Whisper Aero presenta su Whisper Jet

Jul 05, 2023

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Ahora, Whisper Aero está revelando más detalles detrás de su tecnología y métodos a través de una serie de artículos en el Foro de Aviación del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica (AIAA), que se llevará a cabo del 12 al 16 de junio en San Diego, California. También está bajando el telón del Whisper Jet, un “avión de visión” que ilustra cómo sus pequeños y silenciosos ventiladores con conductos podrían permitir vuelos eléctricos a velocidades más altas y costos más bajos que otros conceptos en desarrollo.

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Los cofundadores de Whisper Aero, el director ejecutivo Mark Moore y el director de operaciones Ian Villa, fueron anteriormente los impulsores de Uber Elevate, el programa que lanzó a la conciencia pública aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical. Con su fiesta de presentación en San Diego, pretenden comenzar a elevar de manera similar el perfil de la movilidad aérea regional (RAM), un concepto que creen que tiene tanto o más potencial que la movilidad aérea urbana, pero que hasta ahora ha atraído solo una fracción. de la inversión.

El Air Current estuvo en la sede de Whisper Aero en Crossville, Tennessee, el año pasado cuando la compañía demostró su tecnología EDF y presentó una vista previa del Whisper Jet a los inversores. Aquí, explicamos la tecnología y el diseño poco convencional del Whisper Jet de ala fija para nueve pasajeros, que combina conceptos antiguos y nuevos en una configuración sorprendentemente original. En un artículo complementario, exploramos sus implicaciones económicas para la RAM y si la tecnología de Whisper Aero es lo suficientemente transformadora para desbloquear este mercado desafiante.

Moore pasó las primeras tres décadas de su carrera en la NASA y concibió las innovaciones centrales para un EDF ultrasilencioso antes de unirse a Uber en 2017. Sus cuatro años con Uber Elevate solo reforzaron su convicción de que el bajo nivel de ruido será fundamental para la aceptación de la comunidad de movilidad aérea avanzada en todas sus formas: desde los drones de reparto más pequeños hasta taxis aéreos eVTOL y aviones eléctricos de cercanías que vuelan desde aeropuertos regionales. Cuando Joby Aviation adquirió Uber Elevate a finales de 2020, Moore y Villa decidieron que era el momento adecuado para centrarse en desarrollar la tecnología de Moore.

El desafío de Whisper Aero era combinar un bajo nivel de ruido con una alta eficiencia de propulsión, lo que logró mediante el uso de un número muy alto de palas. El ruido tonal, que se compone de tonos puros o formas de onda que ocurren en una sola frecuencia, suele ser la fuente de ruido más fuerte para los ventiladores con conductos y es una función de la frecuencia de paso de las aspas. Aumentar el número de aspas en relación con un ventilador con conductos convencional y hacerlas girar a unas RPM suficientemente altas permitió a la empresa llevar la frecuencia de paso de las aspas al rango ultrasónico, donde el ruido resultante es inaudible para los humanos y se atenúa rápidamente en la atmósfera.

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Las altas RPM también maximizan la eficiencia, ya que es ahí donde los motores eléctricos alcanzan su mejor rendimiento. Normalmente, las RPM altas se asocian con velocidades elevadas en la punta de las aspas que generan ruido de banda ancha o ruido que se distribuye en una amplia gama de frecuencias. Sin embargo, si el diámetro de un ventilador es lo suficientemente pequeño, puede tener velocidades punta bajas incluso a altas RPM.

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Aquí es donde la propulsión eléctrica se convierte en un factor clave, porque el peso del motor eléctrico aumenta inversamente con el número de motores. Para una aeronave con peso limitado, eso significa que es preferible distribuir la energía entre múltiples motores eléctricos más pequeños, lo que no es el caso de los motores de turbina y pistón convencionales. El uso de múltiples motores eléctricos más pequeños también facilita la eliminación del exceso de calor a través del aire, evitando la necesidad de sistemas de refrigeración líquida pesados ​​y arrastrados en aviones de menor tamaño.

Solo hay un problema: aumentar el número y disminuir el grosor de las aspas en voladizo en un diseño de ventilador con conductos convencional haría que aletearan y se deformaran bajo carga. Para resolver este problema, el propulsor de Whisper Aero incluye una cubierta que conecta las puntas de las palas, lo que permite tensar las palas como los radios de una rueda de bicicleta. La cubierta también elimina el espacio entre la punta de las aspas y el conducto en los ventiladores con conductos convencionales, que es una fuente de ruido y pérdidas de eficiencia. Si bien las altas cargas centrífugas hacen que las cubiertas no sean factibles en ventiladores con altas velocidades de punta, eso no es un problema para los propulsores más pequeños de Whisper, cuyo diámetro varía de solo cuatro a 24 pulgadas y, por lo tanto, tienen bajas velocidades de punta.

La compañía aún no ha revelado todos sus trucos, pero ha compartido con los inversores características adicionales que mejorarán la confiabilidad y la mantenibilidad de sus propulsores. La compañía también cree que sus pequeños “blisks” (discos con cuchillas) de cuchillas con carga ligera se alinean bien con los procesos de moldeo por inyección a presión que aprovechan los materiales compuestos termoplásticos para la fabricación de grandes volúmenes. Esto debería hacer que los propulsores de Whisper Aero sean especialmente económicos de producir cuando se combinan con la fabricación de motores eléctricos de gran volumen.

Whisper Aero no tiene intención de convertirse en fabricante de aviones. En cambio, al igual que otros fabricantes de motores, quiere actuar como proveedor de una amplia variedad de plataformas (además de permitir algunas otras aplicaciones, como sopladores de hojas ultrasilenciosos, que están fuera del ámbito aeroespacial). Sin embargo, la compañía ha diseñado el Whisper Jet para mostrar un enfoque de integración que hace un uso óptimo de sus EDF y está buscando trabajar con un desarrollador de aviones establecido para transformar el concepto en realidad.

El concepto comienza con el “jetfoil”, que Whisper define como una serie de ventiladores con conductos fusionados en el borde de ataque de un ala de manera que el escape es expulsado sobre la superficie superior de popa. El jetfoil tiene una apariencia similar al conjunto de ventiladores con conductos del eVTOL Lilium Jet, excepto que Lilium integra sus conductos en el delgado borde de salida de sus alas, lo que según Whisper Aero crea algunos desafíos aerodinámicos y de ruido en comparación con una integración de borde de ataque.

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Conjuntos de hélices abiertas distribuidas de manera similar, como las que aparecen en el concepto LEAPTech de la NASA, sufren una alta resistencia inducida (resistencia resultante de la elevación) debido a los efectos de remolino de la hélice. El demostrador X-57 Maxwell de la NASA supera esto mediante el uso de sistemas separados de propulsión de crucero y aumento de elevación a baja velocidad, pero a costa de un mayor peso. (Moore se desempeñó como investigador principal de ambos proyectos durante su estadía en la agencia).

Whisper Aero dijo que sus jetfoils evitan la resistencia inducida relacionada con los efectos de remolino porque los escapes de los ventiladores con conductos se eliminan con un estator y se fusionan en una hoja de chorro continua. Mientras tanto, la resistencia parásita (la resistencia resultante del movimiento del avión en el aire) se minimiza gracias a la forma compacta del jetfoil. Eso reduce el área total expuesta al aire en comparación con tener un ala sin motor o conductos y ala separados.

El jetfoil también está diseñado para minimizar el ruido. La entrada de turbulencias en los ventiladores, que es una fuente de ruido, se reduce integrando los EDF en el borde de ataque del ala, antes de que la capa límite tenga tiempo de espesarse. El ruido de la mezcla del jet, que se crea por la turbulencia de una estela de alta velocidad que se mezcla con aire ambiental que se mueve más lentamente, se mejora gracias a la configuración altamente distribuida del jetfoil y al simple escape de área variable 2D. El escape sobre la superficie superior del ala también ayuda a proteger a los observadores en tierra del ruido de mezcla de los aviones.

Sin embargo, el jetfoil presenta algunos desafíos para la integración de las aeronaves, comenzando con el fuerte campo descendente que se genera debido al empuje desviado de la hoja del jet durante el despegue y el aterrizaje en vuelos a baja velocidad. Esta fuerte corriente descendente daría como resultado que una cola horizontal convencional experimente grandes ángulos de ataque negativos. Para superar este problema para el Whisper Jet, sus diseñadores seleccionaron una configuración establecida pero menos conocida: la cola horizontal externa (OHT) desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial por el fabricante de aviones alemán Blohm & Voss.

Aprovechado más recientemente para el SpaceShipOne de Scaled Composite, el OHT es un tipo de ala voladora en la que las puntas del ala se trasladan hacia atrás mediante brazos para un mayor control de cabeceo y amortiguación. Esto mueve las superficies de la cola fuera del campo de flujo descendente del ala y hacia los campos de flujo ascendente del vórtice de la punta del ala, donde proporcionan empuje hacia adelante y sustentación. Aunque las colas imponen mayores cargas de torsión en las puntas de las alas, la mayor relación espesor-cuerda creada por la integración del jetfoil mejora la rigidez torsional del ala. Asignar parte de la masa de la batería de un avión eléctrico a los brazos de las puntas de las alas debería ayudar a prevenir problemas de aleteo de la cola del ala.

Según Whisper Aero, SpaceShipOne demostró que no se requiere un sistema de control de vuelo por cable para la configuración OHT, aunque el enlace del sistema de control para las colas es más complejo que para un diseño de cola convencional. Los propulsores distribuidos de Whisper Aero tampoco requieren un sistema de vuelo por cable en la integración de Whisper Jet, ya que se envía una única entrada de control del acelerador a todos ellos. Esto permitirá que la aeronave utilice un sistema simplificado de control digital de motor de doble autoridad (FADEC), lo que debería reducir en gran medida el tiempo y el costo de desarrollo en comparación con aviones de vuelo por cable como el Eviation Alice y los numerosos aviones eléctricos de despegue vertical y aviones de aterrizaje ahora en desarrollo.

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Whisper Aero ha concebido el Whisper Jet como un avión híbrido-eléctrico de nueve pasajeros en el que el extensor de alcance híbrido se utiliza principalmente para satisfacer los requisitos de reserva según las reglas de vuelo por instrumentos. El peso máximo de despegue para el avión Parte 23 se establece intencionalmente en 12,500 libras, el máximo permitido para operaciones con un solo piloto. Utilizando las especificaciones de los paquetes de baterías de litio-metal recientemente anunciados por Cuberg, que prometen una energía específica a nivel de paquete de 280 vatios-hora por kilogramo, Whisper Aero proyecta que el Whisper Jet podrá volar entre 161 y 193 millas solo con baterías y con un carga útil de 2.400 libras. Aprovechar el turbogenerador, que se basa en un sistema híbrido de transmisión directa patentado actualmente en desarrollo, ampliaría el alcance de 432 a 464 millas.

Y cubrirá esa distancia rápidamente. Los EDF de Whisper Aero tienen altas eficiencias de propulsión a velocidades de 200 a 400 nudos, lo que permite al Whisper Jet alcanzar una velocidad de crucero máxima de 250 nudos mientras mantiene una velocidad de pérdida de sólo 61 nudos. Las altas velocidades a altitudes de crucero sin presión de alrededor de 10,000 pies son fundamentales para el caso comercial de Whisper Aero para el Whisper Jet (ver artículo complementario).

Whisper Aero razona que generalmente no es necesario volar a mayores altitudes para la misión de movilidad aérea regional, y la eliminación de la presurización reduce el precio de adquisición del Whisper Jet en aproximadamente un 10%. Pero velocidades y altitudes más altas son técnicamente factibles y tendrán más sentido a medida que mejore la tecnología de las baterías. En ese sentido, Whisper Aero ve a RAM como una incubadora a corto plazo para la aviación eléctrica de alta velocidad y el precursor del desarrollo posterior de aviones Parte 25 más grandes a partir de mediados de la década de 2030.

"No se trata sólo de aviones pequeños", dijo Mark Moore a TAC. "Se trata de probar esta tecnología durante los próximos 20 años y terminar en todos los transportes comerciales".

Escriba a Elan Head a [email protected]