Är ett elektriskt plan ett alternativ till modern flyg?

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Den moderna gasturbinmotorn (turbofläkt) som driver linersen är naturligtvis ingen tvåtakts rattlare för trädgårdsredskap, utan en mycket effektiv och mycket pålitlig maskin. Men enligt flygplanstillverkarna är det nära att ta ut reserverna för ytterligare förbättringar.

Varför finns det motorer - alla flygplan under konstruktion är så lika varandra att endast en flygexpert omedelbart kommer att skilja Boeing eller Airbus från Bombardier eller MS-21. Och även om det inte finns det minsta tvivel om att flygplan av modern typ med två gasturbinmotorer under vingarna kommer att rulla oss över himlen i decennier, är stora förhoppningar om en ny layout och ny aerodynamik hos flygplan förknippade med elektrisk framdrivning.

Snabbt, men inte länge

Fram till nyligen uppfattades termen "elektriska flygplan" som ett "mer elektriskt flygplan" - ett flygplan med fast vinge, där de mekaniska och hydrauliska transmissionerna ersattes maximalt av de elektriska.

Inga fler rör och kablar - allt mekaniskt arbete, som att driva roderen och mekanisera vingen, utförs av små elmotorer-ställdon, som förses med kraft och en kanal för styrsignalen. Nu har termen fyllts med en ny innebörd: ett äkta elektriskt plan måste själv röra sig på elektrisk dragkraft.

Naturligtvis beror utsikterna för elflyg inte bara (och inte ens så mycket) på flygplanskonstruktörer som på framsteg inom området för elektroteknik. När allt kommer omkring, flygplan, som de säger, "på batterier" existerar. Elmotorer installerades på segelflygplan för flera decennier sedan.

Extra 330LE, som flög första gången 2016, bär redan segelflygplan och sätter hastighetsrekord. Men dess block med 14 kraftfulla litiumjonbatterier och en elmotor från Siemens gör att den här bebisen bara kan ta ombord två personer, inklusive piloten, och stanna i luften i högst 20 minuter.

Extra 330LE

Naturligtvis finns det projekt med mycket mer imponerande indikatorer. I september förra året meddelade det brittiska lågprisflygbolaget EasyJet att man om tio år lanserar ett helt elektriskt regionalt linjefartyg (räckvidd på 540 km, vilket är ganska mycket för flyg inom Europa) med en kapacitet på 180 passagerare.

Den amerikanska startupen Wright Electric, som redan har byggt en flygande demonstrator med två säten, har blivit partner i projektet. Men idag är energitätheten för de bästa litiumjonbatterierna mer än en storleksordning sämre än kolvätebränslen. Det antas att batterier år 2030 kommer att förbättra sin prestanda med maximalt två gånger.

Turbin, stanna

Situationen med bränsleceller ser mycket mer fördelaktig ut, där bränslets kemiska energi omvandlas till elektrisk energi direkt och går förbi förbränningsprocessen.

Vätgas anses vara det mest lovande bränslet för en sådan kraftkälla. Experiment med bränsleceller som kraftkälla för ett elektriskt plan genomförs i olika länder i världen (i Ryssland arbetar CIAM främst med projekt för att skapa sådana flygplan, och bränsleceller för dem skapas vid IPCP RAS under vägledning av professor Yuri Dobrovolsky).

Från de flygande och bemannade koncepten kan man minnas den europeiska demonstratorn ENFICA-FC Rapid 200FC - den använde både elektriska batterier och bränsleceller samtidigt. Men denna teknik behöver också betydande förbättringar och ytterligare forskning.

De mest realistiska utsikterna för idag verkar vara utsikterna för elflygplan byggda enligt hybridschemat. Det betyder att flygplanets propeller (propeller eller propfan) kommer att drivas av en elmotor, men den kommer att få elektricitet från en generator som roteras … av en gasturbinmotor (eller annan förbränningsmotor). Vid första anblicken verkar ett sådant system konstigt: de vill överge GTE till förmån för elmotorn, men de kommer inte att göra detta.

Det finns redan en hel del hybridprojekt i världen, men vi är främst intresserade av Ryssland. Arbete på ett elektriskt plan, särskilt med ett hybridsystem, utfördes i olika vetenskapliga institut för flygprofilen, som TsAGI eller TsIAM.

Idag har dessa och några andra institutioner förenats (sedan 2014) under överinseende av forskningscentret "Institutet namngivet efter N. Ye. Zhukovsky", utformat för att bli en enda kraftfull "hjärnförtroende" för branschen. Uppgiften att integrera allt arbete med elektrisk luftfart inom centrum är tilldelat Sergei Galperin, som vi redan citerade i början av artikeln.

Batteridrivet start

"Övergången till elektriska motorer inom flyget öppnar upp för många intressanta möjligheter", säger Sergei Halperin, "men det finns ingen anledning att räkna med skapandet av ett kommersiellt elektriskt flygplan med en anständig räckvidd för ryska förhållanden på rent kemiska energikällor (batterier eller bränsleceller) inom en snar framtid: energipotentialen skiljer sig för mycket mellan ett kilogram fotogen och ett kilogram batterier. En hybriddesign kan vara en rimlig kompromiss. Det måste förstås att en gasturbinmotor som direkt skapar dragkraft och en gasturbinmotor som kommer att sätta igång generatoraxeln inte alls är samma sak.

Faktum är att flygplanets energibehov förändras avsevärt under flygningen. Vid start utvecklar flygplansmotorn kraft nära sitt maximum, och under cruising (det vill säga under större delen av flygningen) minskas flygplanets energiförbrukning med 5-6 gånger.

Således måste ett traditionellt kraftverk kunna fungera i ett brett spektrum av lägen (inte alltid optimalt ur ekonomisk synvinkel) och snabbt växla från ett till ett annat. Inget sådant krävs av en gasturbinmotor i en hybridinstallation. Det kommer att likna gasturbiner i kraftverk, som alltid fungerar i samma, mest ekonomiskt fördelaktiga läge. De har jobbat i flera år utan att sluta."

Ce-liner

Med hjälp av en generator kommer GTE:n att kunna generera energi för direkt strömförsörjning av elmotorer, samt för att skapa en reserv i batterier. Batterihjälp kommer att behövas precis vid start.

Men eftersom driften av elmotorer i startläge bara kommer att vara några minuter, bör energireserven inte vara särskilt stor och batterierna ombord kan vara ganska acceptabla i storlek och vikt. Samtidigt kommer gasturbinmotorn inte att ha någon startregim - dess verksamhet är att tyst generera el.

Till skillnad från en flygplansmotor kommer alltså en gasturbinmotor i ett hybridelflygplan att vara mindre kraftfull, mer pålitlig och miljövänlig, enklare i design, vilket innebär billigare och slutligen ha en större resurs.

Blåser på vingen

Samtidigt öppnar övergången till elmotorer möjligheter för grundläggande innovationer i designen av framtidens civila flygplan. Ett av de mest diskuterade ämnena är skapandet av distribuerade kraftverk.

Idag förutsätter den klassiska linerlayouten två dragkraftsapplikationer, det vill säga två, sällan fyra, kraftfulla motorer som hänger på pyloner under vingen. I elektriska flygplan beaktas layouten av ett stort antal elmotorer längs vingen, såväl som vid dess ändar. Varför behövs detta?

Poängen ligger återigen i skillnaden mellan start- och kryssningslägen. Vid start med låg hastighet av det infallande flödet behöver ett flygplan ett stort vingområde för att skapa lyft. I marschfart kommer den breda vingen i vägen och skapar överskottslyft.

Problemet är löst på grund av komplex mekanisering - infällbara klaffar och lameller. Mindre flygplan, som lyfter från små flygfält och har stora vingar för detta, tvingas kryssa med en suboptimal anfallsvinkel, vilket leder till ytterligare bränsleförbrukning.

Men om många elmotorer som är anslutna till propellrarna vid start kommer att blåsa vingen, behöver den inte göras för bred. Planet kommer att lyfta med en kort start, och på kryssningssektionen kommer en smal vinge inte att skapa problem. Bilen kommer att dras framåt av propellrar som drivs av framdrivningsmotorerna, och propellrarna längs vingen kommer i detta skede att vikas eller dras in innan landning.

Ett exempel är NASA:s X-57 Maxwell-projekt. Konceptdemonstratorn är utrustad med 14 elmotorer placerade längs vingen och på vingspetsarna. Alla fungerar endast under start och landning. På kryssningssektionen är endast vingspetsmotorer inblandade.

Sådan placering av motorer gör det möjligt att minska den negativa påverkan av virvlar som uppstår på dessa platser. Däremot visar sig kraftverket vara komplext, vilket gör att det är dyrare att underhålla och sannolikheten för haverier är också högre. I allmänhet har forskare och designers något att tänka på.

X-57 Maxwell

Hjälper till flytande kväve

"Ett elektriskt plan ger många möjligheter till optimering", säger Sergei Halperin. – Man kan experimentera till exempel med en kombination av drag- och tryckskruvar. Elmotorer är mycket mer fördelaktiga jämfört med gasturbinmotorer i konvertiplan, eftersom den säkra rotationen av elmotorn till ett horisontellt läge inte utgör ett så komplext tekniskt problem som i fallet med traditionella motorer.

I ett elektriskt plan kan du säkerställa full integration av alla system, skapa ett nytt kontrollsystem. Även hybridbilar kommer att producera mindre buller och utsläpp.”

Liksom batterier ökar elmotorer i massa, volym och värmeavledning när effekten ökar. Ny teknik krävs för att göra dem kraftfullare och lättare.

För inhemska utvecklare av hybridframdrivningssystem var ett verkligt genombrott samarbetet med det ryska företaget SuperOx, en av de fem största leverantörerna av material med högtemperatursupraledningsegenskaper (HTSC) i världen. Nu utvecklar SuperOx elmotorer med en stator gjord av supraledande material (kyld med flytande kväve).

Dessa motorer med goda flygegenskaper kommer att utgöra grunden för ett hybridkraftverk för ett regionalt flygplan, som kan komma till skyarna i mitten av nästa decennium. I år, på MAKS-flygmässan, presenterade CIAM-specialister en demonstrator av en sådan installation med en kapacitet på 10 kW. Det planerade flygplanet kommer att utrustas med ett hybridkraftverk med två 500 kW-motorer vardera.

"Innan vi pratar om ett elektriskt hybridflygplan", säger Halperin, "är det nödvändigt att testa vår installation på marken och sedan i ett flygande laboratorium. Vi hoppas att det blir Yak-40. Istället för en radar kan vi sätta en 500 kilowatts HTSC-elmotor i nosen på bilen.

Vi kommer att installera en turbogenerator i svansen istället för centralmotorn. De två återstående Yak-motorerna kommer att räcka för att testa vår idé i ett brett spektrum av höjder (upp till 8000 m) och hastigheter (upp till 500 km/h). Och även om hybridinstallationen misslyckas, kan planet säkert slutföra flygningen och landa. Demonstrationslaboratoriet kommer att utrustas enligt plan 2019. Testcykeln är preliminärt planerad till 2020.

Smarta himlar

Elektrisk och hybrid framdrivning intar en betydande plats i planerna för världens största flygplanstillverkare. Så här ser huvuddragen ut för passagerarflyget i mitten av detta århundrade enligt AIRBUS-bolagets Smarter Skies-program.

"Grön" flygning

Framtidens flygplan kommer att designas för att minimera kolväteavtrycket i atmosfären. Vätgasgasturbinmotorer, hybrider och batteridrivna helelektriska flygplan kommer att vinna popularitet.

Det antas att batterierna ska laddas från miljövänliga elkällor. Uppkomsten av stora vindkraftsparker eller solkraftverk i området kring flygfält är möjligt.

Frihet i himlen

Intelligenta liners kommer självständigt att rita rutter baserat på miljövänlighet och bränsleeffektivitetsparametrar baserat på analys av väder- och atmosfäriska data. De kommer också att kunna samlas i formationer som fågelflockar, vilket kommer att minska luftmotståndet för enskilda flygplan i formationen och minska energiförbrukningen för flygning.

Snarare från marken

Nya framdrivningssystem och flygplans aerodynamik kommer att göra det möjligt för dem att lyfta längs den brantaste möjliga banan för att minska bullret i flygplatsområdet och så snart som möjligt nå marschnivån, där flygplanet uppvisar optimala ekonomiska egenskaper.

Landning utan motor

Framtidens plan kommer att kunna landa i glidläge. Detta kommer att spara bränsle och minska bullernivåerna på flygplatsområdet. Landningshastigheten kommer också att minska. Detta kommer att förkorta längden på banorna.

Inget avgassystem

Framtidens flygplatser kommer helt att eliminera användningen av förbränningsmotorer som förbränner bränsle. För taxning kommer linersen att förses med elmotorhjul. Som ett alternativ - höghastighets obemannade elektriska traktorer, som snabbt kommer att kunna leverera flygplan från förklädet till landningsbanan och vice versa.