⚡ ingeniería eléctrica

Preliminary Design of Hybrid Aircraft Thermal Management System (Tms) Experimental Test Campaign in Cira Icing Wind Tunnel (IWT)

Este artículo describe el diseño preliminar y las actualizaciones en curso del Túnel de Viento de Congelación de CIRA para permitir la validación experimental a escala completa de los Sistemas de Gestión Térmica de aeronaves híbridas con niveles de potencia de hasta 0,5 MW bajo condiciones de vuelo realistas dentro del proyecto AMBER, financiado por la UE.

Autores originales: Marco Invigorito, Michelangelo Serpico, Umberto Mercurio, Carmine Caputo, Gianpaolo Elia, Roberto Scigliano

Publicado 2026-10-16

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: Marco Invigorito, Michelangelo Serpico, Umberto Mercurio, Carmine Caputo, Gianpaolo Elia, Roberto Scigliano

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El cielo arriba se está convirtiendo en un lugar concurrido para un nuevo tipo de viajero. Durante décadas, la industria de la aviación ha dependido de la quema de combustible para empujar enormes tubos metálicos a través del aire, un proceso que libera dióxido de carbono y otros gases a la atmósfera. Para cumplir con los objetivos climáticos globales, los ingenieros están diseñando ahora aeronaves que funcionan con electricidad o una mezcla de electricidad y combustible. Estos aviones híbridos y eléctricos prometen un futuro más limpio, pero traen consigo un problema oculto que no tiene nada que ver con el aire por el que vuelan. Las baterías, los motores eléctricos y las celdas de combustible que alimentan estas nuevas máquinas generan una cantidad inmensa de calor. Al igual que un ordenador portátil se ralentiza cuando se calienta demasiado, estos componentes potentes pueden fallar o perder eficiencia si no pueden evacuar ese calor rápidamente. El desafío es construir un sistema de refrigeración que funcione perfectamente tanto si el avión está parado en la pista bajo el calor del verano como si asciende a través del aire gélido a gran altitud. Si el sistema es demasiado pequeño, el motor se sobrecalienta; si es demasiado grande, el peso adicional y la resistencia del aire arruinan el alcance del avión.

Investigadores del Centro de Investigación Aeroespacial italiano, conocido como CIRA, están abordando este rompecabezas construyendo un nuevo tipo de laboratorio de pruebas. Están actualizando su Túnel de Viento de Congelación, una instalación masiva diseñada originalmente para estudiar cómo se forma el hielo en las alas de los aviones, para probar en su lugar los sistemas de gestión térmica de estos futuros aviones eléctricos. El equipo, liderado por Marco Invigorito y sus colegas, se dio cuenta de que los modelos informáticos por sí solos no eran suficientes. Aunque las simulaciones pueden predecir cómo se comportaría un sistema de refrigeración, a menudo pasan por alto la compleja realidad de cómo fluye el aire alrededor de un avión real. Para resolver esto, primero realizaron simulaciones informáticas detalladas de un intercambiador de calor —un dispositivo que traslada el calor de un líquido caliente al aire frío del exterior. Modelaron la trayectoria de vuelo de una aeronave regional, rastreando el rendimiento del sistema desde el suelo hasta una altitud de 5.500 metros. Los resultados de estas simulaciones revelaron un fallo sorprendente y peligroso en la forma en que se diseñan actualmente estos sistemas.

Cuando los investigadores analizaron los datos, descubrieron que un sistema de refrigeración dimensionado para funcionar con seguridad en tierra sería peligrosamente excesivo una vez que el avión despegara. A medida que la aeronave ascendía, el aire exterior se volvía más frío y tenue. En su simulación, un sistema diseñado para manejar 300 kilovatios de calor en tierra, de repente se encontró capaz de rechazar más de 900 kilovatios de calor en alta altitud. Este enorme aumento en la potencia de refrigeración, aunque parece algo bueno, creó un nuevo problema. Las celdas de combustible dentro del avión funcionan mejor dentro de un margen de temperatura estrecho. Si el sistema de refrigeración se vuelve demasiado eficiente en la alta altitud, podría hacer que la temperatura del líquido de la celda de combustible cayera a 50,8 grados Celsius, muy por debajo del rango operativo seguro. Esta "hipotermia" para la celda de combustible podría causar que pierda eficiencia o que deje de funcionar por completo. Para evitar esto, los ingenieros tendrían que añadir válvulas y controles complejos para regular la refrigeración, lo que añade peso y crea más puntos de falla. Alternativamente, si dimensionaran el intercambiador de calor solo para las condiciones de alta altitud, sería demasiado grande y pesado para el despegue, creando una resistencia innecesaria y desperdiciando combustible.

Para entender exactamente cómo resolver esto, el equipo está transformando su túnel de viento en un campo de pruebas para sistemas de refrigeración a escala real. La instalación, que puede simular velocidades de vuelo de hasta Mach 0,7 y temperaturas de hasta menos 40 grados Celsius, está siendo equipada con un nuevo sistema de generación térmica. Este sistema puede bombear un líquido caliente a través de un elemento de prueba a caudales de hasta 1.200 litros por minuto, imitando la salida de calor de un motor eléctrico o una batería real. A diferencia de los bancos de pruebas estándar que utilizan ventiladores para soplar aire sobre un radiador, este túnel de viento utiliza la presión natural del aire en movimiento para empujar el aire a través del sistema de refrigeración, tal como lo hace un avión real. Esto permite a los investigadores medir no solo qué tan bien enfría el sistema, sino también la resistencia aerodinámica que genera y cómo podría formarse el hielo en sus superficies durante el vuelo.

El túnel actualizado permitirá al equipo realizar pruebas que coincidan con los perfiles de vuelo específicos de las aeronaves regionales, pasando de las condiciones terrestres a los ascensos a gran altitud mientras monitorean cada grado de temperatura y cada gota de presión. Tienen previsto probar cómo se comporta el sistema cuando el avión vuela en línea recta, pero también cuando realiza un giro o un deslizamiento lateral, condiciones que los modelos informáticos tienen dificultades para predecir con exactitud. Al combinar estas pruebas físicas con sus simulaciones anteriores, los investigadores pretenden crear un método fiable para dimensionar estos sistemas de refrigeración. El objetivo es encontrar un diseño que sea lo suficientemente ligero para el despegue, lo suficientemente potente para el vuelo a gran altitud y lo suficientemente simple para ser seguro. Este trabajo es parte del proyecto AMBER, financiado por la Unión Europea, que busca validar las tecnologías necesarias para un futuro de aviación de cero emisiones. Los hallazgos ayudarán a garantizar que la próxima generación de aeronaves pueda transportar a sus pasajeros de forma segura y eficiente, sin el riesgo de sobrecalentarse o congelarse en el cielo.

Resumen Técnico: Diseño Preliminar de la Campaña de Pruebas Experimentales del Sistema de Gestión Térmica (TMS) de una Aeronave Híbrida en el Túnel de Viento de Congelación (IWT) de CIRA

Planteamiento del Problema
La transición hacia la propulsión híbrida-eléctrica y totalmente eléctrica en la aviación, impulsada por objetivos climáticos como el Pacto Verde Europeo y el Acuerdo de París, introduce desafíos significentes de gestión térmica. Los componentes de alta potencia —incluyendo baterías, motores eléctricos, pilas de combustible y electrónica de potencia— generan un calor sustancial que debe disiparse eficientemente para garantizar la seguridad y la fiabilidad. En las aeronaves híbridas, la coexistencia de sistemas convencionales y eléctricos crea cargas térmicas complejas y altamente variables. Si bien las simulaciones numéricas ayudan al diseño, requieren una validación experimental bajo condiciones de vuelo representativas para evaluar con precisión el rendimiento del Sistema de Gestión Térmica (TMS). Existe una brecha crítica en la validación del rendimiento del TMS a lo largo de todo el envolvente de vuelo, particularmente en lo que respecta a la interacción entre la aerodinámica externa, los efectos de instalación y el intercambio de calor interno, que los bancos de laboratorio estándar a menudo no logran replicar.

Metodología
El estudio emplea un enfoque híbrido analítico-experimental para caracterizar un intercambjador de calor (HEX) compacto de líquido-aire destinado al enfriamiento de una pila de combustible, con una capacidad nominal de 300 kW.

Caracterización de la Línea Base Numérica: Se estableció un "gemelo virtual" del HEX utilizando las fichas técnicas del fabricante. La transmitancia de referencia global ( $UA_{ref}$ ) se extrajo utilizando el método de la Diferencia de Temperatura Media Logarítmica (LMTD), corregida para la geometría específica de flujo cruzado de un solo paso con un factor $F=0.97$ . Este modelo fue validado mediante el método de la efectividad-número de unidades de transferencia ( $\varepsilon$ -NTU), confirmando una $UA_{ref}$ de referencia de 11.9 kW/K.
Integración del Perfil de Misión: El análisis integró un perfil de vuelo de ruta regional, evaluando tres puntos de misión distintos: Línea Base en Tierra (35 m/s), Transición de Ascenso a 2,000 m (70 m/s) y Ascenso Superior a 5,500 m (92 m/s). Se estableció un acoplamiento aerodinámico para relacionar la velocidad de flujo libre de la aeronave con la velocidad real del aire a través del núcleo del HEX, contabilizando los efectos de instalación y la resistencia de los conductos.
Escalamiento Aerotérmico: Para predecir el rendimiento a altitud, se aplicó una metodología de reescalado basada en el factor empírico de Colburn ( $j$ ) y el número de Reynolds. El modelo asumió una resistencia convectiva interna y de conducción de pared despreciables en comparación con la resistencia del lado del aire, simplificando la ley de escalamiento a $UA \propto \dot{m}^{(1-m)}$ .
Marco Experimental: El estudio propone una campaña experimental en el Túnel de Viento de Congelación (IWT) de CIRA. La instalación está siendo actualizada para simular condiciones de vuelo realistas, incluyendo altitud, temperatura y caudales de masa. La actualización incluye un sistema de generación térmica dedicado capaz de entregar hasta 500 kW de potencia térmica mediante un bucle de fluido agua-glicol con un caudal máximo de 1200 l/min. El montaje experimental tiene como objetivo integrar el HEX dentro de un conducto similar a una góndola representativa de vuelo para utilizar la inducción de flujo pasiva (efecto ram-air) en lugar de ventiladores auxiliares.

Resultos Clave
La evaluación numérica del perfil de misión reveló un fenómeno contraintuitivo: a pesar de la menor densidad del aire a altas altitudes, el enorme diferencial de temperatura entre el refrigerante y el aire ambiente aumenta significativamente la capacidad de rechazo de calor.

Línea Base en Tierra: Rechazo de calor máximo de 300 kW.
Ascenso Superior (5,500 m): La capacidad máxima de rechazo de calor alcanza los 932 kW, lo que representa un incremento del 210% respecto a la línea base en tierra.
Riesgos Operativos: Esta capacidad de sobreenfriamiento plantea riesgos para las Pilas de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico (PEMFC), que operan en un estrecho intervalo de 60–90 °C. Los resultados analíticos predijeron una temperatura de salida del refrigerante de 50.8 °C en el Ascenso Superior, lo que podría conducir al apagado electroquímico (electrochemical quenching).
Implicaciones del Sistema: Para mitigar el sobreenfriamiento, se requerirían arquitecturas de control complejas (por ejemplo, válvulas de derivación activa), lo que aumentaría la masa y los puntos de fallo. Por el contrario, dimensionar el HEX únicamente para las condiciones en tierra resultaría en "peso muerto" y una resistencia de enfriamiento innecesaria durante el crucero.

Actualización de la Instalación y Capacidades
El IWT de CIRA está siendo actualizado para soportar la validación de TMS con las siguientes capacidades:

Generación Térmica: Un sistema que entrega hasta 500 kW con una temperatura de operación continua máxima de 120 °C (pico de 130 °C), 10 bar de presión y 1200 l/min de caudal.
Precisión de Control: Control de temperatura dentro de ±1 °C, caudal dentro de ±2% y presión dentro de ±0.2 bar.
Escenarios de Prueba: La instalación actualizada permitirá tres tipos de pruebas complementarias:
1. Rendimiento del TMS: Evaluación de la eficiencia de transferencia de calor y la caída de presión a través de perfiles de misión (0–7,000 m de altitud, -40 °C a +40 °C).
2. Integración de Congelación: Evaluación de la acumulación de hielo en los intercambiadores de calor y el potencial uso de fluido caliente del TMS para el deshielo.
3. Evaluación Aerodinámica: Medición de la resistencia de enfriamiento y el rendimiento aero-termo-propulsivo (efecto Meredith).

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la actualización del IWT de CIRA proporcionará una capacidad única para probar sistemas de gestión térmica bajo condiciones operativas representativas de aeronaves híbridas. Al cerrar la brecha entre los modelos macro idealizados y el comportamiento aerotérmico del mundo real, la instalación permite aislar la resistencia de enfriamiento y evaluar el rendimiento bajo condiciones de diseño fuera de rango (por ejemplo, guiñada y deslizamiento lateral). Los autores concluyen que esta validación experimental es esencial para el dimensionamiento de futuros sistemas de propulsión de cero emisiones y el desarrollo de metodologías de prueba robustas y repetibles para la disipación de carga térmica en aeronaves. El trabajo apoya al proyecto AMBER (Acuerdo de Subvención n° 101102020) financiado por la Asociación Conjunta de Aviación Limpia (Clean Aviation Joint Undertaking).

Más como este