A busca pela neutralidade climática está transformando a aviação global. Diante de metas ambientais rigorosas, a simulação virtual surge como uma ferramenta indispensável para projetar e validar a próxima geração de aeronaves.
Siga a leitura para entender como os gêmeos digitais estão acelerando o desenvolvimento de aviões regionais híbridos-elétricos mais eficientes e limpos.
1. Desafio: Projetar aeronaves inovadoras, eficientes e limpas
O setor de transporte aéreo está enfrentando o desafio de alcançar a neutralidade climática até 2050, conforme o compromisso assumido pela maioria das economias mundiais no Acordo de Paris (COP21). Alcançar essa transição disruptiva em um prazo tão limitado exige novas opções tecnológicas para viabilizar uma aviação climaticamente neutra.
Tecnologias inovadoras são necessárias para atingir as metas de aviação limpa e melhorar ainda mais o desempenho das aeronaves. Os fabricantes de aeronaves devem gerenciar a complexidade do processo de design de aeronaves, ao mesmo tempo em que incorporam novas evoluções tecnológicas e respondem às mudanças nas demandas dos consumidores e da sociedade em relação à aviação.
A mudança em direção a uma aviação regional de impacto climático neutro levará a novas aeronaves regionais híbridas-elétricas, eficientes e limpas. As aeronaves regionais podem servir como ponto de partida para a implementação de tecnologias de baixa ou zero emissão, reduzindo o impacto climático e ambiental da aviação regional.
Desenvolver uma aeronave regional híbrida-elétrica é altamente complexo, pois é necessário incorporar novos materiais, estruturas fabricadas por manufatura aditiva, sistemas de propulsão elétrica e softwares de bordo avançados. Testes virtuais e físicos extensivos são necessários para garantir a segurança, confiabilidade, desempenho e custo-benefício da aeronave.
Para enfrentar o desafio da aviação limpa, a Siemens Digital Industries Software é parceira no projeto de pesquisa HERA, focando na inovação tecnológica para alcançar futuras aeronaves regionais híbridas-elétricas eficientes e limpas.
2. O Gêmeo Digital permite a análise de desempenho da aeronave
Para viabilizar a integração de sistemas de propulsão híbrida-elétrica nas futuras aeronaves, adotamos uma abordagem baseada em simulação para analisar o desempenho de aeronaves híbridas-elétricas, que é uma atividade contínua de P&D junto com nossos parceiros do projeto HERA: a Universidade de Nápoles Federico II e a Leonardo S.p.A.
Este trabalho de inovação tecnológica compreende o desenvolvimento e a validação de um gêmeo digital paramétrico do ATR72-600, visando apoiar a integração da propulsão híbrida-elétrica para futuros demonstradores⁴. A arquitetura do demonstrador de voo é apresentada na Figura 1.
Figura 1: O ATR72-600 atual (à esquerda) em direção ao esquema preliminar de motorização proposto para o demonstrador de voo (à direita).
O gêmeo digital foi implementado usando o JPAD, uma ferramenta baseada em Java para o design conceitual e preliminar de aeronaves.
O modelo incorpora a geometria detalhada da aeronave, um sistema de propulsão atualizado baseado no motor PW127XT-M e um detalhamento completo de massa, incluindo componentes estruturais, de sistemas e de carga útil.
Um módulo de balanceamento dedicado rastreia as mudanças no centro de gravidade sob diferentes cenários de carregamento. O modelo aerodinâmico calcula as polares de sustentação e arrasto usando métodos semi-empíricos e de modelos substitutos (surrogate), permitindo a avaliação da eficiência aerodinâmica compensada (trimmed) e da estabilidade estática.
Figura 2: Modelo do Simcenter Amesim adaptado para a linha de base do ATR72-600 (topo) e primeira comparação com o JPAD (abaixo)
A Figura 2 ilustra o modelo Simcenter Amesim do projeto HERA e a comparação de duas métricas importantes com o modelo JPAD. A correlação encontrada justifica e motiva a exploração mais profunda dos resultados dos dois modelos.
3. Simulação de desempenho da aeronave e resultados de validação
O objetivo principal era simular e validar o desempenho da aeronave ao longo de uma missão representativa, fornecendo uma referência (benchmark) contra a qual as configurações híbridas possam ser avaliadas.
Métricas de desempenho de pontos-chave e de missão, tais como número de Mach (Figura 3), gradientes de subida (Razão de Subida / Descida (RoC/RoD)) (Figura 3), altitudes máximas (teto), consumo de combustível em cruzeiro e emissões, foram computadas e comparadas com dados do ATR disponíveis publicamente. Os resultados mostraram desvios entre 2% e 3%, demonstrando a precisão e a confiabilidade do modelo.
Figura 3: Comparação do Número de Mach (à esquerda) e ROC/ROD (à direita) a partir do JPAD e Simcenter Amesim
O modelo validado foi posteriormente utilizado para avaliar uma configuração híbrida-elétrica preliminar com propulsão assimétrica: um lado mantendo o motor térmico e o outro equipado com um motor elétrico de 200 kW alimentado por uma bateria de íons de lítio de 100 kWh.
Adotando o modelo validado, foi possível reduzir o consumo de combustível na fase de cruzeiro em cerca de 5%, apesar de um aumento de 500 kg na massa do grupo motopropulsor. O alcance aéreo específico melhorou em até 3% em altitudes e números de Mach representativos. Esses resultados validam a eficácia de um reforço (boost) de bateria na fase de cruzeiro por meio de hibridização de iso-potência.
A integração complementar no Simcenter Amesim permitiu a verificação dinâmica dos perfis de voo e do consumo de energia, confirmando a concordância com os resultados baseados no JPAD e aumentando a confiança nas tendências ao nível do sistema. A abordagem de modelagem também avaliou o impacto das cargas dos sistemas de bordo e das demandas de resfriamento, orientando as restrições de projeto para o gerenciamento térmico e o dimensionamento do Sistema de Controle Ambiental (ECS).
Figura 4: Adição de Sistemas de Bordo (OBS) no modelo para análise de impacto
Conclusão
Os resultados obtidos no projeto HERA comprovam que a aviação regional sustentável não é um sonho distante, mas uma realidade viável e em pleno desenvolvimento.
A redução de 5% no consumo de combustível na fase de cruzeiro, obtida mesmo com o peso adicional das baterias valida o potencial da propulsão híbrida-elétrica como o próximo passo lógico para o setor.
Mais do que isso, o sucesso dessa iniciativa consolida o papel estratégico dos Gêmeos Digitais na engenharia moderna. Ao permitir que sistemas complexos, aerodinâmica e gerenciamento térmico sejam testados de forma integrada e virtual, as ferramentas de simulação reduzem riscos, cortam custos de desenvolvimento e aceleram o tempo de chegada ao mercado.
Combinando tecnologia de ponta, parcerias sólidas de P&D e engenharia de precisão, a indústria aeronáutica pavimenta um caminho seguro e eficiente rumo à meta de emissões líquidas zero até 2050.
