Desarrollo de sistemas E/E para eVTOL

Basado en el White Paper de Anthony M. Nicoli (Director de la industria aeroespacial y de defensa, SIEMENS)

¿Qué es un eVTOL?

El término eVTOL hace referencia a vehículo eléctrico de despegue y aterrizaje vertical (Electric vertical takeoff and landing vehicle en inglés). Un eVTOL es un tipo de aeronave que puede despegar y aterrizar verticalmente, sin necesidad de una pista de aterrizaje o despegue y que, adicionalmente, es impulsada por motores eléctricos en lugar de utilizar cualquier tipo de combustión. Los eVTOL se están desarrollando para una gran variedad de usos, incluyendo el transporte urbano o la entrega de paquetes, y de ellos se espera que sean más silenciosos y menos contaminantes que los aviones y helicópteros convencionales.

El desarrollo de sistemas eléctricos/electrónicos (E/E) para eVTOL es un campo emergente en la industria aeronáutica, con empresas como Vertical Aerospace, EVE, Archer Aviation y Volocopter. Según Markets and Markets, el mercado de aviación eVTOL supone miles de millones de euros, debido al interés creciente en energías renovables y aviones silenciosos. A pesar de que el impulso de eVTOL se está intensificando, todavía queda mucho camino por recorrer, pero gracias a avanzadas soluciones de sistemas E/E como Capital de Siemens, los fabricantes son capaces de abordar los desafíos de desarrollo que supone este tipo de aeronaves.

 

 

Las tendencias clave del mercado de aviones eVTOL

Las industrias aeroespacial y defensa se encuentran en pleno proceso de cambio y es precisamente en este contexto en el que el segmento eVTOL está emergiendo. La presión en aumento sobre los fabricantes para superar los objetivos de costes de fabricación y cumplir con los plazos de producción, así como la necesidad constante de satisfacer propósitos cada vez más complejos, requieren funcionalidades innovadoras.

Para tener éxito en este entorno tan exigente, es decir, para construir un avión mucho más ligero y fiable (como el aerotaxi), se debe implementar una electrificación cada vez mayor.

En una aeronave eVTOL, casi todos los componentes son de índole eléctrica y, aunque la propulsión eléctrica puede añadir funcionalidades avanzadas a un avión, también añade más complejidad en el desarrollo, la integración de la plataforma eléctrica en la aeronave y el cumplimiento de normativas o certificaciones, al tiempo que el rendimiento se ve afectado por condicionantes, como la limitada capacidad de las baterías.

Los procedimientos de certificación aún se están definiendo dentro del sector, pero progresan a buen ritmo, por lo que los subcontratistas y proveedores tendrán que reaccionar rápidamente a la información de fabricación de los OEMs. En este sentido, la transferencia de datos y comunicación de forma manual entre las partes implicadas es una metodología obsoleta, dado que se trata de un proceso complejo, el cual es propenso a errores, debido al siempre presente factor humano.

Esta tendencia ha aumentado significativamente el riesgo en el sector aeronáutico, ya que los fabricantes están teniendo dificultades para minimizar los costes, al tiempo que se mantienen los plazos de entrega. Las startups confían en la financiación a través de inversores, pero si se falla o se produce una demora en el proyecto, puede perderse fácilmente la confianza de los mismos.

 

Un mercado de alto riesgo

La función principal de un eVTOL es favorecer la movilidad vial, permitiendo un tránsito urbano más rápido, con un precio similar al de un taxi. Poniendo como ejemplo un caso real, un trayecto en taxi convencional de 40 a 75 minutos que costaría entre 70 y 90 euros, el propósito del taxi aéreo sería reducir dicho tiempo de desplazamiento a 7 minutos por un precio similar.

A pesar de intentarlo, las empresas que disponen de  helicópteros nunca han logrado precios competitivos, debido a los altos costes operativos. Se espera, en cambio, que las aeronaves eVTOL sean más eficaces, fiables y fáciles de mantener, lo que debería reducir los costes operativos, compitiendo así con los taxis tradicionales.

Por ahora, el tiempo que se requiere para que una aeronave pase del desarrollo de concepto a la producción inicial y los primeros ingresos es de 7 años. Una demora causada por falta de componentes, como la vivida recientemente, podría extender este periodo a unos 10 años. Esto, junto con los elevados costes de desarrollo del proyecto, conlleva un gran riesgo para las startups de eVTOL. 

Para conseguir una oportunidad en el mercado de taxis aéreos, será necesario contar con la excelencia en la ejecución de programas.

Anthony M. Nicoli (Director de la industria aeroespacial y de defensa, SIEMENS)

 

¿Qué desafíos enfrentan los fabricantes debido a la extrema complejidad del diseño del sistema E/E de eVTOL?

• Competencia extrema: Numerosas startups compiten para establecerse en el nuevo mercado eVTOL, tratando de desarrollar vehículos eléctricos para ofrecer servicios de taxi aéreo. Tanto las startups, que se financian a través de inversores, como los OEMs más grandes y con trayectoria en el sector aeronáutico, que también han invertido en este mercado y se han asociado con algunas de estas startups, necesitan minimizar los riesgos para mantener la confianza de inversores y socios.
• eVTOL como nuevo tipo de aeronave: A medida que surgen y se abordan incógnitas técnicas en el desarrollo de los primeros prototipos, el riesgo para las empresas es significativo. Es esencial contar con un plan sólido y con la habilidad de ejecución necesaria para mantener el respaldo de los inversores, de lo contrario muchas empresas podrían quedar fuera de esta nueva oportunidad de mercado.
• Mayor complejidad de los sistemas: Las aeronaves eVTOL, con gran cantidad de contenido eléctrico y de software, dependen tanto de la energía eléctrica para su propulsión como de la correcta integración e interacción de todos los sistemas, por lo que se trata de proyectos de gran complejidad.
• Problemas de rendimiento: Asimismo, no existe gran margen de rendimiento debido a las limitaciones de la batería, ya que su densidad energética no está evolucionando lo suficientemente rápido y es incapaz de abastecer la creciente demanda. La densidad energética de las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos actuales sigue siendo baja comparada con la de los combustibles líquidos. Estos tienen una ventaja de peso de 50:1 y de tamaño de 13:1 respecto a las baterías, a lo que hay que sumar el hecho de que, estas no pesan menos a medida que se consume el combustible o energía, lo que conlleva que las aeronaves de eVTOL estén limitadas a distancias de viaje más cortas y tiempos de vuelo más breves. Por ello, seleccionar una batería con la densidad energética máxima, es esencial en la viabilidad comercial, e igual de importante es optimizar el sistema E/E de la plataforma y la infraestructura que lo soporta, minimizando su consumo de energía y reduciendo el peso de la instalación, el cableado y la refrigeración.
• Retrasos en los proyectos: Para las startups es difícil gestionar todo ello en un entorno tan cambiante que lleva a innumerables repeticiones de testeo y ciclos iterativos de prueba-error-prueba.
• Riesgo elevado: Las numerosas incertidumbres junto con la gran complicación para cumplir con los requisitos a nivel de rendimiento suponen un riesgo importante para cumplir con las demandas de autonomía y duración de viaje.
• Fabricación externalizada: Las startups que entran en este mercado están centradas en la creación de soluciones innovadoras y en acelerar la comercialización, por lo que frecuentemente subcontratan la producción a fábricas externas. Los cambios en el diseño de la aeronave, surgidos durante la realización del diseño detallado, los prototipos y las pruebas de vuelo iniciales, están a la orden del día. Estos podrían mejorar la posición del producto en el mercado o ser necesarios para corregir los problemas detectados, lo cual requeriría la entrega de nuevos datos de producción a los subcontratistas.
• Gestión de datos: En ese sentido, la gestión de datos de producción actualizados, junto con la trazabilidad y el control del diseño del sistema E/E, son esenciales durante todo el proceso para responder rápidamente a los cambios en el sistema eléctrico y la electrónica, dando consistencia a los datos. Tradicionalmente, la escasa generalización de los sistemas E/E hacía que estos se integraran de manera manual, siendo supeditados a la atención y precisión de muchos expertos y haciendo uso de herramientas no vinculadas entre sí. Sin embargo, el aumento del contenido en los sistemas E/E y la complejidad de las modernas plataformas han hecho que los errores humanos afecten a los procesos manuales y puedan multiplicarse los problemas de integración. Los habituales prototipos y pruebas de laboratorio se desbordan ante las caras y numerosas repeticiones de diseño, construcción, ensayos y corrección, aumentando exponencialmente la probabilidad de aparición de fallos importantes. Debido a que el intercambio manual de la información de producción es un proceso costoso, largo y propenso a errores, es imprescindible la digitalización del proceso de fabricación.
• Certificación: El entorno de certificación para plataformas de eVTOL aún se está definiendo, pero está progresando rápidamente. Recientemente, la FAA ha publicado una propuesta de concepto de operaciones para la movilidad aérea urbana. Las agencias reguladoras también trabajan en los detalles de certificación exclusivos de eVTOL, como la elevación vertical eléctrica. Las nuevas normas de diseño y certificación son cada vez más estrictas para los sistemas E/E de las aeronaves y requieren que las empresas generen publicaciones de mantenimiento que incluyan documentación tanto del diseño físico como del proceso de instalación. Desafortunadamente, los informes de conformidad y los métodos de certificación actuales siguen desarrollándose según los procesos manuales de los tradicionales sistemas E/E, gestionando datos de forma fragmentada en diferentes documentos, hojas de cálculo y bases de datos, y utilizando herramientas obsoletas y desconectadas. Para llevar a cabo la verificación necesaria y el análisis, se deben introducir manualmente los datos repetidas veces y los resultados deben plasmarse en formatos distintos para los organismos oficiales. Estos procesos son lentos y costosos, pudiendo pasar semanas hasta que se informa del impacto de un solo cambio de diseño. Con la cantidad de iteraciones de análisis e informes de cumplimiento que se esperan a medida que la normativa de eVTOL cambia y evoluciona, los métodos actuales no hacen más que añadir riesgo a la posibilidad de conseguir la certificación a tiempo.
• Desarrollo de sistemas E/E basado en modelos: Las organizaciones que compiten en este mercado no pueden permitirse ningún riesgo de certificación como el incumplimiento de los requisitos, ni equivocación técnica alguna en materia de seguridad o rendimiento. Es por ello que las empresas eVTOL con visión de futuro están siguiendo los pasos de otros OEMs y adoptando un enfoque de desarrollo de sistemas E/E basado en modelos. Así, pueden eliminar los riesgos del desarrollo al tiempo que aceleran la innovación y la comercialización.

La aeronave eVTOL depende de la energía eléctrica para propulsarse, además de un alto nivel de contenido eléctrico y electrónico, de software y de redes de comunicación, lo que supone una dificultad adicional respecto a la aeronave tradicional. El entorno dinámico y cambiante de una startup conlleva cierta dificultad a la hora de gestionar la complejidad de todos los sistemas y puede comportar numerosos ciclos iterativos de diseño, prueba, corrección y verificación.

 

La imagen muestra un sistema E/E en una aeronave eVTOL. Utiliza todos los elementos, desde sofisticada generación de energía, distribución de energía y control de motores hasta sistemas avanzados de visualización, visión, comunicaciones y navegación. Los más competentes incluyen control de vuelo autónomo. Estos sistemas se conectan mediante avanzadas redes de aviónica para facilitar la intercomunicación y minimizar el grado y el peso del cableado de interconexión.

 

¿Cuáles son las soluciones y funcionalidades que debe tener una plataforma adecuada para el éxito de desarrollo de sistemas E/E?

Las funciones de una solución de desarrollo de sistemas E/E pueden ayudar a los fabricantes del sector a gestionar todos los retos mencionados.

• Integración en varias disciplinas: Para acelerar el proceso de diseño y minimizar los errores de integración desde el inicio del proyecto los expertos en desarrollo de implementación eléctrica y mecánica deben utilizar herramientas de diseño que cuenten con integración en varias disciplinas para colaborar en tiempo real y a medida que avanza el proyecto, exigiéndose una trazabilidad y consistencia de datos entre todas ellas.
• Gemelo digital: Para minimizar el riesgo en las primeras fases del diseño o producción, reduciendo los ciclos de prueba-error, costes y tiempo, las soluciones adecuadas de desarrollo de sistemas E/E deben aprovechar el gemelo digital para identificar errores y prevenirlos, analizar el rendimiento y completar rápidamente estudios comerciales.
• Hilo digital: Para que los informes y análisis de certificación puedan derivarse directamente de un gemelo digital de control de configuración del sistema E/E, sin estar sujetos a los retrasos, errores y confusión típicos de la comunicación manual de datos, proporcionando trazabilidad digital a la información de requisitos y de diseño, los sistemas E/E apropiados conectan los equipos de diseño y certificación mediante un hilo digital.
• Continuidad de los datos digitales: Para conectar todo el ciclo de vida del producto y brindar un variado conjunto de datos de producción para especificar y programar herramientas de fabricación avanzadas, con el fin de acelerar la respuesta de un equipo de producción a los cambios inevitables y optimizar la producción, pueden utilizarse herramientas avanzadas y la misma configuración que controla los gemelos digitales para obtener automáticamente los datos de diseño necesarios para el proceso de fabricación, tanto para los grupos de producción internos como externos.

 

Capital de Siemens: La solución clave para el diseño E/E adecuada para eVTOL que permite a los fabricantes innovar para comercializar de forma más rápida y económica

Siemens Digital Industries Software tiene como objetivo y prioridad desarrollar software para ayudar a las empresas a acelerar su proceso hacia la transformación digital. Esto se consigue a través de tres elementos fundamentales:

1. Gemelo digital integral. El gemelo digital abarca todo el ciclo de vida del producto, dado que se tienen 3 gemelos digitales: el de diseño, el de producción y el de uso. Comprende microelectrónica, diseño mecánico, software, fabricación, desarrollo de apps y análisis del IoT.
2. Enfoque personalizado. Hay muchas formas de acceder a la transformación digital. Las empresas deben ser capaces de trabajar a su propio ritmo para optimizar su rendimiento. También deben considerar cómo satisfacer las necesidades de los usuarios en su organización, acostumbrados a contar con aplicaciones que realizan tareas adaptadas a sus preferencias en su día a día.
3. Colaboración. La digitalización se extiende por todo el ecosistema industrial, por lo que la colaboración entre empresas es necesaria para crear valor. Proveedores, clientes, partners y distribuidores deben colaborar en un entorno de excelencia de ingeniería que llega hasta el nivel de usuario. Los sistemas deben ser abiertos y brindar un amplio ecosistema de oportunidades para que las empresas se beneficien de su enfoque.

La solución Capital de Siemens ofrece estos tres elementos para el desarrollo de sistemas E/E. Su principal objetivo es el soporte a los dominios de diseño basado en modelos E/E, fabricación y servicio para transformar la calidad y reducir costes. Esto permite que las startups eVTOL trabajen en diseño eléctrico, electrónico, de redes y de software desde la arquitectura de los sistemas E/E. Pueden aprovechar la continuidad de datos de Capital en las últimas fases del ciclo de vida del producto, lo que ofrece soporte a la fabricación de arneses, así como finalizar con documentación de servicio y postventa. De igual manera, las nuevas integraciones con las herramientas y soluciones de Siemens conectan disciplinas de ingeniería que deben trabajar mano a mano para garantizar el éxito del proyecto.

 

Beneficios clave de Capital para el desarrollo de sistemas E/E

• Capital proporciona soporte a las áreas de diseño, fabricación y servicio basados en modelos para mejorar la calidad y reducir costes.
• Capital permite trabajar en diseño eléctrico, electrónico, de redes y de software desde la arquitectura de los sistemas E/E de la plataforma.
• Capital proporciona soporte en cascada a la fabricación de arneses y al mantenimiento de vehículos. Es una solución completa e integral.
• Capital crea un gemelo digital controlado por la configuración para los sistemas E/E, lo que agiliza los ciclos de desarrollo y garantiza la trazabilidad.

 

Conclusiones

A medida que el entorno de eVTOL continúa creciendo y evolucionando, la competitividad aumentará, lo que obliga a los fabricantes a trabajar de forma más inteligente y rápida para lograr su cuota de mercado. Su habilidad de innovar rápidamente les brindará a los fabricantes el acceso a una plataforma de diseño de sistemas E/E que cuenta con todas las funcionalidades clave necesarias para abordar los retos del desarrollo y producción de eVTOL.

El desarrollo de sistemas E/E de Capital dispone de todas las funcionalidades imprescindibles para aumentar la productividad y lograr productos de calidad, al tiempo que cumplen con las expectativas de rendimiento del cliente.

 

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