Onko sähkölentokone vaihtoehto nykyaikaiselle ilmailulle?

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Nykyaikainen kaasuturbiini (turbofan) -moottori, joka käyttää vuorauksia, ei tietenkään ole puutarhatyökalujen kaksitahtinen helistin, vaan erittäin tehokas ja erittäin luotettava kone. Lentokonevalmistajien mukaan se on kuitenkin lähellä resurssien loppumista lisäparannuksiin.

Miksi moottoreita on - kaikki rakenteilla olevat lentokoneet ovat niin samanlaisia keskenään, että vain ilmailuasiantuntija erottaa Boeingin tai Airbusin välittömästi Bombardierista tai MS-21:stä. Ja vaikka ei ole pienintäkään epäilystä siitä, että nykyaikaiset lentokoneet, joissa on kaksi kaasuturbiinimoottoria siipien alla, vierivät meitä taivaalla vuosikymmeniä, suuret toiveet lentokoneiden uudesta asettelusta ja uudesta aerodynamiikasta liittyvät sähkökäyttöön.

Nopeasti, mutta ei kauaa

Viime aikoihin asti termi "sähkölentokone" ymmärrettiin "sähköisemmäksi lentokoneeksi" - lentokoneeksi, jossa on kiinteä siipi, jossa mekaaniset ja hydrauliset voimansiirrot korvattiin maksimaalisesti sähköisillä.

Ei enää putkia ja kaapeleita - kaikki mekaaniset työt, kuten peräsimien ajaminen ja siiven koneistaminen, tehdään pienillä sähkömoottoreilla-toimilaitteilla, joihin syötetään tehoa ja kanava ohjaussignaalille. Nyt termi on täytetty uudella merkityksellä: todellisen sähkökoneen on itse liikuttava sähköisellä vetovoimalla.

Tietenkin sähköilmailun näkymät eivät riipu pelkästään (eivät edes niin paljon) lentokoneiden suunnittelijoista kuin sähkötekniikan alan edistymisestä. Loppujen lopuksi lentokoneita, kuten sanotaan, "akuilla" on olemassa. Lisäsähkömoottorit asennettiin purjelentokoneisiin useita vuosikymmeniä sitten.

Extra 330LE, joka lensi ensimmäisen kerran vuonna 2016, kantaa jo purjelentokoneita ja tekee nopeusennätyksiä. Mutta sen 14 tehokkaan litiumioniakun lohko ja Siemensin sähkömoottori antavat tämän vauvan ottaa kyytiin vain kaksi henkilöä, mukaan lukien lentäjä, ja pysyä ilmassa enintään 20 minuuttia.

Ylimääräinen 330LE

Tietysti on projekteja, joilla on paljon vaikuttavampia indikaattoreita. Brittiläinen halpalentoyhtiö EasyJet ilmoitti viime vuoden syyskuussa, että se lanseeraa kymmenen vuoden kuluttua täyssähköisen seutuliikenteen linja-auton (etäisyys 540 km, mikä on Euroopan sisäisillä lennoilla melko paljon), johon mahtuu 180 matkustajaa.

Projektissa on mukana amerikkalainen startup Wright Electric, joka on jo rakentanut kaksipaikkaisen lentävän demonstraattorin. Nykyään parhaiden litiumioniakkujen energiatiheys on kuitenkin enemmän kuin suuruusluokkaa pienempi kuin hiilivetypolttoaineiden. Vuoteen 2030 mennessä akkujen oletetaan parantavan suorituskykyään enintään kaksi kertaa.

Turbiini, pysy

Paljon edullisemmalta näyttää tilanne polttokennoilla, joissa polttoaineen kemiallinen energia muunnetaan suoraan sähköenergiaksi ohittaen palamisprosessin.

Vetyä pidetään lupaavimpana polttoaineena tällaiselle voimanlähteelle. Kokeita polttokennoista sähkölentokoneen virtalähteenä tehdään eri puolilla maailmaa (Venäjällä CIAM työskentelee pääasiassa projekteissa tällaisten lentokoneiden luomiseksi, ja niitä varten luodaan polttokennoja IPCP RAS:ssa professori Juri Dobrovolskyn johdolla).

Lentävistä ja miehitetyistä konsepteista tulee mieleen eurooppalainen demonstraattori ENFICA-FC Rapid 200FC - se käytti samanaikaisesti sekä sähköakkuja että polttokennoja. Mutta tämä tekniikka vaatii myös merkittäviä parannuksia ja lisätutkimusta.

Tämän päivän realistisimpia tulevaisuudennäkymiä näyttävät olevan hybridimallin mukaan rakennettujen sähkölentokoneiden näkymät. Tämä tarkoittaa, että lentokoneen potkuria (potkuria tai tuuletinta) käyttää sähkömoottori, mutta se saa sähköä generaattorista, jota pyörittää … kaasuturbiinimoottori (tai muu polttomoottori). Ensi silmäyksellä tällainen järjestelmä näyttää oudolta: he haluavat luopua GTE: stä sähkömoottorin hyväksi, mutta he eivät aio tehdä tätä.

Maailmassa on jo useita hybridiprojekteja, mutta meitä kiinnostaa ensisijaisesti Venäjä. Sähkökoneen työskentelyä, erityisesti hybridijärjestelmällä, tehtiin useissa ilmailuprofiilin tieteellisissä laitoksissa, kuten TsAGI tai TsIAM.

Nykyään nämä ja jotkin muut instituutiot on yhdistetty (vuodesta 2014) tutkimuskeskuksen "N. Ye. Zhukovskyn mukaan nimetty instituutti" alaisuudessa, jonka tarkoituksena on tulla yhdeksi voimakkaaksi alan "aivorahastoksi". Tehtävä integroida kaikki sähköilmailun työt keskuksen sisällä on annettu Sergei Galperinille, jota lainasimme jo artikkelin alussa.

Akkukäyttöinen lentoonlähtö

"Siirtyminen sähkömoottoreihin ilmailussa avaa monia mielenkiintoisia näkymiä", Sergei Halperin sanoo, "mutta ei ole mitään syytä luottaa kaupallisen sähkölentokoneen luomiseen, jolla on kunnollinen kantama Venäjän olosuhteisiin puhtaasti kemiallisilla energialähteillä (akut tai polttokennot) lähitulevaisuudessa: energiapotentiaali eroaa liikaa kerosiinikilosta ja kilosta akkuja. Hybridisuunnittelu voisi olla järkevä kompromissi. On ymmärrettävä, että kaasuturbiinimoottori, joka luo suoraan työntövoimaa, ja kaasuturbiinimoottori, joka saa generaattorin akselin liikkeelle, eivät ole ollenkaan sama asia.

Tosiasia on, että lentokoneen energiatarve muuttuu merkittävästi lennon aikana. Lentoonlähdössä lentokoneen moottori kehittää tehoa lähellä maksimiaan ja risteilyn aikana (eli suurimman osan lennosta) koneen tehonkulutus pienenee 5-6 kertaa.

Perinteisen voimalaitoksen on siis kyettävä toimimaan monilla eri toimintatavoilla (ei aina taloudellisesti optimaalisesti) ja vaihdettava nopeasti yhdestä toiseen. Hybridiasennuksessa kaasuturbiinimoottorilta ei vaadita mitään vastaavaa. Se on samanlainen kuin voimalaitosten kaasuturbiinit, jotka toimivat aina samassa, taloudellisesti edullisimmassa tilassa. He ovat työskennelleet vuosia pysähtymättä."

Ce-vuori

Generaattorin avulla GTE pystyy tuottamaan energiaa sähkömoottoreiden suoraa virransyöttöä varten sekä akkujen varannon luomiseen. Akkuapua tarvitaan vasta lentoonlähdön yhteydessä.

Mutta koska sähkömoottoreiden toiminta lentoonlähtötilassa kestää vain muutaman minuutin, energiareservi ei saisi olla kovin suuri ja aluksella olevat akut voivat olla kooltaan ja painoltaan melko hyväksyttäviä. Samaan aikaan kaasuturbiinimoottorilla ei ole mitään lentoonlähtöjärjestelmää - sen tehtävänä on tuottaa hiljaa sähköä.

Siten, toisin kuin lentokoneen moottori, hybridisähkölentokoneen kaasuturbiinimoottori on vähemmän tehokas, luotettavampi ja ympäristöystävällisempi, suunnittelultaan yksinkertaisempi, mikä tarkoittaa halvempaa ja lopulta enemmän resursseja.

Puhaltaa siivessä

Samalla siirtyminen sähkömoottoreihin avaa mahdollisuuksia perustavanlaatuisille innovaatioille tulevaisuuden siviililentokoneiden suunnittelussa. Yksi keskustelunaiheista on hajautettujen voimalaitosten rakentaminen.

Nykyään klassisessa laineriasettelussa oletetaan kaksi työntövoiman sovelluskohtaa, toisin sanoen kaksi, harvoin neljä tehokasta moottoria, jotka riippuvat pylväissä siiven alla. Sähkölentokoneissa harkitaan useiden sähkömoottorien sijoittelua siiven varrella ja sen päissä. Miksi tätä tarvitaan?

Pointti on jälleen nousun ja risteilytilan erossa. Lentoonlähdössä pienellä tapahtumavirran nopeudella lentokone tarvitsee suuren siipialueen nostovoiman luomiseksi. Matkalentonopeudella leveä siipi on tiellä, mikä luo ylimääräistä nostovoimaa.

Ongelma on ratkaistu monimutkaisen mekanisoinnin ansiosta - sisään vedettävät läpät ja säleet. Pienemmiltä lentokentiltä nousevat ja tätä varten suuret siivet omaavat lentokoneet pakotetaan lentämään optimaalista huonommalla iskukulmalla, mikä lisää polttoaineen kulutusta.

Mutta jos lentoonlähdössä monet potkureihin kytketyt sähkömoottorit räjäyttävät lisäksi siipeä, sitä ei tarvitse tehdä liian leveäksi. Kone lähtee lentoon lyhyellä nousulla, eikä risteilyosuudella kapea siipi aiheuta ongelmia. Autoa vedetään eteenpäin propulsiomoottorien käyttämien potkureiden avulla, ja siiven potkurit tässä vaiheessa taitetaan tai vedetään sisään ennen laskeutumista.

Esimerkkinä NASAn X-57 Maxwell -projekti. Konseptiesittelyssä on 14 sähkömoottoria, jotka on sijoitettu siiven varrelle ja siipien kärkiin. Kaikki ne toimivat vain nousun ja laskun aikana. Risteilyosalla vain siipikärkimoottorit ovat mukana.

Tällainen moottoreiden sijoitus mahdollistaa näissä paikoissa syntyvien pyörteiden negatiivisen vaikutuksen vähentämisen. Toisaalta voimalaitos osoittautuu monimutkaiseksi, mikä tarkoittaa, että sen ylläpito on kalliimpaa ja myös vikojen todennäköisyys on suurempi. Yleensä tutkijoilla ja suunnittelijoilla on jotain ajateltavaa.

X-57 Maxwell

Auttaa poistamaan nestemäistä typpeä

"Sähkökone tarjoaa monia optimointimahdollisuuksia", Sergei Halperin sanoo. - Voit kokeilla esimerkiksi veto- ja työntöruuvien yhdistelmää. Sähkömoottorit ovat paljon edullisempia kuin muuntolentokoneiden kaasuturbiinimoottorit, koska sähkömoottorin turvallinen pyörittäminen vaakasuoraan asentoon ei aiheuta niin monimutkaista teknistä ongelmaa kuin perinteisten moottoreiden tapauksessa.

Sähkötasossa voit varmistaa kaikkien järjestelmien täydellisen integroinnin, luoda uuden ohjausjärjestelmän. Jopa hybridiautot tuottavat vähemmän melua ja päästöjä.

Kuten akut, myös sähkömoottorit lisäävät massaa, tilavuutta ja lämmön haihtumista tehon kasvaessa. Uusia tekniikoita tarvitaan tehdäkseen niistä tehokkaampia ja kevyempiä.

Kotimaisille hybridipropulsiojärjestelmien kehittäjille todellinen läpimurto oli yhteistyö venäläisen SuperOx-yrityksen kanssa, joka on yksi viidestä suurimmasta korkean lämpötilan suprajohtavuusominaisuuksien (HTSC) materiaalien toimittajasta maailmassa. Nyt SuperOx kehittää sähkömoottoreita, joissa on suprajohtavista materiaaleista (nestemäisellä typellä jäähdytetty) staattori.

Nämä hyvillä lento-ominaisuuksilla varustetut moottorit muodostavat pohjan aluelentokoneen hybridivoimalaitokselle, joka saattaa nousta taivaalle ensi vuosikymmenen puolivälissä. Tänä vuonna MAKS-lentonäyttelyssä CIAM-asiantuntijat esittelivät tällaisen asennuksen esittelyn, jonka kapasiteetti on 10 kW. Suunniteltu lentokone varustetaan hybridivoimalaitoksella, jossa on kaksi 500 kW:n moottoria.

”Ennen kuin puhumme hybridisähkölentokoneesta”, Halperin sanoo,”on välttämätöntä testata asennustamme maassa ja sitten lentävässä laboratoriossa. Toivomme, että se on Jak-40. Tutkan sijasta auton nokkaan voidaan laittaa 500 kilowatin HTSC-sähkömoottori.

Asennamme turbogeneraattorin peräsuunnassa keskusmoottorin sijaan. Kaksi jäljellä olevaa Yak-moottoria riittävät testaamaan aivolapsemme laajalla korkeusalueella (jopa 8000 m) ja nopeuksissa (jopa 500 km/h). Ja vaikka hybridiasennus epäonnistuisi, kone voi turvallisesti suorittaa lennon ja laskeutua. Demolaboratorio varustetaan suunnitelman mukaisesti vuonna 2019. Testisykli on alustavasti suunniteltu vuodelle 2020.

Älykäs taivas

Sähkö- ja hybridivoimalla on merkittävä paikka maailman suurimpien lentokonevalmistajien suunnitelmissa. Tältä näyttävät tämän vuosisadan puolivälin matkustaja-ilmailun pääpiirteet AIRBUS-yhtiön Smarter Skies -ohjelman mukaan.

"Vihreä" lento

Tulevaisuuden lentokoneet suunnitellaan minimoimaan hiilivetyjalanjälki ilmakehässä. Vetykaasuturbiinimoottorit, hybridit ja akkukäyttöiset täyssähköiset lentokoneet saavat suosiota.

Oletetaan, että akut ladataan ympäristöystävällisistä sähkönlähteistä. Suurten tuulipuistojen tai aurinkovoimaloiden ilmaantuminen lentokenttien alueelle on mahdollista.

Vapaus taivaalla

Älykkäät linja-autot suunnittelevat itsenäisesti reittejä ympäristöystävällisyyden ja polttoainetehokkuuden parametrien perusteella sää- ja ilmakehän tietojen analysoinnin perusteella. He voivat myös kerääntyä muodostelmiin, kuten lintuparviin, mikä vähentää yksittäisten lentokoneiden vastusta muodostumassa ja vähentää energiankulutusta lennon aikana.

Ennemminkin maasta

Uudet propulsiojärjestelmät ja lentokoneen aerodynamiikka mahdollistavat lentoonlähdön mahdollisimman jyrkkää lentorataa pitkin melun vähentämiseksi lentoasema-alueella ja saavuttaen mahdollisimman pian matkalentotason, jossa lentokoneen taloudelliset ominaisuudet ovat optimaaliset.

Laskeutuminen ilman moottoria

Tulevaisuuden koneet voivat laskeutua luistotilassa. Tämä säästää polttoainetta ja vähentää melutasoa lentoasema-alueella. Myös laskeutumisnopeus laskee. Tämä lyhentää kiitoteiden pituutta.

Ei pakokaasua

Tulevaisuuden lentokentät poistavat kokonaan polttoainetta polttavien polttomoottoreiden käytön. Rullausta varten laivat varustetaan sähkömoottoripyörillä. Vaihtoehtona - nopeat miehittämättömät sähkötraktorit, jotka pystyvät toimittamaan lentokoneet nopeasti asematasolta kiitotielle ja päinvastoin.