Adakah pesawat elektrik alternatif kepada penerbangan moden?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Enjin turbin gas moden (turbofan) yang memacu pelapik, sudah tentu, bukan alat ketuk dua lejang untuk peralatan berkebun, tetapi mesin yang sangat cekap dan sangat dipercayai. Bagaimanapun, menurut pengeluar pesawat, ia hampir kepada rizab yang meletihkan untuk penambahbaikan selanjutnya.

Mengapa ada enjin - semua pesawat dalam pembinaan adalah sangat serupa antara satu sama lain sehingga hanya pakar penerbangan akan segera membezakan Boeing atau Airbus daripada Bombardier atau MS-21. Dan walaupun tidak ada keraguan sedikit pun bahawa pesawat jenis moden dengan dua enjin turbin gas di bawah sayap akan melancarkan kita merentasi langit selama beberapa dekad, harapan tinggi untuk susun atur baharu dan aerodinamik pesawat baharu dikaitkan dengan pendorongan elektrik.

Cepat, tetapi tidak lama

Sehingga baru-baru ini, istilah "pesawat elektrik" difahami sebagai "pesawat yang lebih elektrik" - pesawat dengan sayap tetap, di mana transmisi mekanikal dan hidraulik digantikan secara maksimum oleh yang elektrik.

Tiada lagi paip dan kabel - semua kerja mekanikal, seperti memandu kemudi dan mekanisasi sayap, dilakukan oleh motor elektrik kecil-penggerak, yang dibekalkan dengan kuasa dan saluran untuk isyarat kawalan. Sekarang istilah itu telah diisi dengan makna baru: pesawat elektrik yang sebenar mesti bergerak dengan daya tarikan elektrik.

Sudah tentu, prospek untuk penerbangan elektrik bergantung bukan sahaja (dan tidak begitu banyak) pada pereka pesawat tetapi juga pada kemajuan dalam bidang kejuruteraan elektrik. Lagipun, kapal terbang, seperti yang mereka katakan, "pada bateri" wujud. Motor elektrik tambahan telah dipasang pada glider beberapa dekad yang lalu.

Extra 330LE, yang pertama kali terbang pada 2016, sudah pun membawa peluncur dan mencatat rekod kelajuan. Tetapi bloknya yang mengandungi 14 bateri litium-ion yang berkuasa dan motor elektrik dari Siemens membenarkan bayi ini menaiki hanya dua orang, termasuk juruterbang, dan berada di udara tidak lebih daripada 20 minit.

Tambahan 330LE

Sudah tentu, terdapat projek dengan penunjuk yang lebih mengagumkan. Pada September tahun lepas, syarikat penerbangan tambang rendah British EasyJet mengumumkan bahawa dalam tempoh sepuluh tahun ia akan melancarkan kapal serantau semua elektrik (jarak 540 km, yang agak banyak untuk penerbangan intra-Eropah) dengan kapasiti 180 penumpang.

Permulaan Amerika Wright Electric, yang telah membina penunjuk perasaan terbang dua tempat duduk, telah menjadi rakan kongsi dalam projek itu. Walau bagaimanapun, hari ini ketumpatan tenaga bagi bateri litium-ion terbaik adalah lebih daripada susunan magnitud yang lebih rendah daripada bahan api hidrokarbon. Adalah diandaikan bahawa menjelang 2030 bateri akan meningkatkan prestasi mereka dengan maksimum dua kali ganda.

Turbin, kekal

Keadaan dengan sel bahan api kelihatan lebih menguntungkan, di mana tenaga kimia bahan api ditukar kepada tenaga elektrik secara langsung, memintas proses pembakaran.

Hidrogen dianggap sebagai bahan api yang paling menjanjikan untuk sumber kuasa sedemikian. Eksperimen dengan sel bahan api sebagai sumber kuasa untuk pesawat elektrik sedang dijalankan di negara yang berbeza di dunia (di Rusia, CIAM terutamanya mengusahakan projek untuk mencipta pesawat sedemikian, dan sel bahan api untuk mereka dicipta di IPCP RAS di bawah bimbingan Profesor Yuri Dobrovolsky).

Daripada konsep terbang dan berawak, seseorang boleh mengingati penunjuk perasaan Eropah ENFICA-FC Rapid 200FC - ia menggunakan kedua-dua bateri elektrik dan sel bahan api pada masa yang sama. Tetapi teknologi ini juga memerlukan peningkatan yang ketara dan penyelidikan tambahan.

Prospek yang paling realistik untuk hari ini nampaknya adalah prospek untuk pesawat elektrik yang dibina mengikut skema hibrid. Ini bermakna kipas pesawat (propeller atau propfan) akan digerakkan oleh motor elektrik, tetapi ia akan menerima elektrik daripada penjana yang diputar … oleh enjin turbin gas (atau enjin pembakaran dalaman yang lain). Pada pandangan pertama, skema sedemikian kelihatan pelik: mereka mahu meninggalkan GTE memihak kepada motor elektrik, tetapi mereka tidak akan melakukan ini.

Sudah terdapat beberapa projek hibrid di dunia, tetapi kami amat berminat dengan Rusia. Kerja pada pesawat elektrik, khususnya dengan skema hibrid, telah dijalankan di pelbagai institut saintifik profil penerbangan, seperti TsAGI atau TsIAM.

Hari ini, ini dan beberapa institusi lain telah bersatu (sejak 2014) di bawah naungan Pusat Penyelidikan "Institut yang dinamakan sempena N. Ye. Zhukovsky", yang direka untuk menjadi satu "kepercayaan otak" yang kuat dalam industri. Tugas menyepadukan semua kerja pada penerbangan elektrik di dalam pusat diberikan kepada Sergei Galperin, yang telah kami sebutkan pada awal artikel.

Berlepas menggunakan kuasa bateri

"Peralihan kepada motor elektrik dalam penerbangan membuka banyak prospek yang menarik," kata Sergei Halperin, "tetapi tidak ada sebab untuk bergantung pada penciptaan pesawat elektrik komersial dengan julat yang baik untuk keadaan Rusia pada sumber tenaga kimia semata-mata (bateri atau sel bahan api) dalam masa terdekat: potensi tenaga berbeza terlalu banyak satu kilogram minyak tanah dan satu kilogram bateri. Reka bentuk hibrid boleh menjadi kompromi yang munasabah. Perlu difahami bahawa enjin turbin gas yang secara langsung mencipta tujahan dan enjin turbin gas yang akan menggerakkan aci penjana bukanlah perkara yang sama.

Hakikatnya ialah keperluan tenaga pesawat berubah dengan ketara semasa penerbangan. Semasa berlepas, enjin pesawat mengembangkan kuasa hampir maksimum, dan semasa pelayaran (iaitu, untuk kebanyakan penerbangan) penggunaan kuasa pesawat dikurangkan sebanyak 5-6 kali.

Oleh itu, loji janakuasa tradisional mesti boleh beroperasi dalam pelbagai mod (tidak sentiasa optimum dari sudut pandangan ekonomi) dan cepat beralih dari satu ke satu sama lain. Tiada apa-apa jenis yang diperlukan daripada enjin turbin gas dalam pemasangan hibrid. Ia akan sama dengan turbin gas loji kuasa, yang sentiasa beroperasi dalam mod yang sama, paling menguntungkan dari segi ekonomi. Mereka telah bekerja selama bertahun-tahun tanpa henti."

Ce-liner

Dengan bantuan penjana, GTE akan dapat menjana tenaga untuk bekalan kuasa langsung motor elektrik, serta untuk mencipta rizab dalam bateri. Bantuan bateri akan diperlukan hanya semasa berlepas.

Tetapi oleh kerana pengendalian motor elektrik dalam mod berlepas akan bertahan hanya beberapa minit, rizab tenaga tidak seharusnya terlalu besar dan bateri di atas kapal boleh diterima dari segi saiz dan berat. Pada masa yang sama, enjin turbin gas tidak akan mempunyai sebarang rejim berlepas - perniagaannya adalah untuk menjana elektrik secara senyap.

Oleh itu, tidak seperti enjin pesawat, enjin turbin gas dalam pesawat elektrik hibrid akan menjadi kurang berkuasa, lebih dipercayai dan mesra alam, lebih mudah dalam reka bentuk, yang bermaksud lebih murah dan, akhirnya, akan mempunyai sumber yang lebih besar.

Bertiup pada sayap

Pada masa yang sama, peralihan kepada motor elektrik membuka prospek untuk inovasi asas dalam reka bentuk pesawat awam masa depan. Salah satu topik yang paling dibincangkan ialah penciptaan loji kuasa teragih.

Hari ini, susun atur pelapik klasik mengandaikan dua titik aplikasi tujahan, iaitu, dua, jarang empat, enjin berkuasa yang tergantung pada tiang di bawah sayap. Dalam kapal terbang elektrik, susun atur sejumlah besar motor elektrik di sepanjang sayap, serta di hujungnya, dipertimbangkan. Mengapa ini diperlukan?

Intinya sekali lagi dalam perbezaan antara mod berlepas dan pelayaran. Semasa berlepas pada kelajuan rendah aliran insiden, pesawat memerlukan kawasan sayap yang besar untuk mencipta lif. Pada kelajuan pelayaran, sayap lebar menghalang, mencipta daya angkat berlebihan.

Masalahnya diselesaikan kerana mekanisasi yang kompleks - kepak dan selat yang boleh ditarik balik. Pesawat yang lebih kecil, berlepas dari lapangan terbang kecil dan mempunyai sayap yang besar untuk ini, terpaksa melayari dengan sudut serangan yang tidak optimum, yang membawa kepada penggunaan bahan api tambahan.

Tetapi, jika semasa berlepas banyak motor elektrik yang disambungkan ke kipas juga akan meniup sayap, ia tidak perlu dibuat terlalu lebar. Pesawat akan berlepas dengan berlepas pendek, dan pada bahagian pelayaran, sayap sempit tidak akan menimbulkan masalah. Kereta itu akan ditarik ke hadapan oleh kipas yang dipandu oleh motor pendorong, dan kipas di sepanjang sayap pada peringkat ini akan dilipat atau ditarik balik sebelum mendarat.

Contohnya ialah projek X-57 Maxwell NASA. Penunjuk cara konsep ini dilengkapi dengan 14 motor elektrik yang diletakkan di sepanjang sayap dan di hujung sayap. Kesemuanya hanya berfungsi semasa berlepas dan mendarat. Di bahagian pelayaran, hanya motor hujung sayap yang terlibat.

Penempatan motor sedemikian membolehkan untuk mengurangkan pengaruh negatif vorteks yang timbul di tempat-tempat ini. Sebaliknya, loji janakuasa itu ternyata kompleks, yang bermaksud bahawa ia lebih mahal untuk diselenggara dan kemungkinan kegagalan juga lebih tinggi. Secara umum, saintis dan pereka mempunyai sesuatu untuk difikirkan.

X-57 Maxwell

Akan membantu nitrogen cecair

"Pesawat elektrik menyediakan banyak peluang untuk pengoptimuman," kata Sergei Halperin. - Anda boleh mencuba, sebagai contoh, dengan gabungan skru tarik dan tolak. Motor elektrik adalah lebih berfaedah berbanding dengan enjin turbin gas dalam kapal penukar, kerana putaran selamat motor elektrik ke kedudukan mendatar tidak menimbulkan masalah kejuruteraan yang rumit seperti dalam kes enjin tradisional.

Dalam pesawat elektrik, anda boleh memastikan penyepaduan penuh semua sistem, mencipta sistem kawalan baharu. Malah kereta hibrid akan menghasilkan lebih sedikit bunyi dan pelepasan.

Seperti bateri, motor elektrik meningkat dalam jisim, isipadu dan pelesapan haba apabila kuasa meningkat. Teknologi baharu diperlukan untuk menjadikannya lebih berkuasa dan lebih ringan.

Bagi pemaju domestik sistem pendorong hibrid, kejayaan sebenar ialah kerjasama dengan syarikat Rusia SuperOx, salah satu daripada lima pembekal terbesar bahan dengan sifat superkonduktiviti suhu tinggi (HTSC) di dunia. Kini SuperOx sedang membangunkan motor elektrik dengan pemegun yang diperbuat daripada bahan superkonduktor (disejukkan dengan nitrogen cecair).

Enjin dengan ciri penerbangan yang baik ini akan menjadi asas kepada loji kuasa hibrid untuk pesawat serantau, yang mungkin terbang ke langit pada pertengahan dekad akan datang. Tahun ini, di pameran udara MAKS, pakar CIAM mempersembahkan penunjuk perasaan pemasangan sedemikian dengan kapasiti 10 kW. Pesawat yang dirancang akan dilengkapi dengan loji kuasa hibrid dengan dua enjin 500 kW setiap satu.

"Sebelum bercakap tentang pesawat elektrik hibrid," kata Halperin, "ia adalah perlu untuk menguji pemasangan kami di atas tanah dan kemudian di makmal terbang. Kami berharap ia akan menjadi Yak-40. Daripada radar, kita boleh meletakkan motor elektrik HTSC 500 kilowatt di hidung kereta.

Kami akan memasang penjana turbo di bahagian ekor dan bukannya enjin pusat. Dua enjin Yak yang tinggal sudah cukup untuk menguji idea kami dalam pelbagai ketinggian (sehingga 8000 m) dan kelajuan (sehingga 500 km / j). Dan walaupun pemasangan hibrid gagal, pesawat itu boleh menyelesaikan penerbangan dan mendarat dengan selamat. Makmal demonstrasi akan dilengkapi mengikut perancangan pada tahun 2019. Kitaran ujian dijadualkan secara tentatif untuk 2020.

Langit pintar

Pendorong elektrik dan hibrid menduduki tempat penting dalam rancangan pengeluar pesawat terbesar di dunia. Beginilah rupa ciri utama penerbangan penumpang pertengahan abad ini mengikut program Smarter Skies syarikat AIRBUS.

Penerbangan "Hijau"

Pesawat masa depan akan direka bentuk untuk meminimumkan jejak hidrokarbon di atmosfera. Enjin turbin gas hidrogen, hibrid dan pesawat elektrik semua berkuasa bateri akan mendapat populariti.

Adalah diandaikan bahawa bateri akan dicas semula daripada sumber elektrik mesra alam. Kemunculan ladang angin besar atau loji tenaga solar di kawasan lapangan terbang adalah mungkin.

Kebebasan di langit

Pelapik pintar akan secara bebas merancang laluan berdasarkan parameter keramahan alam sekitar dan kecekapan bahan api berdasarkan analisis data cuaca dan atmosfera. Mereka juga akan dapat berkumpul dalam formasi seperti kawanan burung, yang akan mengurangkan seretan untuk pesawat individu dalam pembentukan dan mengurangkan penggunaan tenaga untuk penerbangan.

Sebaliknya dari tanah

Sistem pendorongan baharu dan aerodinamik pesawat akan membolehkan mereka berlepas di sepanjang trajektori yang paling curam untuk mengurangkan bunyi di kawasan lapangan terbang dan mencapai tahap pelayaran secepat mungkin, di mana pesawat menunjukkan ciri ekonomi yang optimum.

Mendarat tanpa enjin

Pesawat masa hadapan akan dapat mendarat dalam mod meluncur. Ini akan menjimatkan bahan api dan mengurangkan tahap bunyi bising di kawasan lapangan terbang. Kelajuan pendaratan juga akan berkurangan. Ini akan memendekkan panjang landasan.

Tiada ekzos

Lapangan terbang masa depan akan menghapuskan sepenuhnya penggunaan enjin pembakaran dalaman yang membakar bahan api. Untuk menaiki teksi, pelapik akan dilengkapi dengan roda motor elektrik. Sebagai alternatif - traktor elektrik tanpa pemandu berkelajuan tinggi, yang akan dapat dengan cepat menghantar pesawat dari apron ke landasan dan sebaliknya.