Electra, un nuevo fabricante de aviones estadounidense, lanzó recientemente un modelo conceptual de avión de pasajeros de próxima generación para 2050. Esta solución híbrida puede transportar a más de cien pasajeros. Mejora la eficiencia al tiempo que reduce las emisiones a través de la electrificación, un diseño aerodinámico avanzado y un diseño integrado de carrocería y potencia. El proyecto es parte del programa Conceptos Avanzados de Aeronaves para la Sostenibilidad Ambiental (AACES 2050) de la NASA, cuyo objetivo es explorar caminos viables para una nueva generación de aviones de pasajeros respetuosos con el medio ambiente y al mismo tiempo compatibles con la infraestructura aeroportuaria existente.

A diferencia de la idea de motores eléctricos "enchufables" en el fuselaje tradicional, Electra intenta partir de la estructura general del fuselaje y el sistema de propulsión, y acoplar profundamente el diseño aerodinámico y el diseño de propulsión para mejorar simultáneamente la economía de combustible y el desempeño ambiental. Este concepto de avión se basa en el plan de investigación del "avión de pasajeros verde" D8 propuesto anteriormente por el MIT. Su característica estética más significativa es el llamado fuselaje de "doble burbuja": dos secciones cilíndricas del fuselaje están fusionadas en paralelo, similar a una interpretación moderna de la estructura del Boeing 377 Stratocruiser de los años 1940, que tenía un ángulo "transversal" de 90 grados.

Electra señaló que el fuselaje de "doble burbuja" no sólo sirve para aumentar el espacio de la cabina sin aumentar la longitud del fuselaje, sino más importante aún, para permitir que el fuselaje en sí soporte una gran cantidad de sustentación, haciendo que el diseño general se acerque a alguna forma de diseño de fusión ala-cuerpo. Al permitir que el fuselaje participe en la generación de sustentación, la carga estructural sobre el ala se puede reducir significativamente, reduciendo así el tamaño del ala y generando ganancias duales en resistencia y peso.

El verdadero "ingenio" se refleja en su sistema de propulsión híbrido. Debajo de las alas, el diseño conserva dos motores turbofan, que son responsables de proporcionar la mayor parte del empuje y alimentar el sistema eléctrico del fuselaje a través de generadores de megavatios integrados. En la parte trasera del fuselaje están dispuestos tres ventiladores accionados por motores eléctricos. Estos ventiladores están integrados en la sección trasera del fuselaje y forman una arquitectura de propulsión híbrida eléctrica-turbina integrada con el sistema de generación de energía del turboventilador delantero.

Desde una perspectiva intuitiva, este diseño parece un poco innecesario: dado que el turbofan puede generar empuje directamente, ¿por qué necesitamos generar electricidad primero y luego accionar el ventilador eléctrico, agregando múltiples pérdidas de conversión de energía en el medio? La respuesta dada por Electra radica en el diseño aerodinámico: la clave de este sistema es utilizar el flujo de aire de la capa límite en la superficie del avión para recuperar energía que de otro modo se desperdiciaría tras la estela del avión.

En este plan, el turboventilador situado debajo del ala está suspendido debajo del ala a través del pilón de la góndola, deliberadamente alejado de la capa límite en la superficie del cuerpo del avión, para inhalar aire de flujo libre que es consistente con la velocidad de vuelo del avión y tiene un campo de flujo relativamente uniforme, manteniendo así las condiciones de entrada de aire "limpias" en el sentido tradicional. Al mismo tiempo, se formará una capa de flujo de aire de capa límite más gruesa y de menor velocidad en la superficie del fuselaje. Este flujo de aire de baja energía se desarrolla hacia atrás a lo largo del fuselaje. Si se le permite caer naturalmente, formará una estela turbulenta en la cola, lo que reducirá la eficiencia aerodinámica general del avión.

El avión conceptual AACES 2050 de Electra tiene tres ventiladores eléctricos directamente integrados en la estructura del fuselaje en la cola, lo que les permite inhalar activamente este flujo de aire de la capa límite de baja energía y volver a energizarlo antes de que el flujo se escape por completo para formar una estela. A través de este proceso de "reaceleración de la cola", la energía que se habría perdido en forma de vórtices de estela se puede recuperar parcialmente, la estela del cuerpo se puede "contraer" y la resistencia se reduce significativamente, mejorando así la eficiencia general de la propulsión, reduciendo el consumo de combustible y las emisiones, y permitiendo el uso de configuraciones de motor más pequeñas y livianas.

Electra enfatizó que esta idea es bastante elegante en teoría, pero aún enfrenta múltiples desafíos en la práctica de la ingeniería, incluida la seguridad y eficiencia de la transmisión a larga distancia de potencia a nivel de megavatios dentro del cuerpo, la gestión térmica de los motores y la electrónica de potencia, y posibles problemas de ruido causados ​​por los ventiladores eléctricos en la cola. Si estas tecnologías clave pueden diseñarse con limitaciones de costo y confiabilidad es un problema difícil que debe superarse gradualmente en los próximos diez años aproximadamente.

El Dr. Parker Vascik, director de estrategia de producto de Electra, dijo que el valor de la electrificación es que permite a los diseñadores colocar unidades de propulsión en lugares donde antes no se podían colocar motores, obteniendo así mayor libertad y beneficios a nivel de diseño general. Señaló que el objetivo de este concepto no es sólo ser altamente eficiente en el papel, sino proponer "una solución que realmente pueda construirse, certificarse para su aeronavegabilidad y ponerse en uso", manteniendo al mismo tiempo la compatibilidad con los modelos operativos de las aerolíneas y la infraestructura aeroportuaria existentes.