreas urbanas congestionadas. United planea lanzar servicios de transporte aéreo compartido en Chicago utilizando el taxi aéreo eVTOL Midnight de Archer para 2025. Los vuelos cortos entre el Aeropuerto O'Hare de Chicago y Vertiport Chicago tomarán unos 10 minutos en comparación con una hora en automóvil durante el tráfico de hora pico.

Midnight es una aeronave eléctrica de ala fija con 12 motores y una envergadura de 47 pies (14 metros). Puede transportar hasta cuatro pasajeros además del piloto.

Eve Air Mobility

Eve Air Mobility, con sede en EE. UU., es una subsidiaria de Embraer, una importante empresa aeroespacial brasileña conocida por producir aeronaves comerciales, ejecutivas y militares. Eve planea introducir vTOLs pilotados con la idea de que en el futuro serán autónomos. En 2022, United realizó un pedido de hasta 200 eVTOLs a la compañía, con opciones para 200 más.

Vertical Aerospace

Vertical Aerospace una empresa con sede en el Reino Unido, está desarrollando el VA-X4, una aeronave eVTOL para cuatro pasajeros. La compañía ha asegurado asociaciones con importantEl futuro de las aeronaves eVTOLes empresas aeroespaciales como Honeywell, Dassault, Leonardo, GKN, entre otras. En un comunicado de prensa de julio de 2024, anunciaron que habían asegurado 1,500 pedidos anticipados del VX4 valorados en 6 mil millones de dólares, con clientes que incluyen Virgin Atlantic, American Airlines, Japan Airlines, GOL y Bristow.

El futuro de las aeronaves eVTOL

El futuro de las aeronaves eVTOL es prometedor, con el potencial de transformar el transporte urbano y la logística. Se espera que varias tendencias y desarrollos clave den forma al futuro de esta industria:

Redes de movilidad aérea urbana (UAM)

Establecer redes de movilidad aérea urbana (UAM) es un paso crucial para aprovechar todo el potencial de las aeronaves eVTOL. El surgimiento de los vehículos eléctricos creó una demanda de infraestructura de carga eléctrica. Debido a su naturaleza, las aeronaves eléctricas eVTOL requieren una infraestructura única, es decir, sus propias instalaciones operativas. Los vertipuertos son aeropuertos específicamente diseñados para apoyar la operación de aeronaves eVTOL. Estos incluirán:

• Elementos esenciales como múltiples plataformas de despegue y aterrizaje para operaciones verticales.

• Terminales de pasajeros para check-in y embarque.

• Estaciones de carga y reabastecimiento para eVTOLs eléctricos y propulsados por hidrógeno.

• Instalaciones de mantenimiento y reparación para inspecciones rutinarias y servicios.

Además, los vertipuertos están integrados con avanzados sistemas de gestión del tráfico aéreo para garantizar una coordinación segura y eficiente del espacio aéreo, e incluyen centros de control para supervisar las operaciones en tierra y en vuelo.

Avances en la tecnología de baterías

La tecnología de baterías es crucial para el rendimiento y la viabilidad de las aeronaves eVTOL. Los avances en densidad de energía, velocidad de carga y vida útil de las baterías mejorarán el alcance, la capacidad de carga útil y la eficiencia operativa de los eVTOL . La investigación y el desarrollo en baterías de estado sólido, sistemas de carga rápida y gestión de energía jugarán un papel clave en el futuro de la tecnología eVTOL.

Vuelo autónomo e integración de IA

La integración de sistemas de vuelo autónomo y la inteligencia artificial (IA) tendrá un impacto significativo en la industria eVTOL. La tecnología de vuelo autónomo puede mejorar la seguridad, reducir los costos operativos y permitir un uso más eficiente del espacio aéreo. La IA puede ayudar en la optimización de rutas, el mantenimiento predictivo y la toma de decisiones en tiempo real, mejorando el rendimiento general y la confiabilidad de las operaciones de los eVTOL.

Impacto ambiental y sostenibilidad

Las aeronaves eVTOL tienen el potencial de reducir el impacto ambiental del transporte urbano al disminuir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir la congestión del tráfico. El uso de propulsión eléctrica genera menores emisiones y niveles de ruido en comparación con las aeronaves tradicionales. A medida que la industria crezca, se pondrá énfasis en prácticas sostenibles, incluyendo el uso de fuentes de energía renovables y materiales ecológicos.

Marco regulatorio y aceptación pública

La implementación exitosa de las aeronaves eVTOL requerirá un marco regulatorio de apoyo y aceptación pública. Las agencias regulatorias están trabajando en el desarrollo de estándares y directrices para la certificación y operación de los eVTOL. La aceptación pública dependerá de la demostración de la seguridad, fiabilidad y beneficios de la tecnología eVTOL. La participación de la comunidad y una comunicación transparente serán esenciales para generar confianza y abordar las preocupaciones sobre ruido, privacidad y seguridad.

Conclusión

Las aeronaves eVTOL representan un avance revolucionario en la tecnología de la aviación, con el potencial de transformar la movilidad urbana y abordar desafíos urgentes relacionados con la congestión del tráfico, las emisiones y la eficiencia del transporte. El desarrollo e implementación de los eVTOL implican una compleja interacción entre la innovación tecnológica, los marcos regulatorios y la aceptación pública. A medida que la tecnología avanza y los marcos regulatorios evolucionan, los eVTOL están destinados a convertirse en una pieza clave de las soluciones de movilidad urbana y regional del futuro