Съдържание:

Алтернатива на съвременната авиация ли е електрическият самолет?
Алтернатива на съвременната авиация ли е електрическият самолет?

Видео: Алтернатива на съвременната авиация ли е електрическият самолет?

Видео: Алтернатива на съвременната авиация ли е електрическият самолет?
Видео: Скрытые артефакты Санкт-Петербурга Ченнелинг 2024, Март
Anonim

Съвременният газотурбинен (турбовентилаторен) двигател, който задвижва облицовките, разбира се, не е двутактова дрънкалка за градинарски инструменти, а високоефективна и много надеждна машина. Въпреки това, според производителите на самолети, той е близо до изчерпване на резервите за по-нататъшно подобрение.

Защо има двигатели - всички строящи се самолети са толкова сходни един с друг, че само авиационен експерт веднага ще различи Boeing или Airbus от Bombardier или MS-21. И въпреки че няма ни най-малко съмнение, че съвременните самолети с два газотурбинни двигателя под крилата ще ни търкалят по небето в продължение на десетилетия, големи надежди за ново оформление и нова аеродинамика на самолетите се свързват с електрическото задвижване.

Бързо, но не за дълго

Доскоро под термина "електрически самолет" се разбираше "по-електрически самолет" - самолет с неподвижно крило, в който механичната и хидравличната трансмисия бяха заменени максимално от електрическите.

Без повече тръби и кабели - цялата механична работа, като задвижване на кормилото и механизиране на крилото, се извършва от малки електродвигатели-задвижки, които се захранват със захранване и канал за управляващия сигнал. Сега терминът е изпълнен с ново значение: истинският електрически самолет трябва сам да се движи с електрическа тяга.

Електрически самолет
Електрически самолет

Разбира се, перспективите на електрическата авиация зависят не само (и дори не толкова) от конструкторите на самолети, колкото от напредъка в областта на електротехниката. В крайна сметка самолетите, както се казва, "на батерии" съществуват. Помощните електродвигатели бяха инсталирани на планери преди няколко десетилетия.

Extra 330LE, който за първи път полети през 2016 г., вече носи планери и поставя рекорди за скорост. Но неговият блок от 14 мощни литиево-йонни батерии и електрически мотор от Siemens позволяват на това бебе да вземе на борда само двама души, включително пилота, и да остане във въздуха за не повече от 20 минути.

Електрически самолет
Електрически самолет

Допълнително 330LE

Разбира се, има проекти с много по-впечатляващи показатели. През септември миналата година британската нискотарифна авиокомпания EasyJet обяви, че след десет години ще пусне изцяло електрически регионален лайнер (обхват от 540 км, което е доста за вътрешноевропейски полети) с капацитет от 180 пътника.

Американският стартъп Wright Electric, който вече изгради двуместен летящ демонстратор, стана партньор в проекта. Днес обаче енергийната плътност на най-добрите литиево-йонни батерии е повече от порядък по-ниска от въглеводородните горива. Предполага се, че до 2030 г. батериите ще подобрят производителността си максимум два пъти.

Турбино, стой

Много по-изгодна изглежда ситуацията с горивните клетки, при които химическата енергия на горивото се преобразува директно в електрическа енергия, заобикаляйки процеса на горене.

Водородът се счита за най-обещаващото гориво за такъв източник на енергия. Експерименти с горивни клетки като източник на енергия за електрически самолет се провеждат в различни страни по света (в Русия CIAM работи предимно по проекти за създаване на такива самолети, а горивните клетки за тях се създават в IPCP RAS под ръководството на професор Юрий Доброволски).

От летящата и пилотираната концепция може да се припомни европейският демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC - той използва както електрически батерии, така и горивни клетки едновременно. Но тази технология също се нуждае от значително подобрение и допълнителни изследвания.

Електрически самолет
Електрически самолет

Най-реалистичните перспективи за днес изглеждат перспективите за електрически самолети, построени по хибридната схема. Това означава, че витлото на самолета (витло или вентилатор) ще се задвижва от електрически двигател, но ще получава електричество от генератор, завъртян … от газотурбинен двигател (или друг двигател с вътрешно горене). На пръв поглед подобна схема изглежда странна: те искат да изоставят GTE в полза на електрическия мотор, но няма да направят това.

Вече има доста хибридни проекти в света, но ние се интересуваме преди всичко от Русия. Работата по електрически самолет, по-специално с хибридна схема, беше извършена в различни научни институти от авиационния профил, като TsAGI или TsIAM.

Днес тези и някои други институции са обединени (от 2014 г.) под егидата на Изследователския център „Институт на името на Н. Е. Жуковски“, предназначен да се превърне в единен мощен „мозъчен тръст“на индустрията. Задачата за интегриране на цялата работа по електрическата авиация в рамките на центъра е възложена на Сергей Галперин, когото вече цитирахме в началото на статията.

Електрически самолет
Електрически самолет

Излитане с батерии

„Преходът към електрически двигатели в авиацията открива много интересни перспективи“, казва Сергей Халперин, „но няма причина да се разчита на създаването на търговски електрически самолет с приличен обхват за руските условия на чисто химически енергийни източници (батерии или горивни клетки) в близко бъдеще: енергийният потенциал се различава твърде много килограм керосин и килограм батерии. Хибридният дизайн може да бъде разумен компромис. Трябва да се разбере, че газотурбинният двигател, който директно създава тяга, и газотурбинният двигател, който ще задвижи вала на генератора, изобщо не са едно и също нещо.

Факт е, че енергийните изисквания на самолета се променят значително по време на полет. При излитане двигателят на самолета развива мощност, близка до максималната си, а по време на круиз (тоест през по-голямата част от полета) консумацията на енергия на самолета се намалява 5-6 пъти.

По този начин традиционната електроцентрала трябва да може да работи в широк спектър от режими (не винаги оптимални от икономическа гледна точка) и бързо да преминава от един към друг. Нищо подобно не се изисква от газотурбинен двигател в хибридна инсталация. Ще бъде подобно на газовите турбини на електроцентралите, които винаги работят в един и същ, икономически най-изгоден режим. Те работят от години без спиране."

Електрически самолет
Електрически самолет

Ce-лайнер

С помощта на генератор GTE ще може да генерира енергия за директно захранване на електродвигатели, както и за създаване на резерв в батериите. Помощ за батерията ще е необходима точно при излитане.

Но тъй като работата на електродвигателите в режим на излитане ще продължи само няколко минути, енергийният резерв не трябва да бъде много голям, а батериите на борда могат да бъдат доста приемливи по размер и тегло. В същото време газотурбинният двигател няма да има никакъв режим на излитане - неговата работа е тихо да генерира електричество.

По този начин, за разлика от самолетния двигател, газотурбинният двигател в хибриден електрически самолет ще бъде по-малко мощен, по-надежден и екологичен, по-прост в дизайна, което означава по-евтин и накрая ще има по-голям ресурс.

Духане на крилото

В същото време преходът към електрически двигатели открива перспективи за фундаментални иновации в проектирането на граждански самолети на бъдещето. Една от най-обсъжданите теми е създаването на разпределени електроцентрали.

Днес класическото оформление на лайнера предполага две точки на приложение на тягата, тоест два, рядко четири мощни двигателя, висящи на пилони под крилото. При електрическите самолети се разглежда разположението на голям брой електродвигатели по протежение на крилото, както и в краищата му. Защо е необходимо това?

Въпросът отново е в разликата между режимите за излитане и круиз. При излитане при ниска скорост на падащия поток, самолетът се нуждае от голяма площ на крилото, за да създаде подемна сила. При крейсерска скорост широкото крило пречи, създавайки излишно повдигане.

Проблемът се решава благодарение на сложна механизация - прибиращи се клапи и ламели. По-малките самолети, излитащи от малки летища и имащи за това големи крила, са принудени да летят с неоптимален ъгъл на атака, което води до допълнителен разход на гориво.

Електрически самолет
Електрически самолет

Но ако при излитане много електрически двигатели, свързани с витлата, допълнително ще издухат крилото, няма да се налага да се прави твърде широко. Самолетът ще излети с кратко излитане, а на крейсерския участък тясно крило няма да създава проблеми. Колата ще бъде изтеглена напред от витла, задвижвани от задвижващите двигатели, а витлата по крилото на този етап ще бъдат сгънати или прибрани преди кацане.

Пример за това е проектът на НАСА X-57 Maxwell. Концептуалният демонстратор е оборудван с 14 електрически двигателя, разположени по протежение на крилото и на върховете на крилата. Всички те работят само по време на излитане и кацане. В круизния участък участват само двигатели на върха на крилото.

Такова разположение на двигателите позволява да се намали отрицателното влияние на вихри, които възникват на тези места. От друга страна, електроцентралата се оказва сложна, което означава, че е по-скъпа за поддръжка и вероятността от повреди също е по-висока. Като цяло учените и дизайнерите имат за какво да мислят.

Електрически самолет
Електрически самолет

X-57 Максуел

Ще помогне за течния азот

„Електрическият самолет предоставя много възможности за оптимизация“, казва Сергей Халперин. - Можете да експериментирате, например, с комбинация от изтеглящи и натискащи винтове. Електрическите двигатели са много по-изгодни в сравнение с газотурбинните двигатели в конвертоплани, тъй като безопасното завъртане на електродвигателя в хоризонтално положение не представлява толкова сложен инженерен проблем, както в случая на традиционните двигатели.

В електрически самолет можете да осигурите пълната интеграция на всички системи, да създадете нова система за управление. Дори хибридните автомобили ще произвеждат по-малко шум и емисии.

Подобно на батериите, електрическите двигатели увеличават масата, обема и разсейването на топлината с увеличаване на мощността. Необходими са нови технологии, за да ги направят по-мощни и по-леки.

За местните разработчици на хибридни задвижващи системи истински пробив беше сътрудничеството с руската компания SuperOx, един от петте най-големи доставчици на материали със свойства на високотемпературна свръхпроводимост (HTSC) в света. Сега SuperOx разработва електрически двигатели със статор, изработен от свръхпроводящи материали (охладен с течен азот).

Тези двигатели с добри авиационни характеристики ще формират основата на хибридна електроцентрала за регионален самолет, който може да се издигне в небето в средата на следващото десетилетие. Тази година на авиошоуто МАКС специалистите на CIAM представиха демонстратор на такава инсталация с мощност 10 kW. Планираният самолет ще бъде оборудван с хибридна електроцентрала с два двигателя по 500 kW всеки.

Електрически самолет
Електрически самолет

„Преди да говорим за хибриден електрически самолет“, казва Халперин, „необходимо е да тестваме нашата инсталация на земята и след това в летяща лаборатория. Надяваме се, че това ще бъде Як-40. Вместо радар можем да поставим 500-киловатов HTSC електродвигател в носа на автомобила.

Ще монтираме турбо генератор в опашката вместо централния двигател. Двата оставащи двигателя на Yak ще бъдат достатъчни, за да тестваме нашето въображение в широк диапазон от височини (до 8000 м) и скорости (до 500 км/ч). И дори ако хибридната инсталация се провали, самолетът може безопасно да завърши полета и да кацне. Демонстрационната лаборатория ще бъде оборудвана по план през 2019 г. Тестовият цикъл е ориентировъчно планиран за 2020 г.

Интелигентно небе

Електрическото и хибридно задвижване заема значително място в плановете на най-големите световни производители на самолети. Ето как изглеждат основните характеристики на пътническата авиация от средата на този век според програмата Smarter Skies на компанията AIRBUS.

Електрически самолет
Електрически самолет

"Зелен" полет

Самолетът на бъдещето ще бъде проектиран така, че да минимизира въглеводородния отпечатък в атмосферата. Водородните газотурбинни двигатели, хибридите и изцяло електрическите самолети с батерии ще придобият популярност.

Предполага се, че батериите ще се зареждат от екологично чисти източници на електричество. Възможна е появата на големи вятърни паркове или слънчеви електроцентрали в района на летища.

Свобода в небето

Интелигентните лайнери независимо ще начертаят маршрути въз основа на параметрите за екологичност и горивна ефективност въз основа на анализа на метеорологичните и атмосферните данни. Те също така ще могат да се събират във формации като ята от птици, което ще намали съпротивлението на отделните самолети във формацията и ще намали консумацията на енергия за полет.

Електрически самолет
Електрически самолет

По-скоро от земята

Новите задвижващи системи и аеродинамиката на самолетите ще им позволят да излитат по възможно най-стръмната траектория, за да намалят шума в района на летището и възможно най-скоро да достигнат крейсерското ниво, при което самолетът демонстрира оптимални икономически характеристики.

Кацане без двигател

Самолетите на бъдещето ще могат да кацат в режим на плъзгане. Това ще спести гориво и ще намали нивата на шум в района на летището. Скоростта на кацане също ще намалее. Това ще съкрати дължината на пистите.

Без ауспух

Летищата на бъдещето напълно ще премахнат използването на двигатели с вътрешно горене, които изгарят гориво. За рулиране лайнерите ще бъдат оборудвани с колела от електродвигател. Като алтернатива - високоскоростни безпилотни електрически трактори, които ще могат бързо да доставят самолети от перона до пистата и обратно.

Препоръчано: