Czy samolot elektryczny jest alternatywą dla nowoczesnego lotnictwa?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Nowoczesny silnik z turbiną gazową (turbofan), który napędza tuleje, to oczywiście nie dwusuwowa grzechotka do narzędzi ogrodniczych, ale bardzo wydajna i bardzo niezawodna maszyna. Jednak według producentów samolotów jest to bliskie wyczerpania rezerw na dalsze usprawnienia.

Dlaczego są silniki – wszystkie budowane samoloty są do siebie tak podobne, że tylko znawca lotnictwa od razu odróżni Boeinga czy Airbusa od Bombardiera czy MS-21. I choć nie ma najmniejszej wątpliwości, że współczesne samoloty pasażerskie z dwoma silnikami z turbiną gazową pod skrzydłami będą przez dziesięciolecia toczyć nas po niebie, to z napędem elektrycznym wiążą się duże nadzieje na nowy układ i nową aerodynamikę samolotów.

Szybko, ale nie na długo

Do niedawna pod pojęciem „samolot elektryczny” rozumiano „samolot bardziej elektryczny” – samolot ze stałym skrzydłem, w którym przekładnie mechaniczne i hydrauliczne zostały w maksymalnym stopniu zastąpione elektrycznymi.

Koniec z rurami i kablami - wszystkie prace mechaniczne, takie jak napędzanie sterów i mechanizacja skrzydła, wykonują małe silniki elektryczne-siłowniki, które są zasilane energią i kanałem dla sygnału sterującego. Teraz termin ten nabrał nowego znaczenia: prawdziwy samolot elektryczny musi sam poruszać się po trakcji elektrycznej.

Oczywiście perspektywy dla lotnictwa elektrycznego zależą nie tylko (i nie tak bardzo) od konstruktorów samolotów, ale od postępu w dziedzinie elektrotechniki. W końcu samoloty, jak mówią, „na bateriach” istnieją. Pomocnicze silniki elektryczne były instalowane na szybowcach kilkadziesiąt lat temu.

Extra 330LE, który po raz pierwszy poleciał w 2016 roku, ma już szybowce i ustanawia rekordy prędkości. Ale jego blok złożony z 14 potężnych akumulatorów litowo-jonowych i silnik elektryczny firmy Siemens pozwalają temu dziecku zabrać na pokład tylko dwie osoby, w tym pilota, i pozostać w powietrzu nie dłużej niż 20 minut.

Dodatkowe 330LE

Oczywiście są projekty o znacznie bardziej imponujących wskaźnikach. We wrześniu zeszłego roku brytyjska tania linia lotnicza EasyJet ogłosiła, że za dziesięć lat uruchomi całkowicie elektryczny regionalny liniowiec (zasięg 540 km, co jest całkiem spory jak na loty wewnątrzeuropejskie) o pojemności 180 pasażerów.

Partnerem projektu został amerykański startup Wright Electric, który zbudował już dwumiejscowy latający demonstrator. Jednak dzisiaj gęstość energii najlepszych akumulatorów litowo-jonowych jest o ponad rząd wielkości gorsza od paliw węglowodorowych. Zakłada się, że do 2030 r. akumulatory poprawią swoją wydajność maksymalnie dwukrotnie.

Turbino, zostań

Znacznie korzystniej wygląda sytuacja z ogniwami paliwowymi, w których energia chemiczna paliwa zamieniana jest bezpośrednio na energię elektryczną z pominięciem procesu spalania.

Za najbardziej obiecujące paliwo dla takiego źródła energii uważa się wodór. Eksperymenty z ogniwami paliwowymi jako źródłem zasilania dla samolotu elektrycznego prowadzone są w różnych krajach świata (w Rosji CIAM pracuje przede wszystkim nad projektami stworzenia takich samolotów, a ogniwa paliwowe do nich powstają w IPCP RAS w ramach pod kierunkiem profesora Jurija Dobrowolskiego).

Z konceptów latających i załogowych można przywołać europejski demonstrator ENFICA-FC Rapid 200FC – wykorzystywał on jednocześnie akumulatory elektryczne i ogniwa paliwowe. Ale ta technologia wymaga również znacznej poprawy i dodatkowych badań.

Najbardziej realistyczne perspektywy na dzień dzisiejszy wydają się być perspektywy dla samolotów elektrycznych budowanych w schemacie hybrydowym. Oznacza to, że śmigło samolotu (śmigło lub śmigło) będzie napędzane silnikiem elektrycznym, ale prąd będzie pobierał z generatora obracanego… przez silnik turbogazowy (lub inny silnik spalinowy). Na pierwszy rzut oka taki schemat wydaje się dziwny: chcą zrezygnować z GTE na rzecz silnika elektrycznego, ale tego nie zrobią.

Na świecie jest już sporo projektów hybrydowych, ale interesuje nas przede wszystkim Rosja. Prace nad samolotem elektrycznym, w szczególności o schemacie hybrydowym, prowadzono w różnych instytutach naukowych o profilu lotniczym, takich jak TsAGI czy TsIAM.

Dziś te i niektóre inne instytucje zostały zjednoczone (od 2014 r.) Pod auspicjami Centrum Badawczego „Instytut im. N. Je. Żukowskiego”, mającego stać się jednym potężnym „zaufaniem mózgów” branży. Zadanie zintegrowania wszystkich prac nad lotnictwem elektrycznym w ramach centrum powierzono Siergiejowi Galperinowi, którego cytowaliśmy już na początku artykułu.

Start zasilany z baterii

„Przejście na silniki elektryczne w lotnictwie otwiera wiele interesujących perspektyw”, mówi Siergiej Halperin, „ale nie ma powodu, aby liczyć na stworzenie komercyjnego samolotu elektrycznego o przyzwoitym zasięgu jak na rosyjskie warunki na czysto chemicznych źródłach energii (baterii lub ogniw paliwowych) w najbliższej przyszłości: potencjał energetyczny za bardzo różni się od kilograma nafty od kilograma baterii. Projekt hybrydowy mógłby być rozsądnym kompromisem. Należy rozumieć, że silnik turbogazowy, który bezpośrednio wytwarza ciąg, i silnik turbogazowy, który wprawia w ruch wał generatora, to wcale nie to samo.

Faktem jest, że wymagania energetyczne samolotu zmieniają się znacznie podczas lotu. Podczas startu silnik samolotu rozwija moc bliską maksimum, a podczas lotu (czyli przez większość lotu) zużycie energii przez samolot zmniejsza się 5-6 razy.

Zatem tradycyjna elektrownia musi być w stanie pracować w szerokim zakresie trybów (nie zawsze optymalnych z ekonomicznego punktu widzenia) i szybko przełączać się z jednego na drugi. Od silnika turbogazowego w instalacji hybrydowej niczego takiego nie wymaga. Będzie podobny do turbin gazowych elektrowni, które zawsze pracują w tym samym, najbardziej korzystnym ekonomicznie trybie. Pracują od lat bez przerwy.”

Ce-liner

Za pomocą generatora GTE będzie w stanie generować energię do bezpośredniego zasilania silników elektrycznych, a także do tworzenia rezerwy w akumulatorach. Pomoc bateryjna będzie potrzebna tuż przy starcie.

Ale ponieważ praca silników elektrycznych w trybie startu potrwa tylko kilka minut, rezerwa energii nie powinna być bardzo duża, a akumulatory na pokładzie mogą mieć całkiem akceptowalny rozmiar i wagę. Jednocześnie turbina gazowa nie będzie miała żadnego reżimu startowego - jego zadaniem jest ciche wytwarzanie energii elektrycznej.

Tak więc, w przeciwieństwie do silnika lotniczego, silnik turbogazowy w hybrydowym samolocie elektrycznym będzie mniej wydajny, bardziej niezawodny i przyjazny dla środowiska, prostszy w konstrukcji, co oznacza, że będzie tańszy i ostatecznie będzie miał większe zasoby.

Dmuchanie w skrzydło

Jednocześnie przejście na silniki elektryczne otwiera perspektywy na fundamentalne innowacje w projektowaniu cywilnych samolotów przyszłości. Jednym z najczęściej poruszanych tematów jest tworzenie elektrowni rozproszonych.

Dziś klasyczny układ liniowy zakłada dwa punkty przyłożenia ciągu, czyli dwa, rzadko cztery, potężne silniki zawieszone na pylonach pod skrzydłem. W samolotach elektrycznych rozważa się rozmieszczenie dużej liczby silników elektrycznych wzdłuż skrzydła, a także na jego końcach. Dlaczego jest to potrzebne?

Znowu chodzi o różnicę między trybami startu i rejsu. Podczas startu z małą prędkością przepływu, samolot potrzebuje dużej powierzchni skrzydeł, aby wytworzyć siłę nośną. Przy prędkości przelotowej szerokie skrzydło przeszkadza, tworząc nadmiar siły nośnej.

Problem został rozwiązany dzięki złożonej mechanizacji - wysuwane klapy i listwy. Mniejsze samoloty, startujące z małych lotnisk i mające do tego duże skrzydła, zmuszone są do lotu z nieoptymalnym kątem natarcia, co prowadzi do dodatkowego zużycia paliwa.

Ale jeśli podczas startu wiele silników elektrycznych połączonych ze śmigłami dodatkowo wydmucha skrzydło, nie będzie musiało być ono zbyt szerokie. Samolot wystartuje krótkim startem, a na odcinku przelotowym wąskie skrzydło nie sprawi problemów. Samochód będzie ciągnięty do przodu przez śmigła napędzane silnikami napędowymi, a śmigła wzdłuż skrzydła na tym etapie zostaną złożone lub schowane przed lądowaniem.

Przykładem jest projekt NASA X-57 Maxwell. Demonstrator koncepcji jest wyposażony w 14 silników elektrycznych umieszczonych wzdłuż skrzydła i na końcówkach skrzydeł. Wszystkie działają tylko podczas startu i lądowania. W sekcji przelotowej zaangażowane są tylko silniki końcówek skrzydeł.

Takie rozmieszczenie silników pozwala zredukować negatywny wpływ wirów powstających w tych miejscach. Z drugiej strony elektrownia okazuje się skomplikowana, co oznacza, że jest droższa w utrzymaniu, a także większe prawdopodobieństwo awarii. Generalnie naukowcy i projektanci mają o czym myśleć.

X-57 Maxwell

Pomoże ciekły azot

„Samolot elektryczny daje wiele możliwości optymalizacji”, mówi Siergiej Halperin. - Możesz eksperymentować na przykład z kombinacją śrub ciągnących i pchających. Silniki elektryczne są znacznie korzystniejsze w porównaniu z silnikami turbinowymi gazowymi w konwersjach, ponieważ bezpieczny obrót silnika elektrycznego do pozycji poziomej nie stanowi tak złożonego problemu inżynierskiego jak w przypadku silników tradycyjnych.

W samolocie elektrycznym możesz zapewnić pełną integrację wszystkich systemów, stworzyć nowy system sterowania. Nawet samochody hybrydowe będą wytwarzać mniej hałasu i emisji.”

Podobnie jak akumulatory, silniki elektryczne zwiększają masę, objętość i rozpraszanie ciepła wraz ze wzrostem mocy. Potrzebne są nowe technologie, aby uczynić je potężniejszymi i lżejszymi.

Dla krajowych twórców hybrydowych układów napędowych prawdziwym przełomem była współpraca z rosyjską firmą SuperOx, jednym z pięciu największych dostawców materiałów o właściwościach nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (HTSC) na świecie. Teraz SuperOx opracowuje silniki elektryczne ze stojanem wykonanym z materiałów nadprzewodzących (chłodzonych ciekłym azotem).

Silniki te o dobrych parametrach lotniczych będą stanowić podstawę elektrowni hybrydowej dla samolotu regionalnego, który może wzbić się w powietrze w połowie następnej dekady. W tym roku na pokazach lotniczych MAKS specjaliści CIAM zaprezentowali demonstrator takiej instalacji o mocy 10 kW. Planowany samolot będzie wyposażony w hybrydową elektrownię z dwoma silnikami o mocy 500 kW każdy.

„Zanim zaczniemy mówić o hybrydowym samolocie elektrycznym”, mówi Halperin, „należy przetestować naszą instalację na ziemi, a następnie w latającym laboratorium. Mamy nadzieję, że będzie to Jak-40. Zamiast radaru możemy umieścić w nosie samochodu 500-kilowatowy silnik elektryczny HTSC.

Zamontujemy turbogenerator w ogonie zamiast silnika centralnego. Dwa pozostałe silniki Jaka wystarczą do przetestowania naszego pomysłu w szerokim zakresie wysokości (do 8000 m) i prędkości (do 500 km/h). A nawet jeśli instalacja hybrydowa zawiedzie, samolot może bezpiecznie dokończyć lot i wylądować.” Laboratorium demonstracyjne zostanie wyposażone zgodnie z planem w 2019 roku. Cykl testów jest wstępnie zaplanowany na 2020 rok.

Inteligentne niebo

Napęd elektryczny i hybrydowy zajmuje znaczące miejsce w planach największych światowych producentów samolotów. Tak wyglądają główne cechy lotnictwa pasażerskiego połowy tego stulecia według programu Smarter Skies firmy AIRBUS.

„Zielony” lot

Samolot przyszłości zostanie zaprojektowany tak, aby zminimalizować ślad węglowy w atmosferze. Popularność zyskają silniki z turbiną wodorową, hybrydy i samoloty w pełni elektryczne zasilane bateriami.

Zakłada się, że baterie będą ładowane z przyjaznych dla środowiska źródeł energii elektrycznej. Możliwe jest pojawienie się na terenie lotnisk dużych farm wiatrowych czy elektrowni słonecznych.

Wolność na niebie

Inteligentne liniowce będą niezależnie wyznaczać trasy w oparciu o parametry przyjazności dla środowiska i efektywności paliwowej w oparciu o analizę danych pogodowych i atmosferycznych. Będą również mogli gromadzić się w formacjach, takich jak stada ptaków, co zmniejszy opór poszczególnych samolotów w formacji i zmniejszy zużycie energii podczas lotu.

Raczej z ziemi

Nowe układy napędowe i aerodynamika samolotów pozwolą im wystartować po możliwie najbardziej stromej trajektorii w celu zmniejszenia hałasu na terenie lotniska i jak najszybszego osiągnięcia poziomu przelotowego, gdzie samolot wykazuje optymalne parametry ekonomiczne.

Lądowanie bez silnika

Samoloty przyszłości będą mogły lądować w trybie szybowcowym. Pozwoli to zaoszczędzić paliwo i zmniejszy poziom hałasu na terenie lotniska. Zmniejszy się również prędkość lądowania. Skróci to długość pasów startowych.

Brak spalin

Lotniska przyszłości całkowicie wyeliminują stosowanie silników spalinowych spalających paliwo. Do kołowania liniowce będą wyposażone w koła z silnikiem elektrycznym. Jako alternatywę - szybkie bezzałogowe ciągniki elektryczne, które będą w stanie szybko dostarczyć samoloty z płyty postojowej na pas startowy i odwrotnie.