Trim-Constrained Aero-Propulsive Assessment of Distributed Electric Ducted Fans for a Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle

Resumen Técnico: Evaluación Aero-Propulsiva Restringida por Compensación de Trim para Ventiladores de Flujo Axial Eléctricos Distribuidos en un UAV de Ala Fija

Planteamiento del Problema
La electrificación de los Vehículos Aéreos No Tripulados (UAV) de ala fija transforma el dimensionamiento de la propulsión en un desafío de integración de vehículos acoplados. Si bien la Propulsión Eléctrica Distribuida (DEP), específicamente mediante el uso de Ventiladores de Flcción Axial Eléctricos (EDF), ofrece el potencial de mejorar la sustentación a bajas velocidades mediante la energización de la estela, introduce compromisos aero-propulsivos complejos. Estudios previos suelen aislar el aumento de sustentación sin contabilizar simultáneamente las penalizaciones de arrastre asociadas, las distorsiones de carga en la envergadura y el impacto crítico en la compensación de trim (equilibrio) longitudinal y la autoridad de control. Para UAV de pequeño y mediano tamaño, una configuración que aumenta la sustentación puede ser operativamente inutilizable si induce un arrastre excesivo, crea una carga no elíptica o satura el elevador, particularmente dada la sensibilidad de la estabilidad a la posición del Centro de Gravedad (CG). Este artículo aborda la brecha en la evaluación de la integración de EDF distribuidos no meramente como un mecanismo de generación de sustentación, sino como un sistema donde la eficiencia y los márgenes de control deben preservarse.

Metodología
El estudio utiliza el LSU 05 NG, un UAV de ala fija, como plataforma representativa, integrando doce EDF de 70 mm (seis por cada semienvergadura) a lo largo del ala. La investigación emplea un marco de evaluación de dos niveles:

1. Modelo Aero-Propulsivo de Orden Reducido: Se desarrolló un modelo simplificado de carga de estela para realizar un cribado del diseño completo de doce EDF. Este modelo trata el incremento de velocidad inducido por el EDF como una superposición gaussiana de estelas. Calcula la presión dinámica local, integra la sustentación en la envergadura y evalúa los componentes de arrastre (perfil, inducido e instalación). Crucialmente, este modelo incorpora un análisis de trim longitudinal para determinar la deflexión del elevador ($\delta_e$) requerida para equilibrar los momentos de cabeceo a través de varios regímenes de vuelo (crucero, despegue, aterrizaje, pérdida) y posiciones de CG ($x_{CG}/MAC = 0.30, 0.35, 0.37$).
2. Flujo de Trabajo de Diagnóstico por CFD: Para respaldar los hallazgos del modelo de orden reducido, se estableció un flujo de trabajo de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para una sección de ala representativa equipada con tres EDF. Este flujo de trabajo compara simulaciones emparejadas de "potencia apagada" (base) y "potencia encendida" (35,000 rpm) a través de un barrido de ángulo de ataque ($\alpha$) de $0^\circ$ a $20^\circ$. El análisis de CFD se centra en cuantificar los cambios incrementales en sustentación ($\Delta C_L$), arrastre ($\Delta C_D$) y eficiencia ($\Delta (C_L/C_D)$), junto con diagnósticos del rotor (empuje, par motor, potencia).

Contribuciones Clave
La contribución principal del artículo es un marco unificado, restringido por el trim, que evalúa el rendimiento de la DEP a través de una lente de métricas combinadas en lugar de coeficientes de fuerza aislados. Específicamente:

• Métricas Integradas: Acopla el aumento de sustentación con el crecimiento de arrastre, la degradación de la relación sustentación-arrastre ($L/D$) y el margen residual del elevador dentro de un único flujo de trabajo de diseño conceptual.
• Análisis de Sensibilidad del CG: Evalúa explícitamente el impacto de la ubicación del CG en la viabilidad del trim, demostrando que, mientras que la ganancia de sustentación por estela es relativamente insensible al CG, la autoridad requerida del elevador es altamente sensible.
• Plantilla de Soporte de Diseño: Proporciona una plantilla estructurada para insertar datos de alta fidelidad de CFD (resultados emparejados de potencia apagada/encendida) para validar los orígenes físicos de las predicciones de orden reducido sin confundir el soporte de diseño con la validación formal del modelo completo de la aeronave.

Resultados Clave

• Compromisos Aerodinámicos: El análisis de orden reducido de la configuración de doce EDF indica un aumento de sustentación ($G_L$) del 47.0–60.2%. Sin embargo, esto viene acompañado de un aumento significativo de arrastre ($G_D$) del 88.6–101.2%, lo que resulta en una degradación de la relación sustentación-arrastre ($R_\eta$) del 16.15–24.32%.
• Límites de Trim y Control:
  • CG Adelantado ($x_{CG} = 0.30$): El avión alcanza los límites del elevador durante el aterrizaje y la pérdida, lo que hace que la configuración esté limitada por el trim.
  • CG Medio ($x_{CG} = 0.35$): El trim de aterrizaje es recuperable con un margen de 4.27°, pero los casos de pérdida siguen estando saturados del elevador.
  • CG Atrás ($x_{CG} = 0.37$): Esta configuración ofrece el mejor compromiso, reteniendo un margen de elevador de aterrizaje de 5.80° y la menor degradación de eficiencia en el despegue (17.53%).
  • Condición de Pérdida: En todos los casos de CG, el régimen de pérdida alcanza el límite de deflexión del elevador ($\delta_{e,lim} = -25^\circ$), lo que indica que el beneficio de la sustentación asistida por potencia no puede utilizarse de forma segura en una pérdida profunda sin modificaciones adicionales en la autoridad de la cola o en la programación del empuje.
• Perspectivas de CFD: El análisis de CFD de la sección de tres EDF revela que la DEP es más efectiva en el régimen de flujo adherido. A $\alpha = 5^\circ$, la configuración con potencia encendida produce un aumento relativo masivo de sustentación (+697.5%) y una ganancia de eficiencia significativa (+172.2%) porque la estela reenergiza la capa límite. Sin embargo, a medida que $\alpha$ se acerca a la pérdida ($17^\circ$), la ganancia de eficiencia colapsa a casi cero (+1.9%), ya que el aumento de sustentación es casi totalmente compensado por las penalizaciones de arrastre y la separación del flujo. El CFD confirma que la DEP actúa como un mecanismo de sustentación para ángulos de ataque bajos a moderados, en lugar de una cura para la pérdida a ángulos de ataque altos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el valor de la integración de la DEP no reside en maximizar la sustentación de forma aislada, sino en identificar configuraciones donde la eficiencia aerodinámica y la autoridad de control sigan siendo aceptables. El estudio demuestra que, para el LSU 05 NG, el "mejor" diseño no es el que tiene la máxima sustentación, sino aquel (específicamente el caso de CG atrasado) que preserva los márgenes de trim utilizables y minimiza la pérdida de eficiencia. Los autores afirman que el diseño de la DEP debe incorporar el análisis del envolvente de CG y las restricciones de autoridad de la cola desde las etapas conceptuales más tempranas. El marco propuesto sirve como un flujo de trabajo reproducible para realizar el cribado de configuraciones y guiar la optimización futura, como el suavizado de las distribuciones de soplado en la envergadura y la programación de las RPM de los EDF basada en el estado de trim, antes de proceder a pruebas de túnel de viento o de vuelo.