Turinys:

Ar elektrinis lėktuvas yra alternatyva šiuolaikinei aviacijai?
Ar elektrinis lėktuvas yra alternatyva šiuolaikinei aviacijai?

Video: Ar elektrinis lėktuvas yra alternatyva šiuolaikinei aviacijai?

Video: Ar elektrinis lėktuvas yra alternatyva šiuolaikinei aviacijai?
Video: What Are the Geopolitical Implications of the COVID-19 Pandemic? 2024, Kovas
Anonim

Šiuolaikinis dujų turbininis (turboventiliatorius) variklis, varantis įdėklus, žinoma, yra ne dvitaktis sodo įrankių barškutis, o itin efektyvi ir labai patikima mašina. Tačiau, anot orlaivių gamintojų, jis arti išeikvoja atsargų tolesniam tobulėjimui.

Kodėl ten varikliai – visi statomi lėktuvai yra tokie panašūs vienas į kitą, kad tik aviacijos ekspertas iš karto atskirs „Boeing“ar „Airbus“nuo „Bombardier“ar „MS-21“. Ir nors nekyla nė menkiausios abejonės, kad modernaus tipo lėktuvai su dviem dujų turbininiais varikliais po sparnais riedės mus dangumi dešimtmečius, didelės viltys dėl naujo išplanavimo ir naujos orlaivių aerodinamikos siejamos su elektriniu varikliu.

Greitai, bet neilgam

Dar visai neseniai terminas „elektrinis orlaivis“buvo suprantamas kaip „labiau elektrinis orlaivis“– orlaivis su fiksuotu sparnu, kuriame mechanines ir hidraulines transmisijas maksimaliai keitė elektrinės.

Nebelieka vamzdžių ir kabelių – visus mechaninius darbus, tokius kaip vairų vairavimas ir sparno mechanizavimas, atlieka nedideli elektros varikliai-pavaros, kuriems tiekiama galia ir valdymo signalo kanalas. Dabar šis terminas įgijo naują reikšmę: tikras elektrinis lėktuvas pats turi judėti elektrine trauka.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Žinoma, elektros aviacijos perspektyvos priklauso ne tik (ir net ne tiek) nuo lėktuvų konstruktorių, kiek nuo pažangos elektrotechnikos srityje. Juk lėktuvai, kaip sakoma, „ant baterijų“egzistuoja. Prieš kelis dešimtmečius sklandytuvuose buvo sumontuoti pagalbiniai elektros varikliai.

2016 metais pirmą kartą skridęs Extra 330LE jau veža sklandytuvus ir siekia greičio rekordus. Tačiau jo 14 galingų ličio jonų baterijų blokas ir Siemens elektros variklis leidžia šiam kūdikiui į lėktuvą priimti tik du žmones, įskaitant pilotą, ir ore išbūti ne ilgiau kaip 20 minučių.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Papildomai 330LE

Žinoma, yra kur kas įspūdingesnių rodiklių projektų. Praėjusių metų rugsėjį Didžiosios Britanijos pigių skrydžių bendrovė „EasyJet“paskelbė, kad po dešimties metų paleis visiškai elektrinį regioninį lainerį (540 km atstumas, o tai yra gana daug skrydžiams Europos viduje), talpinsiantį 180 keleivių.

Projekto partneriu tapo amerikiečių startuolis „Wright Electric“, jau sukūręs dvivietį skraidantį demonstracinį aparatą. Tačiau šiandien geriausių ličio jonų baterijų energijos tankis yra daugiau nei eilės tvarka mažesnis nei angliavandenilių kuro. Manoma, kad iki 2030 m. baterijos savo našumą pagerins daugiausiai du kartus.

Turbina, pasilik

Daug palankesnė situacija atrodo su kuro elementais, kai kuro cheminė energija tiesiogiai, apeinant degimo procesą, paverčiama elektros energija.

Vandenilis laikomas perspektyviausiu kuru tokiam energijos šaltiniui. Įvairiose pasaulio šalyse vykdomi eksperimentai su kuro elementais kaip elektrinio lėktuvo energijos šaltiniu (Rusijoje CIAM daugiausia dirba su tokių orlaivių kūrimo projektais, o kuro elementai jiems kuriami IPCP RAS pagal profesoriaus Jurijaus Dobrovolskio vadovas).

Iš skraidymo ir pilotuojamų koncepcijų galima prisiminti europietišką demonstratorių ENFICA-FC Rapid 200FC – jis vienu metu naudojo ir elektros baterijas, ir kuro elementus. Tačiau šią technologiją taip pat reikia gerokai patobulinti ir atlikti papildomus tyrimus.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Realiausios šiandienos perspektyvos atrodo pagal hibridinę schemą pastatytų elektrinių orlaivių perspektyvos. Tai reiškia, kad orlaivio sraigtą (sraigtą ar propelerį) varys elektros variklis, tačiau jis elektrą gaus iš generatoriaus, sukamo… dujų turbininiu varikliu (ar kitokiu vidaus degimo varikliu). Iš pirmo žvilgsnio tokia schema atrodo keista: jie nori atsisakyti GTE elektros variklio naudai, tačiau jie nesiruošia to daryti.

Pasaulyje jau yra nemažai hibridinių projektų, bet mus pirmiausia domina Rusija. Darbas su elektriniu lėktuvu, ypač su hibridine schema, buvo atliktas įvairiuose aviacijos profilio moksliniuose institutuose, tokiuose kaip TsAGI arba TsIAM.

Šiandien šios ir kai kurios kitos institucijos yra sujungtos (nuo 2014 m.) globojant Mokslinių tyrimų centrą „N. Ye. Žukovskio institutas“, skirtas tapti vienu galingu pramonės „protų trestu“. Užduotis integruoti visus darbus su elektrine aviacija centre yra pavesta Sergejui Galperinui, kurį jau citavome straipsnio pradžioje.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Baterijomis maitinamas kilimas

„Perėjimas prie elektros variklių aviacijoje atveria daug įdomių perspektyvų, – sako Sergejus Halperinas, – tačiau nėra jokios priežasties tikėtis, kad bus sukurtas komercinis elektrinis orlaivis, kurio nuotolis būtų tinkamas Rusijos sąlygomis naudojant grynai cheminius energijos šaltinius (baterijos ar kuro elementai) artimiausioje ateityje: energijos potencialas per daug skiriasi kilogramu žibalo ir kilogramu baterijų. Hibridinis dizainas galėtų būti pagrįstas kompromisas. Reikia suprasti, kad dujų turbininis variklis, kuris tiesiogiai sukuria trauką, ir dujų turbininis variklis, kuris paleis generatoriaus veleną, nėra tas pats.

Faktas yra tas, kad skrydžio metu orlaivio energijos poreikis labai pasikeičia. Kildamas orlaivio variklis išvysto galią artimą maksimaliai, o kreiserinio skrydžio metu (tai yra didžiąją skrydžio dalį) orlaivio energijos sąnaudos sumažėja 5-6 kartus.

Taigi tradicinė elektrinė turi gebėti veikti įvairiais režimais (ekonominiu požiūriu ne visada optimalu) ir greitai persijungti iš vieno į kitą. Nieko panašaus nereikia iš dujų turbinos variklio hibridinėje instaliacijoje. Jis bus panašus į jėgainių dujų turbinas, kurios visada dirba tuo pačiu, ekonomiškai naudingiausiu režimu. Jie dirba daugelį metų be sustojimo“.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Ce laineris

Generatoriaus pagalba GTE galės generuoti energiją tiesioginiam elektros variklių maitinimui, taip pat rezervui baterijose sukurti. Akumuliatoriaus pagalbos prireiks tik kylant.

Bet kadangi elektros variklių darbas kilimo režimu truks vos kelias minutes, energijos rezervas neturėtų būti labai didelis, o laive esantys akumuliatoriai gali būti gana priimtino dydžio ir svorio. Tuo pačiu metu dujų turbininis variklis neturės jokio pakilimo režimo – jo reikalas yra tyliai gaminti elektrą.

Taigi, skirtingai nei orlaivio variklis, hibridinio elektrinio lėktuvo dujų turbininis variklis bus ne toks galingas, patikimesnis ir ekologiškesnis, paprastesnės konstrukcijos, vadinasi, pigesnis ir galiausiai turės daugiau išteklių.

Pučia ant sparno

Tuo pačiu metu perėjimas prie elektros variklių atveria perspektyvas esminėms naujovėms kuriant ateities civilinius orlaivius. Viena iš labiausiai aptarinėjamų temų – paskirstytų elektrinių kūrimas.

Šiandien klasikinis įdėklo išdėstymas numato du traukos taikymo taškus, tai yra du, rečiau keturis galingus variklius, kabančius ant pilonų po sparnu. Elektriniuose lėktuvuose atsižvelgiama į daugybės elektros variklių išdėstymą išilgai sparno, taip pat jo galuose. Kam to reikia?

Esmė vėl slypi skirtume tarp kilimo ir kruizo režimų. Kylant mažu kritimo srauto greičiu, orlaiviui reikia didelio sparno ploto, kad susidarytų pakilimas. Kreiseriniu greičiu platus sparnas trukdo ir sukuria perteklinį keltuvą.

Problema išspręsta dėl sudėtingos mechanizacijos – ištraukiamų atvartų ir lentjuosčių. Mažesni orlaiviai, kylantys iš mažų aerodromų ir turintys tam didelius sparnus, yra priversti skristi ne optimaliu atakos kampu, o tai lemia papildomas degalų sąnaudas.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Bet jei kylant daug elektros variklių, prijungtų prie propelerių, papildomai pūs sparną, jo nereikės daryti per plataus. Lėktuvas kils trumpu pakilimu, o kreiserinėje atkarpoje siauras sparnas problemų nesudarys. Automobilį į priekį trauks sraigtai, varomi varomųjų variklių, o sraigtai palei sparną šiame etape prieš nusileidžiant bus sulankstyti arba įtraukiami.

Pavyzdžiui, NASA X-57 Maxwell projektas. Koncepcinis demonstratorius turi 14 elektros variklių, išdėstytų palei sparną ir ant sparnų galiukų. Visi jie veikia tik kilimo ir tūpimo metu. Kreiserinėje dalyje naudojami tik varikliai su sparneliais.

Toks variklių išdėstymas leidžia sumažinti šiose vietose kylančių sūkurių neigiamą įtaką. Kita vertus, elektrinė pasirodo sudėtinga, vadinasi, jos išlaikymas brangesnis, o gedimų tikimybė taip pat didesnė. Apskritai mokslininkai ir dizaineriai turi apie ką galvoti.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

X-57 Maxwell

Padės skystam azotui

„Elektrinis lėktuvas suteikia daug optimizavimo galimybių“, – sako Sergejus Halperinas. - Galite eksperimentuoti, pavyzdžiui, su traukiamųjų ir stumiamųjų varžtų deriniu. Elektros varikliai yra daug pranašesni, palyginti su dujų turbininiais varikliais konvertierių, nes saugus elektros variklio pasukimas į horizontalią padėtį nesukelia tokios sudėtingos inžinerinės problemos kaip tradicinių variklių atveju.

Elektrinėje plokštumoje galite užtikrinti visišką visų sistemų integraciją, sukurti naują valdymo sistemą. Net hibridiniai automobiliai gamins mažiau triukšmo ir emisijų.

Kaip ir baterijos, elektros variklių masė, tūris ir šilumos išsiskyrimas didėja didėjant galiai. Kad jie būtų galingesni ir lengvesni, reikalingos naujos technologijos.

Namų hibridinių varomųjų sistemų kūrėjams tikras lūžis buvo bendradarbiavimas su Rusijos įmone „SuperOx“, viena iš penkių didžiausių medžiagų, turinčių aukštos temperatūros superlaidumo (HTSC) savybėmis, tiekėjų pasaulyje. Dabar SuperOx kuria elektros variklius su statoriumi, pagamintu iš superlaidžių medžiagų (aušinama skystu azotu).

Šie geromis aviacinėmis savybėmis pasižymintys varikliai taps regioninio lėktuvo hibridinės jėgainės, kuri ateinančio dešimtmečio viduryje gali pakilti į dangų, pagrindą. Šiais metais MAKS oro parodoje CIAM specialistai pristatė 10 kW galios tokios instaliacijos demonstratorių. Planuojamame orlaivyje bus sumontuota hibridinė jėgainė su dviem 500 kW galios varikliais.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

„Prieš kalbant apie hibridinį elektrinį orlaivį, – sako Halperinas, – būtina išbandyti mūsų įrengimą ant žemės, o paskui – skraidančioje laboratorijoje. Tikimės, kad tai bus „Yak-40“. Vietoj radaro į automobilio nosį galime įdėti 500 kilovatų galios HTSC elektros variklį.

Uodegoje vietoje centrinio variklio montuosime turbogeneratorių. Dviejų likusių „Yak“variklių užteks mūsų protui išbandyti įvairiuose aukščiuose (iki 8000 m) ir greičių (iki 500 km/h). Ir net jei hibridinė instaliacija nepavyks, lėktuvas gali saugiai užbaigti skrydį ir nusileisti. Demonstracinė laboratorija pagal planą bus įrengta 2019 m. Bandymų ciklas preliminariai suplanuotas 2020 m.

Protingas dangus

Elektriniai ir hibridiniai varikliai užima reikšmingą vietą didžiausių pasaulio orlaivių gamintojų planuose. Taip pagal bendrovės AIRBUS programą „Smarter Skies“atrodo pagrindiniai šio amžiaus vidurio keleivinės aviacijos bruožai.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

„Žaliasis“skrydis

Ateities orlaiviai bus sukurti taip, kad atmosferoje būtų kuo mažiau angliavandenilių. Populiarės vandenilio dujų turbinų varikliai, hibridai ir baterijomis varomi visiškai elektriniai lėktuvai.

Manoma, kad baterijos bus įkraunamos iš aplinkai nekenksmingų elektros energijos šaltinių. Galimas didelių vėjo jėgainių ar saulės elektrinių atsiradimas aerodromų teritorijoje.

Laisvė danguje

Išmanieji laineriai, remdamiesi oro ir atmosferos duomenų analize, savarankiškai nubrėžs maršrutus pagal ekologiškumo ir degalų efektyvumo parametrus. Jie taip pat galės burtis į tokias formacijas kaip paukščių pulkai, o tai sumažins atskirų orlaivių pasipriešinimą formuotėje ir energijos sąnaudas skrydžiui.

Elektrinis lėktuvas
Elektrinis lėktuvas

Greičiau nuo žemės

Naujos varymo sistemos ir orlaivių aerodinamika leis jiems kilti kuo stačiausia trajektorija, kad oro uosto teritorijoje būtų sumažintas triukšmas ir kuo greičiau pasiektas kreiserinis lygis, kai orlaivis demonstruoja optimalias ekonomines charakteristikas.

Nusileidimas be variklio

Ateities lėktuvai galės leistis sklandymo režimu. Taip sutaupysite degalų ir sumažinsite triukšmo lygį oro uosto teritorijoje. Sumažės ir nusileidimo greitis. Tai sutrumpins kilimo ir tūpimo takų ilgį.

Nėra išmetimo

Ateities oro uostai visiškai panaikins kurą deginančių vidaus degimo variklių naudojimą. Taksi riedėjimui laineriuose bus sumontuoti elektrinio variklio ratai. Kaip alternatyva – greitaeigiai nepilotuojami elektriniai traktoriai, kurie galės greitai nugabenti orlaivius nuo perono iki kilimo ir tūpimo tako ir atvirkščiai.

Rekomenduojamas: