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

Este artigo descreve o projeto preliminar e as atualizações em curso do Túnel de Vento de Gelo do CIRA para permitir a validação experimental em escala real de Sistemas de Gestão Térmica de aeronaves híbridas com níveis de potência de até 0,5 MW sob condições de voo realistas no âmbito do projeto AMBER, financiado pela UE.

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

Publicado 2026-10-16

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CC BY 4.0

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

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

O céu acima está se tornando um lugar congestionado para um novo tipo de viajante. Durante décadas, a indústria da aviação dependeu da queima de combustível para empurrar enormes tubos de metal através do ar, um processo que libera dióxido de carbono e outros gases na atmosfera. Para cumprir as metas climáticas globais, engenheiros estão agora projetando aeronaves que funcionam com eletricidade ou uma mistura de eletricidade e combustível. Esses aviões híbridos e elétricos prometem um futuro mais limpo, mas trazem um problema oculto que não tem nada a ver com o ar que eles voam. As baterias, motores elétricos e células de combustível que alimentam essas novas máquinas geram uma quantidade imensa de calor. Assim como um laptop fica lento quando esquenta demais, esses componentes poderosos podem falhar ou perder eficiência se não conseguirem dissipar esse calor rapidamente. O desafio é construir um sistema de resfriamento que funcione perfeitamente, quer o avião esteja parado na pista sob o calor do verão ou subindo através do ar congelante em uma altitude elevada. Se o sistema for pequeno demais, o motor superaquece; se for grande demais, o peso extra e a resistência do ar arruínam o alcance do avião.

Pesquisadores do Centro de Pesquisa Aeroespacial Italiano, conhecido como CIRA, estão enfrentando esse enigma construindo um novo tipo de laboratório de testes. Eles estão atualizando seu Túnel de Vento de Gelo, uma instalação massiva originalmente projetada para estudar como o gelo se forma nas asas de aviões, para, em vez disso, testar os sistemas de gestão térmica desses futuros aviões elétricos. A equipe, liderada por Marco Invigorito e colegas, percebeu que modelos de computador sozinhos não eram suficientes. Embora simulações possam prever como um sistema de resfriamento pode se comportar, elas frequentemente perdem a complexa realidade de como o ar flui ao redor de um avião real. Para resolver isso, eles primeiro realizaram simulações detalhadas de computador de um trocador de calor — um dispositivo que move o calor de um líquido quente para o ar frio do exterior. Eles modelaram uma trajetória de voo para uma aeronave regional, rastreando o desempenho do sistema desde o solo até uma altitude de 5.500 metros. Os resultados dessas simulações revelaram uma falha surpreendente e perigosa na forma como esses sistemas são atualmente projetados.

Quando os pesquisadores analisaram os dados, descobriram que um sistema de resfriamento dimensionado para funcionar com segurança no solo seria perigosamente superdimensionado uma vez que o avião decolasse. À medida que a aeronave subia, o ar externo tornava-se mais frio e rarefeito. Em sua simulação, um sistema projetado para lidar com 300 quilowatts de calor no solo de repente viu-se capaz de rejeitar mais de 900 quilowatts de calor em altitude elevada. Esse aumento massivo no poder de resfriamento, embora pareça algo bom, criou um novo problema. As células de combustível dentro do avião operam melhor dentro de uma janela estreita de temperatura. Se o sistema de resfriamento se tornar eficiente demais em alta altitude, ele poderia derrubar a temperatura do líquido da célula de combustível para 50,8 graus Celsius, muito abaixo da faixa operacional segura. Essa "hipotermia" para a célula de combustível poderia fazer com que ela perdesse eficiência ou parasse de funcionar inteiramente. Para evitar isso, os engenheiros teriam que adicionar válvulas e controles complexos para reduzir o fluxo de resfriamento, o que adiciona peso e cria mais pontos de falha. Alternativamente, se eles dimensionassem o trocador de calor apenas para as condições de alta altitude, ele seria excessivamente grande e pesado para a decolagem, criando arrasto desnecessário e desperdiçando combustível.

Para entender exatamente como resolver isso, a equipe está transformando seu túnel de vento em um campo de testes para sistemas de resfriamento de escala total. A instalação, que pode simular velocidades de voo de até Mach 0.7 e temperaturas tão baixas quanto menos 40 graus Celsius, está sendo equipada com um novo sistema de geração térmica. Este sistema pode bombear um líquido aquecido através de um objeto de teste a taxas de até 1.200 litros por minuto, mimetizando a saída de calor de um motor elétrico ou bateria real. Ao contrário dos bancos de teste padrão que usam ventiladores para soprar ar sobre um radiador, este túnel de vento usa a pressão natural do ar em movimento para empurrar o ar através do sistema de resfriamento, exatamente como um avião real faz. Isso permite que os pesquisadores meçam não apenas quão bem o sistema resfria, mas também o arrasto aerodinâmico que ele cria e como o gelo pode se formar em suas superfícies durante o voo.

O túnel atualizado permitirá que a equipe realize testes que correspondam aos perfis de voo específicos de aeronaves regionais, movendo-se das condições de solo para subidas de alta altitude enquanto monitora cada grau de temperatura e cada gota de pressão. Eles planejam testar como o sistema se comporta quando o avião está voando reto, mas também quando está fazendo uma curva ou deslizando lateralmente, condições que os modelos de computador têm dificuldade em prever com precisão. Ao combinar esses testes físicos com suas simulações anteriores, os pesquisadores visam criar um método confiável para dimensionar esses sistemas de resfriamento. O objetivo é encontrar um design que seja leve o suficiente para a decolagem, poderoso o suficiente para o voo em alta altitude e simples o suficiente para ser seguro. Este trabalho faz parte do projeto AMBER, financiado pela União Europeia, que busca validar as tecnologias necessárias para um futuro da aviação de emissão zero. As descobertas ajudarão a garantir que a próxima geração de aeronaves possa transportar seus passageiros de forma segura e eficiente, sem o risco de superaquecimento ou congelamento no céu.

Resumo Técnico: Projeto Preliminar de Campanha de Testes Experimentais de Sistema de Gestão Térmica (TMS) de Aeronave Híbrida no Túnel de Vento de Gelo (IWT) do CIRA

Definição do Problema
A transição para a propulsão híbrido-elétrica e totalmente elétrica na aviação, impulsionada por metas climáticas como o Pacto Ecológico Europeu e o Acordo de Paris, introduz desafios significativos de gestão térmica. Componentes de alta potência — incluindo baterias, motores elétricos, células de combustível e eletrônica de potência — geram calor substancial que deve ser dissipado de forma eficiente para garantir segurança e confiabilidade. Em aeronaves híbridas, a coexistência de sistemas convencionais e elétricos cria cargas térmicas complexas e altamente variáveis. Embora simulações numéricas auxiliem o projeto, elas requerem validação experimental sob condições de voo representativas para avaliar com precisão o desempenho do Sistema de Gestão Térmica (TMS). Existe uma lacuna crítica na validação do desempenho do TMS em todo o envelope de voo, particularmente no que diz respeito à interação entre a aerodinâmica externa, efeitos de instalação e troca térmica interna, que bancadas de laboratório padrão muitas vezes não conseguem replicar.

Metodologia
O estudo emprega uma abordagem analítico-experimental híbrida para caracterizar um trocador de calor (HEX) compacto líquido-ar destinado ao resfriamento de célula de combustível, com uma capacidade nominal de 300 kW.

Caracterização Numérica de Linha de Base: Um "gêmeo virtual" do HEX foi estabelecido utilizando fichas técnicas do fabricante. A transmitância de referência global ( $UA_{ref}$ ) foi extraída usando o método da Diferença de Temperatura Média Logarítmica (LMTD), corrigida para a geometria específica de fluxo cruzado de passagem única com um fator $F=0,97$ . Este modelo foi validado cruzadamente utilizando o método da efetividade-número de unidades de transferência ( $\varepsilon$ -NTU), confirmando um $UA_{ref}$ de linha de base de 11,9 kW/K.
Integração do Perfil de Missão: A análise integrou um perfil de voo de rota regional, avaliando três pontos distintos de missão: Linha de Base em Solo (35 m/s), Transição de Subida a 2.000 m (70 m/s) e Subida de Cruzeiro a 5.500 m (92 m/s). O acoplamento aerodinâmico foi estabelecido para relacionar a velocidade de fluxo livre da aeronave com a velocidade real do ar através do núcleo do HEX, contabilizando os efeitos de instalação e a resistência do duto.
Escalonamento Aerotérmico: Para prever o desempenho em altitude, foi aplicada uma metodologia de reescalonamento baseada no fator empírico de Colburn ( $j$ ) e no número de Reynolds. O modelo assumiu resistência convectiva interna e condução de parede negligenciáveis em comparação com a resistência do lado do ar, simplificando a lei de escalonamento para $UA \propto \dot{m}^{(1-m)}$ .
Estrutura Experimental: O estudo propõe uma campanha experimental no Túnel de Vento de Gelo (IWT) do CIRA. A instalação está sendo atualizada para simular condições de voo realistas, incluindo altitude, temperatura e taxas de fluxo de massa. A atualização inclui um sistema dedicado de geração térmica capaz de entregar até 500 kW de potência térmica via um circuito de fluido água-glicol com uma taxa de fluxo de massa máxima de 1200 l/min. A configuração experimental visa integrar o HEX dentro de um duto semelhante a uma nacela representativa de voo para utilizar a indução de fluxo passiva (efeito ram-air) em vez de ventoinhas auxiliares.

Principais Resultados
A avaliação numérica do perfil de missão revelou um fenômeno contraintuitivo: apesar da menor densidade do ar em altas altitudes, o enorme diferencial de temperatura entre o fluido refrigerante e o ar ambiente aumenta significativamente a capacidade de rejeição de calor.

Linha de Base em Solo: Rejeição máxima de calor de 300 kW.
Subida de Cruzeiro (5.500 m): A capacidade máxima de rejeição de calor atinge 932 kW, representando um aumento de 210% em relação à linha de base em solo.
Riscos Operacionais: Esta capacidade de sobre-resfriamento gera riscos para as Células de Combustível de Membrana de Troca Protônica (PEMFC), que operam em uma janela estreita de 60–90 °C. Os resultados analíticos previram uma temperatura de saída do refrigerante de 50,8 °C na Subida de Cruzeiro, o que pode levar ao apagamento eletroquímico.
Implicações do Sistema: Para mitigar o sobre-resfriamento, seriam necessárias arquiteturas de controle complexas (ex: válvulas de bypass ativas), aumentando a massa e os pontos de falha. Por outro lado, dimensionar o HEX apenas para condições de solo resulta em "peso morto" e arrasto de resfriamento desnecessário durante o cruzeiro.

Atualização da Instalação e Capacidades
O CIRA IWT está sendo atualizado para suportar a validação de TMS com as seguintes capacidades:

Geração Térmica: Um sistema entregando até 500 kW com uma temperatura de operação contínua máxima de 120 °C (pico de 130 °C), 10 bar de pressão e 1200 l/min de fluxo.
Precisão de Controle: Controle de temperatura dentro de ±1 °C, fluxo dentro de ±2% e pressão dentro de ±0,2 bar.
Cenários de Teste: A instalação atualizada permitirá três tipos complementares de testes:
1. Desempenho do TMS: Avaliação da eficiência de transferência de calor e queda de pressão através de perfis de missão (0–7.000 m de altitude, -40 °C a +40 °C).
2. Integração de Gelo: Avaliação da acreção de gelo nos trocadores de calor e o potencial de uso do fluido quente do TMS para degelo.
3. Avaliação Aerodinâmica: Medição do arrasto de resfriamento e desempenho aero-termo-propulsivo (efeito Meredith).

Significância e Alegações
O artigo afirma que o CIRA IWT atualizado fornecerá uma capacidade única para testar sistemas de gestão térmica sob condições operacionais de aeronaves híbridas representativas. Ao preencher a lacuna entre macro-modelos idealizados e o comportamento aerotérmico real, a instalação permite isolar o arrasto de resfriamento e avaliar o desempenho sob condições fora do projeto (ex: guinada e ângulo de deriva). Os autores concluem que esta validação experimental é essencial para o dimensionamento de futuros sistemas de propulsão de emissão zero e para o desenvolvimento de metodologias de teste robustas e repetíveis para a dissipação de carga térmica de aeronaves. O trabalho apoia o projeto AMBER (Acordo de Subvenção n° 101102020) financiado pela Clean Aviation Joint Undertaking.

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