Er et elektrisk fly et alternativ til moderne luftfart?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Den moderne gassturbinmotoren (turbofan) som driver foringene er selvfølgelig ikke en totakts rattler for hageredskaper, men en svært effektiv og meget pålitelig maskin. Ifølge flyprodusentene er det imidlertid nær oppbrukt reserver for ytterligere forbedring.

Hvorfor er det motorer - alle flyene under konstruksjon er så like hverandre at bare en luftfartsekspert umiddelbart vil skille Boeing eller Airbus fra Bombardier eller MS-21. Og selv om det ikke er den minste tvil om at passasjerfly av moderne type med to gassturbinmotorer under vingene vil rulle oss over himmelen i flere tiår, er store forhåpninger om en ny layout og ny aerodynamikk til fly forbundet med elektrisk fremdrift.

Raskt, men ikke lenge

Inntil nylig ble begrepet "elektrisk fly" forstått som et "mer elektrisk fly" - et fly med fast vinge, der de mekaniske og hydrauliske transmisjonene ble erstattet maksimalt av de elektriske.

Ikke flere rør og kabler - alt mekanisk arbeid, som å drive rorene og mekanisere vingen, utføres av små elektriske motorer-aktuatorer, som forsynes med strøm og en kanal for styresignalet. Nå har begrepet blitt fylt med en ny betydning: et ekte elektrisk fly må selv bevege seg på elektrisk trekkraft.

Selvfølgelig avhenger utsiktene for elektrisk luftfart ikke bare (og ikke engang så mye) av flydesignere som av fremgang innen elektroteknikk. Tross alt eksisterer fly, som de sier, "på batterier". Elektriske hjelpemotorer ble installert på seilfly for flere tiår siden.

Extra 330LE, som først fløy i 2016, har allerede seilfly og setter fartsrekorder. Men dens blokk med 14 kraftige litium-ion-batterier og en elektrisk motor fra Siemens lar denne babyen ta om bord kun to personer, inkludert piloten, og holde seg i luften i ikke lenger enn 20 minutter.

Ekstra 330LE

Selvfølgelig er det prosjekter med mye mer imponerende indikatorer. I september i fjor kunngjorde det britiske lavprisflyselskapet EasyJet at det om ti år vil lansere en helelektrisk regional linjefart (rekkevidde på 540 km, som er ganske mye for flyvninger innen Europa) med en kapasitet på 180 passasjerer.

Den amerikanske startupen Wright Electric, som allerede har bygget en to-seters flygende demonstrator, har blitt partner i prosjektet. Men i dag er energitettheten til de beste litium-ion-batteriene mer enn en størrelsesorden dårligere enn hydrokarbondrivstoff. Det antas at batterier innen 2030 vil forbedre ytelsen med maksimalt to ganger.

Turbin, bli

Situasjonen med brenselceller ser mye mer fordelaktig ut, der den kjemiske energien til drivstoffet omdannes til elektrisk energi direkte, og omgår forbrenningsprosessen.

Hydrogen anses å være det mest lovende drivstoffet for en slik kraftkilde. Eksperimenter med brenselceller som strømkilde for et elektrisk fly utføres i forskjellige land i verden (i Russland jobber CIAM først og fremst med prosjekter for å lage slike fly, og brenselceller for dem lages ved IPCP RAS under veiledning av professor Yuri Dobrovolsky).

Fra de flygende og bemannede konseptene kan man minne om den europeiske demonstratoren ENFICA-FC Rapid 200FC – den brukte både elektriske batterier og brenselceller samtidig. Men denne teknologien trenger også betydelig forbedring og ytterligere forskning.

De mest realistiske utsiktene for i dag ser ut til å være utsiktene for elektriske fly bygget etter hybridordningen. Dette betyr at propellen til flyet (propell eller propfan) vil bli drevet av en elektrisk motor, men den vil motta strøm fra en generator som roteres … av en gassturbinmotor (eller annen forbrenningsmotor). Ved første øyekast virker en slik ordning merkelig: de ønsker å forlate GTE til fordel for den elektriske motoren, men de kommer ikke til å gjøre dette.

Det er allerede en del hybridprosjekter i verden, men vi er først og fremst interessert i Russland. Arbeid på et elektrisk fly, spesielt med en hybridordning, ble utført i forskjellige vitenskapelige institutter av luftfartsprofilen, for eksempel TsAGI eller TsIAM.

I dag har disse og noen andre institusjoner vært forent (siden 2014) i regi av Forskningssenteret "Institut navngitt etter N. Ye. Zhukovsky", designet for å bli en enkelt kraftig "hjernetillit" i industrien. Oppgaven med å integrere alt arbeid med elektrisk luftfart i senteret er tildelt Sergei Galperin, som vi allerede siterte i begynnelsen av artikkelen.

Batteridrevet start

"Overgangen til elektriske motorer i luftfart åpner for mange interessante perspektiver," sier Sergei Halperin, "men det er ingen grunn til å regne med etableringen av et kommersielt elektrisk fly med en anstendig rekkevidde for russiske forhold på rent kjemiske energikilder (batterier eller brenselceller) i nær fremtid: energipotensialet skiller seg for mye mellom et kilo parafin og et kilo batterier. Et hybriddesign kan være et rimelig kompromiss. Det må forstås at en gassturbinmotor som direkte skaper skyvekraft og en gassturbinmotor som vil sette generatorakselen i bevegelse ikke er det samme.

Faktum er at energibehovet til flyet endrer seg betydelig under flyturen. Ved start utvikler flymotoren kraft nær maksimum, og under cruising (det vil si for det meste av flyturen) reduseres flyets strømforbruk med 5-6 ganger.

Dermed må et tradisjonelt kraftverk kunne operere i et bredt spekter av moduser (ikke alltid optimalt fra et økonomisk synspunkt) og raskt bytte fra en til en annen. Ingenting av den typen kreves av en gassturbinmotor i en hybridinstallasjon. Det vil ligne gassturbiner i kraftverk, som alltid opererer i samme, mest økonomisk fordelaktige modus. De har jobbet i årevis uten å stoppe."

Ce-liner

Ved hjelp av en generator vil GTE kunne generere energi for direkte strømforsyning av elektriske motorer, samt for å lage en reserve i batterier. Batterihjelp vil være nødvendig akkurat ved start.

Men siden driften av elektriske motorer i startmodus vil vare bare noen få minutter, bør energireserven ikke være veldig stor, og batteriene om bord kan være ganske akseptable i størrelse og vekt. Samtidig vil gassturbinmotoren ikke ha noe startregime - dens virksomhet er å stille generering av elektrisitet.

I motsetning til en flymotor vil således en gassturbinmotor i et hybrid elektrisk fly være mindre kraftig, mer pålitelig og miljøvennlig, enklere i utformingen, noe som betyr billigere og til slutt vil ha en større ressurs.

Blåser på vingen

Samtidig åpner overgangen til elektriske motorer for muligheter for grunnleggende innovasjoner i utformingen av fremtidens sivile fly. Et av de mest diskuterte temaene er etableringen av distribuerte kraftverk.

I dag forutsetter den klassiske liner-oppsettet to punkter for skyvepåføring, det vil si to, sjelden fire, kraftige motorer som henger på pyloner under vingen. I elektriske fly vurderes utformingen av et stort antall elektriske motorer langs vingen, så vel som i endene. Hvorfor er dette nødvendig?

Poenget er igjen i forskjellen mellom start- og cruisemodus. Ved start med lav hastighet av den hendende strømmen trenger et fly et stort vingeområde for å skape løft. I marsjfart kommer den brede vingen i veien og skaper overflødig løft.

Problemet er løst på grunn av kompleks mekanisering - uttrekkbare klaffer og lameller. Mindre fly, som tar av fra små flyplasser og har store vinger for dette, blir tvunget til å cruise med en suboptimal angrepsvinkel, noe som fører til mer drivstofforbruk.

Men hvis mange elektriske motorer koblet til propellene ved start i tillegg vil blåse vingen, trenger den ikke gjøres for bred. Flyet vil ta av med kort start, og på cruisingseksjonen vil ikke en smal vinge skape problemer. Bilen vil bli trukket frem av propeller drevet av fremdriftsmotorene, og propellene langs vingen vil på dette stadiet brettes eller trekkes tilbake før landing.

Et eksempel er NASAs X-57 Maxwell-prosjekt. Konseptdemonstratoren er utstyrt med 14 elektriske motorer plassert langs vingen og på vingespissene. Alle fungerer bare under start og landing. På cruising-seksjonen er kun vingespissmotorer involvert.

Slik plassering av motorer gjør det mulig å redusere den negative påvirkningen av virvler som oppstår på disse stedene. På den annen side viser kraftverket seg å være komplekst, noe som gjør at det er dyrere å vedlikeholde og sannsynligheten for feil også er høyere. Generelt har forskere og designere noe å tenke på.

X-57 Maxwell

Vil hjelpe flytende nitrogen

"Et elektrisk fly gir mange muligheter for optimalisering," sier Sergei Halperin. – Du kan eksperimentere for eksempel med en kombinasjon av trekk- og skyvskruer. Elektriske motorer er mye mer fordelaktige sammenlignet med gassturbinmotorer i konvertiplaner, siden sikker rotasjon av den elektriske motoren til horisontal posisjon ikke utgjør et så komplekst ingeniørproblem som i tilfellet med tradisjonelle motorer.

I et elektrisk fly kan du sikre full integrasjon av alle systemer, lage et nytt kontrollsystem. Selv hybridbiler vil produsere mindre støy og utslipp.»

I likhet med batterier øker elektriske motorer i masse, volum og varmespredning ettersom kraften øker. Ny teknologi er nødvendig for å gjøre dem kraftigere og lettere.

For innenlandske utviklere av hybride fremdriftssystemer var et reelt gjennombrudd samarbeidet med det russiske selskapet SuperOx, en av de fem største leverandørene av materialer med høytemperatursuperledningsegenskaper (HTSC) i verden. Nå utvikler SuperOx elektriske motorer med en stator laget av superledende materialer (avkjølt med flytende nitrogen).

Disse motorene med gode luftfartsegenskaper vil danne grunnlaget for et hybridkraftverk for et regionalt fly, som kan komme til himmels i midten av neste tiår. I år, på MAKS-luftmessen, presenterte CIAM-spesialister en demonstrator av en slik installasjon med en kapasitet på 10 kW. Det planlagte flyet vil utstyres med et hybridkraftverk med to 500 kW-motorer hver.

"Før vi snakker om et hybrid elektrisk fly," sier Halperin, "er det nødvendig å teste installasjonen vår på bakken og deretter i et flygende laboratorium. Vi håper det blir Yak-40. I stedet for en radar kan vi sette en 500 kilowatt HTSC elektrisk motor i nesen på bilen.

Vi skal installere en turbogenerator i halen i stedet for sentralmotoren. De to gjenværende Yak-motorene vil være nok til å teste hjernen vår i et bredt spekter av høyder (opptil 8000 m) og hastigheter (opptil 500 km/t). Og selv om hybridinstallasjonen mislykkes, kan flyet trygt fullføre flyturen og lande. Demonstrasjonslaboratoriet skal utstyres etter planen i 2019. Testsyklusen er foreløpig planlagt til 2020.

Smart himmel

Elektrisk og hybrid fremdrift inntar en betydelig plass i planene til verdens største flyprodusenter. Slik ser hovedtrekkene ved passasjerluftfart ut på midten av dette århundret i følge Smarter Skies-programmet til AIRBUS-selskapet.

"Grønn" flytur

Fremtidens fly vil bli designet for å minimere hydrokarbonfotavtrykket i atmosfæren. Hydrogengassturbinmotorer, hybrider og batteridrevne helelektriske fly vil få popularitet.

Det antas at batteriene skal lades opp fra miljøvennlige strømkilder. Utseendet til store vindparker eller solkraftverk i området av flyplasser er mulig.

Frihet i himmelen

Intelligente liners vil uavhengig plotte ruter basert på miljøvennlighet og drivstoffeffektivitetsparametere basert på analyse av vær- og atmosfæriske data. De vil også kunne samles i formasjoner som fugleflokker, noe som vil redusere luftmotstanden for individuelle fly i formasjonen og redusere energiforbruket for flyging.

Heller fra bakken

Nye fremdriftssystemer og flyaerodynamikk vil tillate dem å ta av langs en brattest mulig bane for å redusere støy i flyplassområdet og nå marsjfartnivået så raskt som mulig, hvor flyet viser optimale økonomiske egenskaper.

Landing uten motor

Fremtidens fly vil kunne lande i glidemodus. Dette vil spare drivstoff og redusere støynivået på flyplassområdet. Landingshastigheten vil også avta. Dette vil forkorte lengden på rullebanene.

Ingen eksos

Fremtidens flyplasser vil fullstendig eliminere bruken av forbrenningsmotorer som brenner drivstoff. For taksing vil foringene utstyres med elektriske motorhjul. Som et alternativ - høyhastighets ubemannede elektriske traktorer, som raskt vil kunne levere fly fra forkleet til rullebanen og omvendt.