Is 'n elektriese vliegtuig 'n alternatief vir moderne lugvaart?

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Die moderne gasturbine (turbowaaier) enjin wat die voerings aandryf, is natuurlik nie 'n tweeslag ratel vir tuinmaakgereedskap nie, maar 'n hoogs doeltreffende en baie betroubare masjien. Volgens vliegtuigvervaardigers is dit egter naby aan die uitputting van reserwes vir verdere verbetering.

Hoekom is daar enjins – al die vliegtuie wat in aanbou is so soortgelyk aan mekaar dat net’n lugvaartkenner dadelik Boeing of Airbus van Bombardier of MS-21 sal onderskei. En hoewel daar nie die minste twyfel is dat moderne-tipe vliegtuie met twee gasturbine-enjins onder die vlerke ons vir dekades oor die lug sal rol nie, word groot verwagtinge vir’n nuwe uitleg en nuwe lugdinamika van vliegtuie met elektriese aandrywing geassosieer.

Vinnig, maar nie vir lank nie

Tot onlangs is die term "elektriese vliegtuig" verstaan as 'n "meer elektriese vliegtuig" - 'n vliegtuig met 'n vaste vlerk, waarin die meganiese en hidrouliese transmissies tot die maksimum deur die elektriese vervang is.

Geen pype en kabels meer nie - alle meganiese werk, soos om die roere aan te dryf en die vlerk te meganiseer, word uitgevoer deur klein elektriese motors-aktuators, wat van krag en 'n kanaal vir die beheersein voorsien word. Nou is die term gevul met 'n nuwe betekenis: 'n ware elektriese vliegtuig moet self op elektriese traksie beweeg.

Natuurlik hang die vooruitsigte vir elektriese lugvaart nie net (en nie eens soseer nie) van vliegtuigontwerpers af nie as van vordering op die gebied van elektriese ingenieurswese. Vliegtuie bestaan immers, soos hulle sê, "op batterye". Elektriese hulpmotors is etlike dekades gelede op sweeftuie geïnstalleer.

Die Extra 330LE, wat die eerste keer in 2016 gevlieg het, dra reeds sweeftuie en stel spoedrekords op. Maar sy blok van 14 kragtige litium-ioonbatterye en 'n elektriese motor van Siemens laat hierdie baba toe om net twee mense aan boord te neem, insluitend die vlieënier, en nie langer as 20 minute in die lug te bly nie.

Ekstra 330LE

Natuurlik is daar projekte met baie meer indrukwekkende aanwysers. In September verlede jaar het die Britse laekostelugredery EasyJet aangekondig dat hy oor tien jaar’n volelektriese streeksvaart (reeks van 540 km, wat nogal baie is vir intra-Europese vlugte) met’n kapasiteit van 180 passasiers sal bekendstel.

Die Amerikaanse beginonderneming Wright Electric, wat reeds 'n tweesitplek-vlieënde demonstrator gebou het, het 'n vennoot in die projek geword. Vandag is die energiedigtheid van die beste litiumioonbatterye egter meer as 'n orde van grootte minderwaardig as koolwaterstofbrandstowwe. Daar word aanvaar dat batterye teen 2030 hul werkverrigting met 'n maksimum van twee keer sal verbeter.

Turbine, bly

Die situasie met brandstofselle lyk baie meer voordelig, waarin die chemiese energie van die brandstof direk in elektriese energie omgeskakel word, wat die verbrandingsproses omseil.

Waterstof word as die mees belowende brandstof vir so 'n kragbron beskou. Eksperimente met brandstofselle as 'n kragbron vir 'n elektriese vliegtuig word in verskillende lande van die wêreld uitgevoer (in Rusland werk CIAM hoofsaaklik aan projekte om sulke vliegtuie te skep, en brandstofselle daarvoor word by die IPCP RAS onder die leiding van professor Yuri Dobrovolsky).

Van die vlieënde en bemande konsepte kan 'n mens die Europese demonstreerder ENFICA-FC Rapid 200FC onthou - dit het beide elektriese batterye en brandstofselle terselfdertyd gebruik. Maar hierdie tegnologie benodig ook aansienlike verbetering en bykomende navorsing.

Die mees realistiese vooruitsigte vir vandag blyk die vooruitsigte te wees vir elektriese vliegtuie wat volgens die hibriede skema gebou is. Dit beteken dat die skroef van die vliegtuig (propeller of propfan) deur 'n elektriese motor aangedryf sal word, maar dit sal elektrisiteit ontvang van 'n kragopwekker wat … deur 'n gasturbine-enjin (of ander binnebrandenjin) geroteer word. Met die eerste oogopslag lyk so 'n skema vreemd: hulle wil die GTE laat vaar ten gunste van die elektriese motor, maar hulle gaan dit nie doen nie.

Daar is reeds 'n hele paar hibriede projekte in die wêreld, maar ons stel hoofsaaklik belang in Rusland. Werk op 'n elektriese vliegtuig, veral met 'n hibriede skema, is uitgevoer in verskeie wetenskaplike institute van die lugvaartprofiel, soos TsAGI of TsIAM.

Vandag is hierdie en 'n paar ander instellings verenig (sedert 2014) onder die vaandel van die Navorsingsentrum "Instituut vernoem na N. Ye. Zhukovsky", wat ontwerp is om 'n enkele kragtige "breintrust" van die bedryf te word. Die taak om alle werk op elektriese lugvaart binne die sentrum te integreer, word aan Sergei Galperin opgedra, wat ons reeds aan die begin van die artikel aangehaal het.

Batteryaangedrewe opstyg

"Die oorgang na elektriese motors in lugvaart bied baie interessante vooruitsigte," sê Sergei Halperin, "maar daar is geen rede om op die skepping van 'n kommersiële elektriese vliegtuig met 'n ordentlike reikafstand vir Russiese toestande op suiwer chemiese energiebronne te reken nie (batterye of brandstofselle) in die nabye toekoms: die energiepotensiaal verskil te veel 'n kilogram keroseen en 'n kilogram batterye.’n Hibriedontwerp kan’n redelike kompromie wees. Dit moet verstaan word dat 'n gasturbine-enjin wat direk stukrag skep en 'n gasturbine-enjin wat die kragopwekkeras aan die gang sal sit, glad nie dieselfde is nie.

Die feit is dat die energievereistes van die vliegtuig aansienlik verander tydens die vlug. Met opstyg ontwikkel die vliegtuigenjin krag naby aan sy maksimum, en tydens vaart (dit wil sê vir die grootste deel van die vlug) word die kragverbruik van die vliegtuig met 5-6 keer verminder.

’n Tradisionele kragsentrale moet dus in’n wye reeks modusse kan funksioneer (nie altyd optimaal uit die ekonomiese oogpunt nie) en vinnig van die een na die ander kan oorskakel. Niks van die soort word van 'n gasturbine-enjin in 'n hibriede installasie vereis nie. Dit sal soortgelyk wees aan gasturbines van kragsentrales, wat altyd in dieselfde, mees ekonomies voordelige modus werk. Hulle werk al jare sonder ophou.”

Ce-liner

Met behulp van 'n kragopwekker sal die GTE energie kan opwek vir direkte kragtoevoer van elektriese motors, sowel as om 'n reserwe in batterye te skep. Batteryhulp sal nodig wees net met opstyg.

Maar aangesien die werking van elektriese motors in opstygmodus slegs 'n paar minute sal duur, behoort die energiereserwe nie baie groot te wees nie en die batterye aan boord kan redelik aanvaarbaar wees in grootte en gewig. Terselfdertyd sal die gasturbine-enjin geen opstyg-regime hê nie - sy besigheid is om stilweg elektrisiteit op te wek.

Dus, anders as 'n vliegtuigenjin, sal 'n gasturbine-enjin in 'n hibriede elektriese vliegtuig minder kragtig, meer betroubaar en omgewingsvriendelik wees, eenvoudiger in ontwerp, wat goedkoper beteken en uiteindelik 'n groter hulpbron sal hê.

Blaas op die vlerk

Terselfdertyd maak die oorgang na elektriese motors vooruitsigte vir fundamentele innovasies in die ontwerp van siviele vliegtuie van die toekoms. Een van die onderwerpe wat die meeste bespreek word, is die skepping van verspreide kragsentrales.

Vandag neem die klassieke voeringuitleg twee punte van stukragaanwending aan, dit wil sê twee, selde vier, kragtige enjins wat aan pylone onder die vlerk hang. In elektriese vliegtuie word die uitleg van 'n groot aantal elektriese motors langs die vlerk, sowel as aan sy ente, oorweeg. Hoekom is dit nodig?

Die punt is weer in die verskil tussen opstyg- en vaartmodusse. By opstyg teen 'n lae spoed van die voorvalvloei het 'n vliegtuig 'n groot vlerkarea nodig om hysbak te skep. Met kruisspoed kom die wye vlerk in die pad, wat 'n oormaat hysbak skep.

Die probleem word opgelos as gevolg van komplekse meganisasie - intrekbare kleppe en latte. Kleiner vliegtuie wat van klein vliegvelde af opstyg en groot vlerke hiervoor het, word gedwing om met 'n sub-optimale aanvalshoek te vlieg, wat tot bykomende brandstofverbruik lei.

Maar as baie elektriese motors wat aan die skroewe gekoppel is by opstyg ook die vlerk sal blaas, hoef dit nie te wyd gemaak te word nie. Die vliegtuig sal met 'n kort opstyg opstyg, en op die vaartgedeelte sal 'n smal vlerk nie probleme skep nie. Die motor sal vorentoe getrek word deur skroewe wat deur die aandryfmotors aangedryf word, en die skroewe langs die vlerk sal in hierdie stadium gevou of teruggetrek word voor landing.

’n Voorbeeld is NASA se X-57 Maxwell-projek. Die konsepdemonstrator is toegerus met 14 elektriese motors wat langs die vlerk en op die vlerkpunte geposisioneer is. Almal van hulle werk slegs tydens opstyg en landing. Op die vaartgedeelte is slegs vlerkpuntmotors betrokke.

Sodanige plasing van motors laat toe om die negatiewe invloed van kolke wat op hierdie plekke ontstaan, te verminder. Aan die ander kant blyk die kragsentrale kompleks te wees, wat beteken dat dit duurder is om in stand te hou en die waarskynlikheid van mislukkings is ook groter. Oor die algemeen het wetenskaplikes en ontwerpers iets om oor na te dink.

X-57 Maxwell

Sal vloeibare stikstof help

"'n Elektriese vliegtuig bied baie geleenthede vir optimalisering," sê Sergei Halperin. - Jy kan byvoorbeeld eksperimenteer met 'n kombinasie van trek- en drukskroewe. Elektriese motors is baie voordeliger in vergelyking met gasturbine-enjins in convertiplanes, aangesien die veilige rotasie van die elektriese motor na 'n horisontale posisie nie so 'n komplekse ingenieursprobleem bied soos in die geval van tradisionele enjins nie.

In 'n elektriese vliegtuig kan jy die volle integrasie van alle stelsels verseker, 'n nuwe beheerstelsel skep. Selfs hibriede motors sal minder geraas en emissies produseer.”

Soos batterye, neem elektriese motors toe in massa, volume en hitte-afvoer soos krag toeneem. Nuwe tegnologie word benodig om hulle kragtiger en ligter te maak.

Vir huishoudelike ontwikkelaars van hibriede aandryfstelsels was 'n ware deurbraak samewerking met die Russiese maatskappy SuperOx, een van die vyf grootste verskaffers van materiale met hoë-temperatuur supergeleiding (HTSC) eienskappe in die wêreld. Nou ontwikkel SuperOx elektriese motors met 'n stator gemaak van supergeleidende materiale (verkoel met vloeibare stikstof).

Hierdie enjins met goeie lugvaarteienskappe sal die basis vorm van 'n hibriede kragsentrale vir 'n streeksvliegtuig, wat in die middel van die volgende dekade die lug kan vaar. CIAM-spesialiste het vanjaar op die MAKS-lugskou 'n demonstrasie van so 'n installasie met 'n kapasiteit van 10 kW aangebied. Die beplande vliegtuig sal toegerus wees met 'n hibriede kragsentrale met twee 500 kW-enjins elk.

“Voordat ons van’n hibriede elektriese vliegtuig praat,” sê Halperin, “is dit nodig om ons installasie op die grond en dan in’n vlieënde laboratorium te toets. Ons hoop dit sal die Yak-40 wees. In plaas van 'n radar, kan ons 'n 500 kilowatt HTSC elektriese motor in die neus van die motor sit.

Ons sal 'n turbogenerator in die stert installeer in plaas van die sentrale enjin. Die twee oorblywende Yak-enjins sal genoeg wees om ons breinkind in 'n wye reeks hoogtes (tot 8000 m) en snelhede (tot 500 km/h) te toets. En selfs as die hibriede installasie misluk, kan die vliegtuig veilig die vlug voltooi en land. Die demonstrasielaboratorium sal in 2019 volgens die plan toegerus word. Die toetssiklus is voorlopig vir 2020 geskeduleer.

Slim lug

Elektriese en hibriede aandrywing beklee 'n belangrike plek in die planne van die wêreld se grootste vliegtuigvervaardigers. Dit is hoe die hoofkenmerke van passasierslugvaart van die middel van hierdie eeu lyk volgens die Smarter Skies-program van die AIRBUS-maatskappy.

"Groen" vlug

Die vliegtuig van die toekoms sal ontwerp word om die koolwaterstofvoetspoor in die atmosfeer te minimaliseer. Waterstofgasturbine-enjins, hibriede en battery-aangedrewe volelektriese vliegtuie sal gewild raak.

Daar word aanvaar dat die batterye herlaai sal word vanaf omgewingsvriendelike bronne van elektrisiteit. Die voorkoms van groot windplase of sonkragaanlegte in die gebied van vliegvelde is moontlik.

Vryheid in die lug

Intelligente voerings sal onafhanklik roetes plot gebaseer op omgewingsvriendelikheid en brandstofdoeltreffendheid parameters gebaseer op die ontleding van weer en atmosferiese data. Hulle sal ook in formasies soos swerms voëls kan versamel, wat weerstand vir individuele vliegtuie in die formasie sal verminder en energieverbruik vir vlug sal verminder.

Eerder van die grond af

Nuwe aandrywingstelsels en vliegtuigaërodinamika sal hulle in staat stel om langs die steilste moontlike trajek op te styg ten einde geraas in die lughawegebied te verminder en so gou moontlik die kruisvlak te bereik, waar die vliegtuig optimale ekonomiese eienskappe toon.

Landing sonder enjin

Die vliegtuie van die toekoms sal in 'n sweefmodus kan land. Dit sal brandstof bespaar en geraasvlakke in die lughawegebied verminder. Die landingspoed sal ook afneem. Dit sal die lengte van die aanloopbane verkort.

Geen uitlaat nie

Lughawens van die toekoms sal die gebruik van binnebrandenjins wat brandstof verbrand heeltemal uitskakel. Vir taxiry sal die voerings toegerus wees met elektriese motorwiele. As alternatief - hoëspoed onbemande elektriese trekkers, wat vliegtuie vinnig van die voorskoot na die aanloopbaan sal kan aflewer en omgekeerd.