Kas elektrilennuk on alternatiiv kaasaegsele lennundusele?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Moodne gaasiturbiini (turbofan) mootor, mis vooderdisi veab, ei ole loomulikult mitte kahetaktiline aiatööriistade kõristi, vaid ülitõhus ja väga töökindel masin. Lennukitootjate hinnangul on see aga lähedal reservide ammendumisele edasiseks täiustamiseks.

Miks on mootorid - kõik ehitatavad lennukid on üksteisega nii sarnased, et ainult lennuekspert eristab Boeingut või Airbusi Bombardierist või MS-21-st kohe. Ja kuigi pole vähimatki kahtlust, et kahe gaasiturbiinmootoriga tiibade all moodsat tüüpi reisilennukid veeretavad meid üle taeva aastakümneteks, seostatakse suuri lootusi lennukite uuele paigutusele ja uuele aerodünaamikale elektriajamiga.

Kiiresti, aga mitte kauaks

Kuni viimase ajani mõisteti mõiste "elektriline lennuk" all "elektrilisemat lennukit" - fikseeritud tiivaga lennukit, milles mehaaniline ja hüdrauliline jõuülekanne asendati maksimaalselt elektrilistega.

Pole enam torusid ja kaableid – kõik mehaanilised tööd, nagu tüüride juhtimine ja tiiva mehhaniseerimine, tehakse väikeste elektrimootorite-ajamite abil, mis on varustatud toite ja juhtsignaali kanaliga. Nüüd on mõiste saanud uue tähenduse: tõeline elektriline lennuk peab ise liikuma elektrilise veojõu abil.

Muidugi ei sõltu elektrilennunduse väljavaated mitte ainult (ja isegi mitte niivõrd) lennukidisaineritest, kuivõrd edusammudest elektrotehnika valdkonnas. Lõppude lõpuks on lennukid, nagu öeldakse, "akudel". Abielektrimootorid paigaldati purilennukitele mitukümmend aastat tagasi.

2016. aastal esimest korda lennanud Extra 330LE kannab juba purilennukeid ja püstitab kiirusrekordeid. Kuid selle 14 võimsa liitiumioonaku plokk ja Siemensi elektrimootor võimaldavad sellel beebil pardale võtta ainult kaks inimest, sealhulgas piloot, ja viibida õhus mitte kauem kui 20 minutit.

Lisaks 330LE

Muidugi on projekte, mille näitajad on palju muljetavaldavamad. Möödunud aasta septembris teatas Briti odavlennufirma EasyJet, et toob kümne aasta pärast turule 180 reisijat mahutava täiselektrilise regionaalliini (sõiduulatus 540 km, mis on Euroopa-siseste lendude puhul päris palju).

Projekti partneriks on saanud Ameerika startup Wright Electric, kes on juba ehitanud kahekohalise lendava demonstraatori. Tänapäeval on aga parimate liitiumioonakude energiatihedus rohkem kui suurusjärgu võrra väiksem kui süsivesinikkütustel. Eeldatakse, et aastaks 2030 parandavad akud oma jõudlust maksimaalselt kaks korda.

Turbiin, jää

Palju soodsam tundub olukord kütuseelementidega, kus kütuse keemiline energia muundatakse põlemisprotsessist mööda minnes otse elektrienergiaks.

Vesinikku peetakse sellise jõuallika jaoks kõige lootustandvamaks kütuseks. Erinevates maailma riikides tehakse katseid kütuseelementidega elektrilennuki toiteallikana (Venemaal tegeleb CIAM peamiselt selliste lennukite loomise projektidega ja nende jaoks luuakse IPCP RAS-is kütuseelemente. professor Juri Dobrovolski juhendamisel).

Lendamisest ja mehitatud kontseptsioonist võib meenutada Euroopa demonstraatorit ENFICA-FC Rapid 200FC - see kasutas korraga nii elektriakusid kui ka kütuseelemente. Kuid see tehnoloogia vajab ka olulist täiustamist ja täiendavaid uuringuid.

Tänapäeva kõige realistlikumad väljavaated näivad olevat hübriidskeemi järgi ehitatud elektrilennukite väljavaated. See tähendab, et lennuki propeller (propeller või propeller) hakkab liikuma elektrimootoriga, kuid see saab elektrit generaatorist, mida pöörab … gaasiturbiinmootor (või muu sisepõlemismootor). Esmapilgul tundub selline skeem kummaline: nad tahavad GTE-st elektrimootori kasuks loobuda, kuid nad ei kavatse seda teha.

Hübriidprojekte on maailmas juba päris palju, kuid meid huvitab eelkõige Venemaa. Töö elektrilise lennukiga, eriti hübriidskeemi abil, viidi läbi erinevates lennundusprofiili teadusinstituutides, nagu TsAGI või TsIAM.

Tänaseks on need ja mõned teised asutused ühendatud (alates 2014. aastast) N. Ye. Žukovski nimelise uurimiskeskuse egiidi all, mille eesmärk on saada tööstuse ühtseks võimsaks "ajutrustiks". Kogu elektrilennundusega seotud töö integreerimine keskusesse on pandud Sergei Galperinile, keda me juba artikli alguses tsiteerisime.

Akutoitel start

"Üleminek elektrimootoritele lennunduses avab palju huvitavaid väljavaateid," ütleb Sergei Halperin, "kuid pole põhjust loota kaubandusliku elektrilennuki loomisele, mille lennuulatus on Venemaa tingimuste jaoks korralik, kasutades puhtalt keemilisi energiaallikaid (akud või kütuseelemendid) lähitulevikus: energiapotentsiaal erineb liiga palju kilogrammi petrooleumi ja kilogrammi patarei kohta. Hübriiddisain võib olla mõistlik kompromiss. Tuleb mõista, et gaasiturbiinmootor, mis tekitab otseselt tõukejõudu, ja gaasiturbiinmootor, mis paneb generaatori võlli liikuma, ei ole sugugi sama asi.

Fakt on see, et lennuki energiavajadus muutub lennu ajal oluliselt. Õhkutõusmisel arendab lennuki mootor oma maksimumilähedase võimsuse ning ristlemisel (ehk suurema osa lennust) väheneb lennuki voolutarve 5-6 korda.

Seega peab traditsiooniline elektrijaam suutma töötada väga erinevatel režiimidel (majanduslikult mitte alati optimaalne) ja kiiresti ühelt teisele lülituda. Hübriidseadmes ei nõuta gaasiturbiinmootorilt midagi sellist. See sarnaneb elektrijaamade gaasiturbiinidega, mis töötavad alati samas, majanduslikult kõige kasulikumas režiimis. Nad on aastaid peatumata töötanud."

Ce-vooder

Generaatori abil saab GTE toota energiat nii elektrimootorite otseseks toiteallikaks kui ka akude reservi loomiseks. Akuabi läheb vaja just õhkutõusmisel.

Kuid kuna elektrimootorite töötamine stardirežiimis kestab vaid paar minutit, ei tohiks energiavaru olla väga suur ning pardal olevad akud võivad olla üsna vastuvõetava suuruse ja kaaluga. Samas puudub gaasiturbiinmootoril igasugune stardirežiim – selle äri on vaikselt elektrit toota.

Seega on erinevalt lennukimootorist hübriidelektrilennuki gaasiturbiinmootor vähem võimas, töökindlam ja keskkonnasõbralikum, lihtsama disainiga, mis tähendab odavamat ja lõpuks suuremat ressurssi.

Puhub tiival

Samas avab üleminek elektrimootoritele tuleviku tsiviillennukite disainis väljavaateid fundamentaalseteks uuendusteks. Üks enim arutatud teemasid on hajutatud elektrijaamade loomine.

Tänapäeval eeldab klassikaline voodripaigutus kahte tõukejõu rakenduspunkti, see tähendab kahte, harva nelja võimsat mootorit, mis ripuvad tiiva all asuvatel püloonidel. Elektrilennukites arvestatakse suure hulga elektrimootorite paigutust piki tiiba, aga ka selle otstes. Miks seda vaja on?

Asi on jällegi õhkutõusmis- ja reisirežiimide erinevuses. Lennuki õhkutõusmisel langeva voolu väikese kiirusega vajab õhusõiduk tõstejõu tekitamiseks suurt tiivapinda. Reisikiirusel jääb lai tiib teele, tekitades liigset tõstejõudu.

Probleem on lahendatud tänu keerulisele mehhaniseerimisele - sissetõmmatavad klapid ja liistud. Väiksemad lennukid, mis tõusevad õhku väikestelt lennuväljadelt ja millel on selleks suured tiivad, on sunnitud lendama mitteoptimaalse rünnakunurgaga, mis toob kaasa täiendava kütusekulu.

Kui aga õhkutõusmisel löövad paljud sõukruviga ühendatud elektrimootorid lisaks tiiba, ei pea seda liiga laiaks tegema. Lennuk tõuseb õhku lühikese õhkutõusmisega ning reisilõigul kitsas tiib probleeme ei tekita. Autot tõmmatakse edasi tõukejõumootoritega käitatavate propellerite abil ning selles etapis tiiba pidi olevad propellerid volditakse või tõmmatakse enne maandumist sisse.

Näiteks võib tuua NASA X-57 Maxwelli projekti. Kontseptsiooni demonstraator on varustatud 14 elektrimootoriga, mis on paigutatud piki tiiba ja tiivaotstele. Kõik need töötavad ainult õhkutõusu ja maandumise ajal. Reisilõikel on kaasatud ainult tiivaotsa mootorid.

Selline mootorite paigutus võimaldab vähendada nendes kohtades tekkivate keeriste negatiivset mõju. Seevastu elektrijaam osutub keeruliseks, mis tähendab, et selle ülalpidamine on kallim ja ka rikete tõenäosus suurem. Üldiselt on teadlastel ja disaineritel, mille üle mõelda.

X-57 Maxwell

Aitab välja vedela lämmastiku

"Elektriline lennuk pakub palju optimeerimisvõimalusi," ütleb Sergei Halperin. - Saate katsetada näiteks tõmbe- ja tõukekruvide kombinatsiooniga. Elektrimootorid on palju soodsamad võrreldes gaasiturbiinmootoritega konvertilennukites, kuna elektrimootori ohutu horisontaalasendisse pööramine ei kujuta endast nii keerulist insenertehnilist probleemi kui traditsiooniliste mootorite puhul.

Elektrilises lennukis saate tagada kõigi süsteemide täieliku integreerimise, luua uue juhtimissüsteemi. Isegi hübriidautod toodavad vähem müra ja heitgaase.

Sarnaselt akudele suureneb ka elektrimootorite mass, maht ja soojuse hajumine võimsuse kasvades. Nende võimsamaks ja kergemaks muutmiseks on vaja uusi tehnoloogiaid.

Kodumaiste hübriidjõusüsteemide arendajate jaoks oli tõeline läbimurre koostöö Venemaa ettevõttega SuperOx, mis on üks viiest suurimast kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse (HTSC) omadustega materjalide tarnijast maailmas. Nüüd arendab SuperOx ülijuhtivatest materjalidest (jahutatud vedela lämmastikuga) valmistatud staatoriga elektrimootoreid.

Need heade lennuomadustega mootorid moodustavad aluse regionaallennuki hübriidelektrijaamale, mis võib järgmise kümnendi keskel tõusta taevasse. Tänavusel MAKSi lennunäitusel esitlesid CIAM-i spetsialistid sellise installatsiooni demonstraatorit võimsusega 10 kW. Kavandatavad lennukid varustatakse hübriidelektrijaamaga, millel on kaks 500 kW mootorit.

"Enne kui rääkida hübriidelektrilennukist," ütleb Halperin, "on vaja katsetada meie paigaldust maa peal ja seejärel lendavas laboris. Loodame, et see on Jak-40. Radari asemel saame auto ninasse panna 500-kilovatise HTSC elektrimootori.

Paigaldame keskmootori asemel sabas turbogeneraatori. Kahest järelejäänud Yaki mootorist piisab meie vaimusünnituse testimiseks laias kõrguste (kuni 8000 m) ja kiiruste (kuni 500 km / h) vahemikus. Ja isegi kui hübriidinstallatsioon ebaõnnestub, saab lennuk ohutult lennu lõpule viia ja maanduda. Näidislabor varustatakse plaani kohaselt 2019. aastal. Testitsükkel on esialgselt kavandatud 2020. aastaks.

Nutikas taevas

Elektri- ja hübriidtõukejõul on maailma suurimate lennukitootjate plaanides oluline koht. Nii näevad välja selle sajandi keskpaiga reisilennunduse põhijooned ettevõtte AIRBUS programmi Smarter Skies järgi.

"Roheline" lend

Tuleviku lennukid projekteeritakse nii, et süsivesinike jalajälg atmosfääris oleks võimalikult väike. Populaarsust koguvad vesinikgaasiturbiinmootorid, hübriidid ja akutoitel täiselektrilised lennukid.

Eeldatakse, et akusid laaditakse keskkonnasõbralikest elektriallikatest. Võimalik on suurte tuuleparkide või päikeseelektrijaamade ilmumine lennuväljade piirkonda.

Vabadus taevas

Intelligentsed liinilaevad koostavad iseseisvalt marsruute, mis põhinevad keskkonnasõbralikkuse ja kütusesäästlikkuse parameetritel, tuginedes ilmastiku- ja atmosfääriandmete analüüsile. Samuti saavad nad koguneda koosseisudesse, näiteks linnuparvedesse, mis vähendab üksikute õhusõidukite takistust formatsioonis ja vähendab energiatarbimist lendudeks.

Pigem maast

Uued tõukejõusüsteemid ja lennuki aerodünaamika võimaldavad neil õhku tõusta piki võimalikult järsu trajektoori, et vähendada müra lennujaama piirkonnas ja jõuda võimalikult kiiresti reisilennu tasemele, kus lennukil on optimaalsed majanduslikud omadused.

Maandumine ilma mootorita

Tuleviku lennukid saavad maanduda libisemisrežiimil. See säästab kütust ja vähendab mürataset lennujaama piirkonnas. Samuti väheneb maandumiskiirus. See lühendab lennuradade pikkust.

Heitgaasi pole

Tuleviku lennujaamad kaotavad täielikult kütust põletavate sisepõlemismootorite kasutamise. Ruleerimiseks varustatakse lainerid elektrimootori ratastega. Alternatiivina - kiired mehitamata elektritraktorid, mis suudavad kiiresti lennukeid perroonilt lennurajale toimetada ja vastupidi.