Az elektromos repülőgép alternatívája a modern repülésnek?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A béléseket meghajtó modern gázturbinás (turbofan) motor természetesen nem a kerti szerszámok kétütemű csörgője, hanem egy rendkívül hatékony és nagyon megbízható gép. A repülőgépgyártók szerint azonban közel áll a tartalékok kimerítéséhez a további fejlesztéshez.

Miért vannak hajtóművek - az összes építés alatt álló utasszállító annyira hasonlít egymásra, hogy csak egy repülési szakértő fogja azonnal megkülönböztetni a Boeinget vagy az Airbust a Bombardiertől vagy az MS-21-től. És bár a legcsekélyebb kétség sem férhet hozzá, hogy a modern típusú, két gázturbinás hajtóművel a szárnyak alatt álló utasszállítók évtizedekig görgessenek minket az égen, a repülőgépek új elrendezése és új aerodinamikája iránti nagy remények az elektromos meghajtáshoz kapcsolódnak.

Gyorsan, de nem sokáig

Egészen a közelmúltig az "elektromos repülőgép" kifejezést "elektromosabb repülőgép"-ként értelmezték - egy rögzített szárnyú repülőgépet, amelyben a mechanikus és hidraulikus hajtóműveket maximálisan elektromosra cserélték.

Nincs több cső és kábel – minden mechanikai munkát, mint például a kormányok meghajtása és a szárny gépesítése, kis villanymotorok-aktorok végzik, amelyek tápellátást és a vezérlőjel csatornáját látják el. Most a kifejezés új jelentéssel gazdagodott: egy igazi elektromos síknak magának elektromos vontatáson kell mozognia.

Természetesen az elektromos repülés kilátásai nemcsak (és még csak nem is annyira) a repülőgép-tervezőktől, hanem az elektrotechnika terén elért előrehaladástól függenek. Végül is léteznek repülőgépek, mint mondják, "elemekkel". A vitorlázórepülőkre több évtizeddel ezelőtt segédvillamos motorokat szereltek fel.

Az Extra 330LE, amely először 2016-ban repült, már vitorlázórepülőket szállít, és sebességi rekordokat dönt. De a 14 nagy teljesítményű lítium-ion akkumulátorból álló blokkja és a Siemens elektromos motorja lehetővé teszi, hogy a baba csak két embert vegyen fel a fedélzetre, beleértve a pilótát is, és legfeljebb 20 percig maradjon a levegőben.

Extra 330LE

Természetesen vannak sokkal lenyűgözőbb mutatókkal rendelkező projektek. Tavaly szeptemberben jelentette be az EasyJet brit fapados légitársaság, hogy tíz év múlva 180 utas befogadására alkalmas, teljesen elektromos hajtású regionális vonalhajózást indít (540 km hatótáv, ami Európán belüli járatoknál elég sok).

A projektben partner lett a Wright Electric amerikai startup, amely már kétüléses repülő demonstrátort épített. Ma azonban a legjobb lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége több mint egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint a szénhidrogén üzemanyagoké. Feltételezések szerint 2030-ra az akkumulátorok legfeljebb kétszeresére javítják teljesítményüket.

Turbina, maradj

Sokkal előnyösebbnek tűnik az üzemanyagcellák helyzete, ahol az üzemanyag kémiai energiája közvetlenül elektromos energiává alakul át, megkerülve az égési folyamatot.

A hidrogént tartják a legígéretesebb üzemanyagnak egy ilyen energiaforráshoz. A világ különböző országaiban folynak kísérletek üzemanyagcellákkal, mint elektromos repülőgépek energiaforrásával (Oroszországban a CIAM elsősorban az ilyen repülőgépek létrehozására irányuló projekteken dolgozik, és ezekhez az üzemanyagcellákat az IPCP RAS-ban hoznak létre a Jurij Dobrovolszkij professzor útmutatása).

A repülés és az emberes koncepciók közül az európai demonstrációs ENFICA-FC Rapid 200FC-t idézhetjük fel, amely egyszerre használt elektromos akkumulátorokat és üzemanyagcellákat. De ez a technológia is jelentős fejlesztést és további kutatást igényel.

Ma a legreálisabbnak a hibrid séma szerint épített elektromos repülőgépek kilátásai tűnnek. Ez azt jelenti, hogy a repülőgép légcsavarját (propeller vagy propfan) villanymotor hajtja majd, de az áramot egy gázturbinás motorral (vagy más belső égésű motorral) … forgatott generátortól kapja. Első pillantásra furcsának tűnik egy ilyen séma: el akarják hagyni a GTE-t az elektromos motor javára, de ezt nem teszik meg.

Már jó néhány hibrid projekt létezik a világon, de minket elsősorban Oroszország érdekel. Az elektromos síkon végzett munkát, különösen hibrid sémával, a repülési profil különböző tudományos intézeteiben végezték, mint például a TsAGI vagy a TsIAM.

Ma ezeket és néhány más intézményt egyesítenek (2014 óta) a Kutatóközpont „N. Ye. Zhukovsky Institute” égisze alatt, amelynek célja, hogy az iparág egyetlen erőteljes „agytrösztévé” váljon. Az elektromos repüléssel kapcsolatos összes munka központon belüli integrálása Szergej Galperint bízta meg, akit a cikk elején már idéztünk.

Akkumulátoros felszállás

„Az elektromos motorokra való átállás a repülésben sok érdekes távlatot nyit meg” – mondja Szergej Halperin, „de nincs okunk számolni egy olyan kereskedelmi elektromos repülőgép megalkotásával, amely megfelelő hatótávolsággal rendelkezik az orosz körülményekhez, tisztán vegyi energiaforrásokkal (akkumulátorok vagy üzemanyagcellák) a közeljövőben: az energiapotenciál túlságosan különbözik egy kilogramm kerozin és egy kilogramm akkumulátor esetében. A hibrid kialakítás ésszerű kompromisszum lehet. Meg kell érteni, hogy a közvetlenül tolóerőt létrehozó gázturbinás motor és a generátor tengelyét mozgásba hozó gázturbinás motor egyáltalán nem ugyanaz.

Az tény, hogy a repülőgép energiaigénye jelentősen megváltozik a repülés során. Felszálláskor a repülőgép hajtóműve a maximumhoz közeli teljesítményt fejleszt, és a cirkálás során (vagyis a repülés nagy részében) 5-6-szorosára csökken a gép energiafogyasztása.

Így egy hagyományos erőműnek sokféle (gazdasági szempontból nem mindig optimális) üzemmódban kell tudnia működni, és gyorsan egyikről a másikra váltani. Hibrid rendszerben semmi ilyesmi nem szükséges egy gázturbinás motortól. Hasonló lesz az erőművek gázturbináihoz, amelyek mindig ugyanabban a gazdaságilag legelőnyösebb üzemmódban működnek. Évek óta dolgoznak megállás nélkül."

Ce-bélés

Egy generátor segítségével a GTE képes lesz energiát előállítani az elektromos motorok közvetlen tápellátásához, valamint tartalék létrehozásához az akkumulátorokban. Akkumulátorra lesz szükség csak felszálláskor.

De mivel a villanymotorok működése felszállási üzemmódban csak néhány percig tart, az energiatartalék nem lehet túl nagy, és a fedélzeten lévő akkumulátorok mérete és súlya meglehetősen elfogadható lehet. Ugyanakkor a gázturbinás motornak nem lesz semmilyen felszállási rendszere - az a feladata, hogy csendesen termeljen villamos energiát.

Így a repülőgép-hajtóművekkel ellentétben a hibrid elektromos repülőgépekben a gázturbinás hajtóművek kisebb teljesítményűek, megbízhatóbbak és környezetbarátabbak, egyszerűbb kialakításúak lesznek, ami olcsóbb, és végül nagyobb erőforrással is rendelkezik.

Fúj a szárnyon

Az elektromos motorokra való átállás ugyanakkor alapvető újításokat nyit meg a jövő polgári repülőgépeinek tervezésében. Az egyik legtöbbet vitatott téma az elosztott erőművek létrehozása.

Ma a klasszikus béléselrendezés két tolóerő alkalmazási pontot feltételez, vagyis két, ritkán négy erős motort, amelyek oszlopokon lógnak a szárny alatt. Az elektromos repülőgépeken nagyszámú villanymotor elrendezését veszik figyelembe a szárny mentén, valamint annak végein. Miért van erre szükség?

A lényeg ismét a felszállási és körutazási módok közötti különbségben van. A beeső áramlás alacsony sebességével történő felszálláskor a repülőgépnek nagy szárnyfelületre van szüksége az emelés létrehozásához. Utazósebességnél a széles szárny akadályozza a felhajtóerőt.

A probléma megoldódott a bonyolult gépesítésnek köszönhetően - visszahúzható szárnyak és lécek. A kis repülőterekről felszálló és ehhez nagy szárnyakkal rendelkező kisebb repülőgépek az optimálisnál nem megfelelő támadási szöggel kénytelenek cirkálni, ami további üzemanyag-fogyasztáshoz vezet.

De ha felszálláskor sok, a propellerhez csatlakoztatott villanymotor járulékosan felfújja a szárnyat, akkor nem kell túl szélesre tenni. A gép rövid felszállással fog felszállni, a cirkáló szakaszon pedig a keskeny szárny sem okoz gondot. Az autót a hajtómotorok által meghajtott propellerek húzzák előre, és a szárny mentén lévő légcsavarokat ebben a szakaszban leszállás előtt összecsukják vagy visszahúzzák.

Példa erre a NASA X-57 Maxwell projektje. A koncepció bemutató 14 villanymotorral van felszerelve a szárny mentén és a szárnyvégeken. Mindegyik csak fel- és leszálláskor működik. A cirkáló szakaszon csak szárnyvégű motorok működnek.

A motorok ilyen elhelyezése lehetővé teszi az ezeken a helyeken fellépő örvények negatív hatásának csökkentését. Másrészt az erőmű bonyolultnak bizonyul, ami azt jelenti, hogy drágább a fenntartása, és nagyobb a meghibásodások valószínűsége is. Általában a tudósoknak és a tervezőknek van min gondolkodniuk.

X-57 Maxwell

Segít a folyékony nitrogén eltávolításában

„Az elektromos repülőgép számos optimalizálási lehetőséget kínál” – mondja Szergej Halperin. - Kísérletezhet például a húzó- és nyomócsavarok kombinációjával. A villanymotorok sokkal előnyösebbek a konvertiplánok gázturbinás motorjaihoz képest, mivel a villanymotor biztonságos vízszintes helyzetbe forgatása nem jelent olyan összetett mérnöki problémát, mint a hagyományos motorok esetében.

Elektromos síkban biztosíthatja az összes rendszer teljes integrációját, új vezérlőrendszert hozhat létre. Még a hibrid autók is kevesebb zajt és károsanyag-kibocsátást termelnek.”

Az akkumulátorokhoz hasonlóan az elektromos motorok tömege, térfogata és hőleadása a teljesítmény növekedésével nő. Új technológiákra van szükség ahhoz, hogy erősebbek és könnyebbek legyenek.

A hibrid meghajtási rendszerek hazai fejlesztői számára igazi áttörést jelentett az orosz SuperOx céggel való együttműködés, amely a világ öt legnagyobb, magas hőmérsékletű szupravezető képességgel (HTSC) rendelkező anyagok beszállítója közé tartozik. A SuperOx jelenleg szupravezető anyagokból (folyékony nitrogénnel hűtött) állórészes villanymotorokat fejleszt.

Ezek a jó repülési tulajdonságokkal rendelkező hajtóművek képezik majd a regionális repülőgépek hibrid erőművének alapját, amely a következő évtized közepén emelkedhet az egekbe. Idén a MAKS repülőshow-n a CIAM szakemberei egy ilyen, 10 kW teljesítményű telepítés bemutatóját mutatták be. A tervezett repülőgépeket hibrid erőművel szerelik fel, egyenként két 500 kW-os hajtóművel.

„Mielőtt egy hibrid elektromos repülőgépről beszélnénk – mondja Halperin –, ki kell próbálni a telepítésünket a földön, majd egy repülő laboratóriumban. Reméljük, hogy a Jak-40 lesz. Radar helyett 500 kilowattos HTSC villanymotort tehetünk az autó orrába.

A farokba turbó generátort szerelünk a központi motor helyett. A megmaradt két Yak motor elég lesz ahhoz, hogy sok magasságban (8000 m-ig) és sebességben (500 km/h-ig) teszteljük agyszüleményenket. És még ha a hibrid telepítés meghibásodik is, a gép biztonságosan befejezheti a repülést és leszállhat. A bemutató laboratórium a tervek szerint 2019-ben kerül felszerelésre. A tesztciklust előzetesen 2020-ra tervezik.

Intelligens égbolt

Az elektromos és hibrid meghajtás jelentős helyet foglal el a világ legnagyobb repülőgépgyártóinak terveiben. Így néznek ki az AIRBUS cég Smarter Skies programja szerint a század közepének utasrepülésének főbb jellemzői.

"Zöld" repülés

A jövő repülőgépeit úgy tervezik, hogy minimálisra csökkentsék a szénhidrogén-lábnyomot a légkörben. A hidrogén-gázturbinás hajtóművek, a hibridek és az akkumulátorral hajtott, teljesen elektromos repülőgépek egyre népszerűbbek lesznek.

Feltételezhető, hogy az akkumulátorokat környezetbarát áramforrásból töltik újra. Nagy szélerőművek vagy naperőművek megjelenése lehetséges a repülőterek területén.

Szabadság az égen

Az intelligens vonalhajók az időjárási és légköri adatok elemzése alapján a környezetbarát és üzemanyag-hatékonysági paraméterek alapján önállóan tervezik meg az útvonalakat. Képesek lesznek olyan formációkba is összegyűlni, mint a madárrajok, ami csökkenti az egyes repülőgépek ellenállását a formációban, és csökkenti az energiafogyasztást a repüléshez.

Inkább a földről

Az új meghajtási rendszerek és a repülőgépek aerodinamikája lehetővé teszi, hogy a lehető legmeredekebb pályán szálljanak fel, hogy a repülőtér területén csökkenjen a zaj, és minél előbb elérjék azt az utazószintet, ahol a repülőgép optimális gazdasági jellemzőket mutat.

Leszállás motor nélkül

A jövő gépei sikló üzemmódban tudnak majd leszállni. Ez üzemanyagot takarít meg, és csökkenti a zajszintet a repülőtér területén. A leszállási sebesség is csökkenni fog. Ez lerövidíti a kifutópályák hosszát.

Nincs kipufogó

A jövő repülőterei teljesen megszüntetik az üzemanyagot égető belső égésű motorok használatát. A guruláshoz a béléseket villanymotoros kerekekkel szerelik fel. Alternatív megoldásként - nagy sebességű pilóta nélküli elektromos traktorok, amelyek képesek lesznek gyorsan szállítani a repülőgépeket az előtérről a kifutópályára és fordítva.