Este un avion electric o alternativă la aviația modernă?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Motorul modern cu turbină cu gaz (turboventilator) care antrenează căptușelile nu este, desigur, un zgomot în doi timpi pentru unelte de grădinărit, ci o mașină foarte eficientă și foarte fiabilă. Cu toate acestea, potrivit producătorilor de avioane, este aproape de a epuiza rezervele pentru îmbunătățiri suplimentare.

De ce există motoare - toate avioanele în construcție sunt atât de asemănătoare între ele, încât doar un expert în aviație va distinge imediat Boeing sau Airbus de Bombardier sau MS-21. Și, deși nu există nici cea mai mică îndoială că avioanele de tip modern, cu două motoare cu turbină cu gaz sub aripi, ne vor arunca peste cer timp de zeci de ani, speranțe mari pentru un nou aspect și o nouă aerodinamică a aeronavelor sunt asociate cu propulsia electrică.

Rapid, dar nu pentru mult timp

Până nu demult, termenul de „aeronavă electrică” era înțeles ca „aeronava mai electrică” – o aeronavă cu aripă fixă, în care transmisiile mecanice și hidraulice erau înlocuite la maximum cu cele electrice.

Gata cu conductele și cablurile - toate lucrările mecanice, cum ar fi conducerea cârmelor și mecanizarea aripii, sunt efectuate de mici motoare-actuatori electrice, care sunt alimentate cu putere și un canal pentru semnalul de control. Acum, termenul a fost umplut cu o nouă semnificație: un adevărat avion electric trebuie să se miște el însuși pe tracțiune electrică.

Desigur, perspectivele pentru aviația electrică depind nu numai (și nici măcar nu atât de mult) de proiectanții de aeronave, cât și de progresul în domeniul ingineriei electrice. Până la urmă, avioanele, după cum se spune, „pe baterii” există. Motoarele electrice auxiliare au fost instalate pe planoare cu câteva decenii în urmă.

Extra 330LE, care a zburat pentru prima dată în 2016, transportă deja planoare și stabilește recorduri de viteză. Dar blocul său de 14 baterii puternice litiu-ion și un motor electric de la Siemens îi permit acestui bebeluș să ia la bord doar două persoane, inclusiv pilotul, și să rămână în aer nu mai mult de 20 de minute.

Extra 330LE

Desigur, există proiecte cu indicatori mult mai impresionanți. În septembrie anul trecut, compania aeriană low-cost britanică EasyJet a anunțat că în zece ani va lansa o linie regională integral electric (autonomie de 540 km, ceea ce este destul de mult pentru zborurile intra-europene) cu o capacitate de 180 de pasageri.

Startup-ul american Wright Electric, care a construit deja un demonstrator zburător cu două locuri, a devenit partener în proiect. Cu toate acestea, astăzi densitatea de energie a celor mai bune baterii litiu-ion este cu mai mult de un ordin de mărime inferioară combustibililor cu hidrocarburi. Se presupune că până în 2030 bateriile își vor îmbunătăți performanța de maximum două ori.

Turbină, stai

Situația cu celulele de combustie arată mult mai avantajoasă, în care energia chimică a combustibilului este transformată direct în energie electrică, ocolind procesul de ardere.

Hidrogenul este considerat a fi cel mai promițător combustibil pentru o astfel de sursă de energie. Experimentele cu pile de combustie ca sursă de energie pentru un avion electric se desfășoară în diferite țări ale lumii (în Rusia, CIAM lucrează în principal la proiecte de creare a unor astfel de aeronave, iar pilele de combustie pentru acestea sunt create la IPCP RAS în conformitate cu îndrumarea profesorului Yuri Dobrovolsky).

Din conceptele de zbor și cu echipaj, se poate aminti demonstratorul european ENFICA-FC Rapid 200FC - a folosit atât baterii electrice, cât și celule de combustibil în același timp. Dar această tehnologie necesită, de asemenea, îmbunătățiri semnificative și cercetări suplimentare.

Cele mai realiste perspective pentru astăzi par a fi perspectivele pentru aeronavele electrice construite după schema hibridă. Aceasta înseamnă că elicea aeronavei (elice sau propfan) va fi antrenată de un motor electric, dar va primi energie electrică de la un generator rotit… de un motor cu turbină cu gaz (sau alt motor cu ardere internă). La prima vedere, o astfel de schemă pare ciudată: vor să abandoneze GTE-ul în favoarea motorului electric, dar nu vor face asta.

Există deja destul de multe proiecte hibride în lume, dar ne interesează în primul rând Rusia. Lucrările pe un avion electric, în special cu o schemă hibridă, au fost efectuate în diferite institute științifice de profil aviatic, precum TsAGI sau TsIAM.

Astăzi, acestea și alte câteva instituții au fost unite (din 2014) sub auspiciile Centrului de Cercetare „Institutul numit după N. Ye. Zhukovsky”, conceput pentru a deveni un singur „creier de încredere” puternic al industriei. Sarcina de a integra toate lucrările privind aviația electrică în cadrul centrului îi revine lui Serghei Galperin, pe care l-am citat deja la începutul articolului.

Decolare cu baterie

„Tranziția la motoare electrice în aviație deschide o mulțime de perspective interesante”, spune Serghei Halperin, „dar nu există niciun motiv să se bazeze pe crearea unui avion comercial electric cu o autonomie decentă pentru condițiile rusești pe surse de energie pur chimică (baterii sau pile de combustibil) în viitorul apropiat: potenţialul energetic diferă prea mult un kilogram de kerosen şi un kilogram de baterii. Un design hibrid ar putea fi un compromis rezonabil. Trebuie înțeles că un motor cu turbină cu gaz care creează direct tracțiune și un motor cu turbină cu gaz care va pune în mișcare arborele generatorului nu sunt deloc același lucru.

Faptul este că cerințele energetice ale aeronavei se modifică semnificativ în timpul zborului. La decolare, motorul aeronavei dezvoltă putere aproape de maximul său, iar în timpul croazierei (adică pentru cea mai mare parte a zborului) consumul de energie al aeronavei este redus de 5-6 ori.

Astfel, o centrală electrică tradițională trebuie să poată funcționa într-o gamă largă de moduri (nu întotdeauna optime din punct de vedere economic) și să treacă rapid de la una la alta. Nimic de acest fel nu este necesar de la un motor cu turbină cu gaz într-o instalație hibridă. Va fi similar cu turbinele cu gaz ale centralelor electrice, care funcționează întotdeauna în același mod, cel mai avantajos din punct de vedere economic. Au lucrat de ani de zile fără să se oprească.”

Ce-liner

Cu ajutorul unui generator, GTE-ul va putea genera energie pentru alimentarea directă a motoarelor electrice, precum și pentru crearea unei rezerve în baterii. Ajutorul bateriei va fi necesar doar la decolare.

Dar din moment ce funcționarea motoarelor electrice în modul decolare va dura doar câteva minute, rezerva de energie nu ar trebui să fie foarte mare, iar bateriile de la bord pot fi destul de acceptabile ca dimensiune și greutate. În același timp, motorul cu turbină cu gaz nu va avea niciun regim de decolare - afacerea sa este să genereze în liniște electricitate.

Astfel, spre deosebire de un motor de aeronavă, un motor cu turbină cu gaz dintr-o aeronavă electrică hibridă va fi mai puțin puternic, mai fiabil și mai ecologic, mai simplu în design, ceea ce înseamnă mai ieftin și, în sfârșit, va avea o resursă mai mare.

Sufland pe aripa

În același timp, trecerea la motoare electrice deschide perspective pentru inovații fundamentale în proiectarea aeronavelor civile ale viitorului. Unul dintre subiectele cele mai discutate este crearea de centrale electrice distribuite.

Astăzi, aspectul clasic al căptușelii presupune două puncte de aplicare a tracțiunii, adică două, rareori patru, motoare puternice agățate de stâlpi de sub aripă. În avioanele electrice, este luată în considerare aspectul unui număr mare de motoare electrice de-a lungul aripii, precum și la capetele acesteia. De ce este nevoie de asta?

Ideea constă din nou în diferența dintre modurile de decolare și de croazieră. La decolare la o viteză mică a fluxului incident, o aeronavă are nevoie de o suprafață mare a aripii pentru a crea portanță. La viteza de croazieră, aripa lată iese în cale, creând portanță în exces.

Problema este rezolvată datorită mecanizării complexe - clapete și lamele retractabile. Avioanele mai mici, care decolează de pe aerodromuri mici și au aripi mari pentru aceasta, sunt forțate să navigheze cu un unghi de atac suboptim, ceea ce duce la un consum suplimentar de combustibil.

Dar, dacă la decolare multe motoare electrice conectate la elice vor sufla suplimentar aripa, aceasta nu va trebui să fie făcută prea lată. Avionul va decola cu o decolare scurtă, iar pe secțiunea de croazieră, o aripă îngustă nu va crea probleme. Mașina va fi trasă înainte de elice antrenate de motoarele de propulsie, iar elicele de-a lungul aripii în această etapă vor fi pliate sau retractate înainte de aterizare.

Un exemplu este proiectul X-57 Maxwell al NASA. Demonstratorul de concept este echipat cu 14 motoare electrice poziționate de-a lungul aripii și pe vârfurile aripilor. Toate lucrează doar în timpul decolării și aterizării. Pe secțiunea de croazieră sunt implicate doar motoarele de vârf ale aripilor.

O astfel de plasare a motoarelor permite reducerea influenței negative a vârtejurilor care apar în aceste locuri. Pe de altă parte, centrala se dovedește a fi complexă, ceea ce înseamnă că este mai costisitoare de întreținut și probabilitatea defecțiunilor este, de asemenea, mai mare. În general, oamenii de știință și designerii au la ce să se gândească.

X-57 Maxwell

Va ajuta la azotul lichid

„Un avion electric oferă multe oportunități de optimizare”, spune Serghei Halperin. - Puteți experimenta, de exemplu, cu o combinație de șuruburi de tragere și împingere. Motoarele electrice sunt mult mai avantajoase în comparație cu motoarele cu turbină cu gaz din convertiplane, deoarece rotirea în siguranță a motorului electric într-o poziție orizontală nu prezintă o problemă de inginerie atât de complexă ca în cazul motoarelor tradiționale.

Într-un plan electric, puteți asigura integrarea deplină a tuturor sistemelor, puteți crea un nou sistem de control. Chiar și mașinile hibride vor produce mai puțin zgomot și emisii.”

Ca și bateriile, motoarele electrice cresc în masă, volum și disiparea căldurii pe măsură ce crește puterea. Sunt necesare tehnologii noi pentru a le face mai puternice și mai ușoare.

Pentru dezvoltatorii autohtoni de sisteme de propulsie hibride, o adevărată descoperire a fost cooperarea cu compania rusă SuperOx, unul dintre cei mai mari cinci furnizori de materiale cu proprietăți de supraconductivitate la temperatură înaltă (HTSC) din lume. Acum SuperOx dezvoltă motoare electrice cu un stator din materiale supraconductoare (răcite cu azot lichid).

Aceste motoare cu caracteristici bune de aviație vor sta la baza unei centrale hibride pentru o aeronavă regională, care ar putea ieși pe cer la mijlocul următorului deceniu. Anul acesta, la salonul aerian MAKS, specialiștii CIAM au prezentat un demonstrator al unei astfel de instalații cu o capacitate de 10 kW. Aeronava planificată va fi echipată cu o centrală hibridă cu două motoare de 500 kW fiecare.

„Înainte de a vorbi despre o aeronavă hibridă electrică”, spune Halperin, „este necesar să ne testăm instalația la sol și apoi într-un laborator zburător. Sperăm să fie Yak-40. În loc de radar, putem pune în nasul mașinii un motor electric HTSC de 500 de kilowați.

Vom instala un turbogenerator în coadă în locul motorului central. Cele două motoare Yak rămase vor fi suficiente pentru a testa creația noastră într-o gamă largă de înălțimi (până la 8000 m) și viteze (până la 500 km/h). Și chiar dacă instalația hibridă eșuează, avionul poate finaliza zborul și ateriza în siguranță.” Laboratorul demonstrativ va fi echipat conform planului în 2019. Ciclul de testare este programat provizoriu pentru 2020.

Ceruri inteligente

Propulsia electrică și hibridă ocupă un loc semnificativ în planurile celor mai mari producători de avioane din lume. Așa arată principalele caracteristici ale aviației de pasageri de la mijlocul acestui secol conform programului Smarter Skies al companiei AIRBUS.

Zbor „verde”

Aeronava viitorului va fi proiectată pentru a minimiza amprenta de hidrocarburi în atmosferă. Motoarele cu turbine cu gaz cu hidrogen, hibrizii și aeronavele complet electrice alimentate cu baterii vor câștiga popularitate.

Se presupune că bateriile vor fi reîncărcate din surse de electricitate ecologice. Este posibilă apariția unor parcuri eoliene mari sau centrale solare în zona aerodromurilor.

Libertate pe cer

Garniturile inteligente vor trasa în mod independent traseele pe baza parametrilor ecologici și eficienței combustibilului, pe baza analizei datelor meteorologice și atmosferice. De asemenea, ei se vor putea aduna în formațiuni precum stolurile de păsări, ceea ce va reduce rezistența pentru aeronavele individuale în formațiune și va reduce consumul de energie pentru zbor.

Mai degrabă din pământ

Noile sisteme de propulsie și aerodinamica aeronavei le vor permite să decoleze pe cea mai abruptă traiectorie posibilă pentru a reduce zgomotul în zona aeroportului și a ajunge cât mai curând la nivelul de croazieră, unde aeronava demonstrează caracteristici economice optime.

Aterizare fără motor

Avioanele viitorului vor putea ateriza într-un mod de planare. Acest lucru va economisi combustibil și va reduce nivelul de zgomot în zona aeroportului. Viteza de aterizare va scadea si ea. Acest lucru va scurta lungimea pistelor.

Fara evacuare

Aeroporturile viitorului vor elimina complet utilizarea motoarelor cu ardere internă care ard combustibil. Pentru rulare, garniturile vor fi echipate cu roți cu motor electric. Ca alternativă - tractoare electrice fără pilot de mare viteză, care vor putea livra rapid aeronave de pe platformă pe pistă și invers.