Hitrejši, tišji, čistejši - nov letalski motor

Izkazalo se je, da za veliko spremembo v letalstvu ni treba iskati novih propelerjev, futurističnih dizajnov ali vesoljskih materialov. Dovolj je, da uporabite relativno preprost mehanski prenos ...

To je ena najpomembnejših novosti zadnjih let. Turboventilatorski motorji (GTF) omogočajo, da se kompresor in ventilator vrtita z različnimi hitrostmi. Pogon ventilatorja se vrti skupaj z gredjo ventilatorja, vendar ločuje motor ventilatorja od nizkotlačnega kompresorja in turbine. Ventilator se vrti z nižjo hitrostjo, medtem ko kompresor in nizkotlačna turbina delujeta z višjo hitrostjo. Vsak modul motorja lahko deluje z optimalno učinkovitostjo. Po 20 letih porabe za raziskave in razvoj ter raziskave in razvoj v višini približno 1000 milijard dolarjev je družina turboventilatorskih motorjev Pratt & Whitney PurePower PW2016G delovala pred nekaj leti in je bila od leta XNUMX množično uvedena v komercialna letala.

Sodobni turboventilatorski motorji ustvarjajo potisk na dva načina. Prvič, kompresorji in zgorevalna komora se nahajajo v njegovem jedru. Na sprednji strani je ventilator, ki poganja jedro, usmerja zrak skozi obvodne komore okoli jedra motorja. Obvodno razmerje je razmerje med količino zraka, ki prehaja skozi jedro, in količino zraka, ki prehaja skozi jedro. Na splošno višje razmerje obvoda pomeni tišje, učinkovitejše in močnejše motorje. Običajni turboventilatorski motorji imajo razmerje obvoda 9 proti 1. Motorji Pratt PurePower GTF imajo obvodno razmerje 12 proti 1.

Za povečanje obvodnega razmerja morajo proizvajalci motorjev povečati dolžino lopatic ventilatorja. Vendar pa bodo pri podaljševanju hitrosti vrtenja, dosežene na koncu rezila, tako visoke, da se bodo pojavile neželene vibracije. Za upočasnitev potrebujete lopatice ventilatorja in temu je namenjen menjalnik. Takšen motor je lahko po podatkih Pratt & Whitney kar 16 odstotkov. velika poraba goriva in 50 odstotkov. manj izpušnih plinov in znaša 75 odstotkov. tih. Pred kratkim sta SWISS in Air Baltic objavila, da njuni reaktivni motorji serije GTF C porabijo še manj goriva, kot obljublja proizvajalec.

Motor PW1100G-JM na proizvodni liniji

Revija TIME je motor PW1000G označila za enega izmed 50 najpomembnejših izumov leta 2011 in za enega od šestih najbolj okolju prijaznih izumov, saj je Pratt & Whitney PurePower zasnovan tako, da je čistejši, tišji, zmogljivejši in porabi manj goriva kot obstoječi reaktivni motorji. Leta 2016 je Richard Anderson, tedanji predsednik Delta Air Lines, motor označil za "prvo pravo inovacijo", odkar je Boeingov Dreamliner revolucioniral sestavljeno konstrukcijo.

Prihranki in zmanjšanje emisij

Sektor komercialnega letalstva letno izpusti več kot 700 milijonov ton ogljikovega dioksida. Čeprav je le okoli 2 odstotka. globalnih emisij ogljikovega dioksida, obstajajo dokazi, da imajo toplogredni plini v reaktivnem gorivu večji vpliv na ozračje, saj se sproščajo na višjih nadmorskih višinah.

Glavni proizvajalci motorjev želijo prihraniti gorivo in zmanjšati emisije. Prattov konkurent CFM International je pred kratkim predstavil lasten napreden motor, imenovan LEAP, za katerega predstavniki podjetja pravijo, da zagotavlja podobne rezultate kot turboventilator z gonilom na račun drugih rešitev. CFM trdi, da je v tradicionalni turboventilatorski arhitekturi enake prednosti mogoče doseči brez dodane teže in upora pogonskega sklopa. LEAP uporablja lahke kompozitne materiale in lopatice ventilatorjev iz ogljikovih vlaken za doseganje izboljšav energetske učinkovitosti, ki so po mnenju podjetja primerljive s tistimi, doseženimi z motorjem Pratt & Whitney.

Do danes so naročila za motorje Airbus za A320neo približno enakomerno razdeljena med CFM in Pratt & Whitney. Na žalost slednjega podjetja motorji PurePower uporabnikom povzročajo težave. Prvi se je pojavil letos, ko so v Qatar Airways Airbus A320neo zabeležili neenakomerno hlajenje motorjev GTF. Neenakomerno hlajenje lahko povzroči deformacije in trenje delov, hkrati pa poveča čas med leti. Zaradi tega je letalska družba ugotovila, da motorji ne izpolnjujejo operativnih zahtev. Kmalu zatem so indijske letalske oblasti prekinile lete 11 letal Airbus A320neo, ki jih poganjajo motorji PurePower GTF. Po poročanju Economic Timesa je odločitev prišla po tem, ko je letalo z motorjem Airbus GTF v dveh tednih utrpelo tri okvare motorja. Pratt & Whitney zanemarja te težave in pravi, da jih je enostavno premagati.

Airbus elektronski ventilator

Drugi velikan na področju letalskih motorjev, Rolls-Royce, razvija lasten Power Gearbox, ki bo do leta 2025 zmanjšal porabo goriva pri velikih turboventilatorjih za 25 %. v primerjavi s starejšimi modeli dobro poznane palete motorjev Trent. To seveda pomeni novo oblikovalsko tekmovanje Pratt & Whitney.

Britanci razmišljajo tudi o drugih vrstah inovacij. Med nedavnim letalskim salonom v Singapurju je Rolls-Royce predstavil pobudo IntelligentEngine Initiative, katere cilj je razviti inteligentne letalske motorje, ki so varnejši in učinkovitejši z zmožnostjo medsebojne komunikacije in podpornega omrežja. Z zagotavljanjem neprekinjene dvosmerne komunikacije z motorjem in drugimi deli storitvenega ekosistema bo motor lahko rešil težave, preden se pojavijo, in se naučil izboljšati zmogljivost. Učili bi se tudi iz zgodovine svojega dela in drugih motorjev, na splošno pa bi se morali sami popravljati na poti.

Pogon potrebuje boljše baterije

Letalska vizija Evropske komisije za leto 2050 zahteva zmanjšanje emisij CO.₂ za 75 odstotkov, dušikovi oksidi za 90 odstotkov. in hrup za 65 odstotkov. Z obstoječimi tehnologijami jih ni mogoče doseči. Električni in hibridno-električni pogonski sistemi se trenutno obravnavajo kot ena najbolj obetavnih tehnologij za spopadanje s temi izzivi.

Na trgu so dvosedežna električna lahka letala. Na obzorju so štirisedežna hibridno-električna vozila. NASA napoveduje, da bo v zgodnjih dvajsetih letih ta vrsta letalskih prevoznikov z devetimi sedeži na kratke razdalje vrnila letalske storitve v manjše skupnosti. Tako v Evropi kot v ZDA znanstveniki verjamejo, da je do leta 20 mogoče zgraditi hibridno električno letalo z zmogljivostjo do 2030 sedežev. Vendar pa bo potreben pomemben napredek na področju shranjevanja energije.

Trenutno energijska gostota baterij preprosto ni dovolj. Vendar bi se vse to lahko spremenilo. Šef Tesle Elon Musk je dejal, da ko bodo baterije sposobne proizvesti 400 vatnih ur na kilogram in bo razmerje med močjo celice in skupno težo 0,7-0,8, bo električno transkontinentalno letalo postalo "težka alternativa". Glede na to, da so litij-ionske baterije leta 113 dosegle energijsko gostoto 1994 Wh/kg, leta 202 2004 Wh/kg, zdaj pa lahko dosežejo približno 300 Wh/kg, se lahko domneva, da bodo v naslednjem desetletju bo dosegla raven 400 Wh/kg.

Projekt električnega dvosedežnega zračnega taksija Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce in Siemens so pred kratkim sodelovali pri razvoju demonstratorja letenja E-Fan X, ki bo pomemben korak naprej v hibridno-električnem pogonu komercialnih letal. Predstavitev hibridne električne tehnologije E-Fan X naj bi bila -Fan X bo letel leta 2020 po obsežni kampanji testiranja na tleh. V prvi fazi bo BAe 146 enega od štirih motorjev zamenjal z XNUMX MW elektromotorjem. V nadaljevanju je predvidena zamenjava druge turbine z elektromotorjem po dokazovanju zrelosti sistema.

Airbus bo odgovoren za celotno integracijo, pa tudi hibridno arhitekturo električnega pogona in upravljanja baterije ter njeno integracijo s sistemi za nadzor letenja. Rolls-Royce bo odgovoren za plinskoturbinski motor, XNUMX-megavatni generator in močnostno elektroniko. Rolls-Royce bo skupaj z Airbusom delal tudi na prilagajanju ventilatorjev na obstoječo gondolno Siemens in elektromotor. Siemens bo dobavil elektromotorje z močjo XNUMX MW in elektronski krmilnik moči ter pretvornik, pretvornik in sistem za distribucijo električne energije.

Številni raziskovalni centri po vsem svetu delajo na električnih letalih, vključno z NASA, ki gradi X-57 Maxwell. Razvijajo se tudi projekt električnih dvosedežnih letalskih taksijev Kitty Hawk in številne druge strukture velikih centrov, podjetij ali malih start-upov.

Glede na to, da je povprečna življenjska doba potniških in tovornih letal okoli 21 oziroma 33 let, tudi če bodo jutri izdelana vsa nova letala povsem električna, bi za postopno ukinitev letal na fosilna goriva potrebovali dve do tri desetletja.

Tako da ne bo šlo hitro. Medtem lahko biogoriva olajšajo okolje v letalskem sektorju. Pomagajo zmanjšati emisije ogljikovega dioksida za 36-85 odstotkov. Kljub dejstvu, da so bile mešanice biogoriv za reaktivne motorje certificirane že leta 2009, se letalski industriji ne mudi s spremembami. Tehnoloških ovir in izzivov, povezanih z dvigom proizvodnje biogoriv na industrijsko raven, je malo, glavna odvračilna dejavnika pa je cena – za doseganje enakosti s fosilnimi gorivi je potrebnih še deset let.

Stopite v prihodnost

Hkrati laboratoriji delajo na nekoliko bolj futurističnih konceptih letalskih motorjev. Zaenkrat na primer plazemski motor ne zveni preveč realistično, ni pa izključeno, da se bodo znanstvena dela razvila v nekaj zanimivega in uporabnega. Plazemski potisniki uporabljajo elektriko za ustvarjanje elektromagnetnih polj. Stisnejo in vzbujajo plin, kot je zrak ali argon, v plazmo – vroče, gosto, ionizirano stanje. Njihove raziskave zdaj vodijo do ideje o izstrelitvi satelitov v vesolju (ionskih potisnikov). Vendar Berkant Goeksel s Tehnične univerze v Berlinu in njegova ekipa želita na letala postaviti plazemske potisnike.

Cilj raziskave je razviti zračno reaktivni plazemski motor, ki bi se lahko uporabljal tako za vzletne kot tudi za višinske lete. Plazemski reaktivni motorji so običajno zasnovani za delovanje v vakuumu ali nizkotlačnem ozračju, kjer je potrebna oskrba s plinom. Vendar je Gökselova ekipa testirala napravo, ki je sposobna delovati na zraku pri tlaku ene atmosfere. "Naše plazemske šobe lahko dosežejo hitrost do 20 kilometrov na sekundo," pravi Göckel v seriji konferenc Journal of Physics.

Motor SABRE v hiperzvočnem vozilu prihodnosti

Za začetek je ekipa testirala miniaturne potisne pogone, dolge 80 milimetrov. Za majhno letalo bo to do tisoč od tistega, kar ekipa meni, da je možno. Največja omejitev je seveda pomanjkanje lahkih baterij. Znanstveniki razmišljajo tudi o hibridnih letalih, pri katerih bo plazemski motor kombiniran z motorji z notranjim zgorevanjem ali raketami.

Ko govorimo o inovativnih konceptih reaktivnih motorjev, ne pozabimo na SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), ki so ga razvili pri Reaction Engines Limited. Predvideva se, da bo to motor, ki deluje tako v ozračju kot v vakuumu in deluje na tekoči vodik. Na začetni stopnji leta bo oksidant zrak iz atmosfere (kot pri običajnih reaktivnih motorjih) in z višine 26 km (kjer ladja doseže hitrost 5 milijonov let) - tekoči kisik. Po preklopu v raketni način bo dosegel hitrost do 25 Mach.

HorizonX, Boeingova investicijska veja, vključena v projekt, se še ni odločila, kako bi ga SABRE lahko uporabil, razen da pričakuje, da bo "uporabil revolucionarno tehnologijo za pomoč Boeingu pri njegovem iskanju nadzvočnega leta."

RAMJET in scramjet (nadzvočni reaktivni motor z zgorevalno komoro) sta že dolgo na ustih ljubiteljev hitrega letalstva. Trenutno se razvijajo predvsem za vojaške namene. Vendar, kot uči zgodovina letalstva, bo tisto, kar bo preizkušeno v vojski, šlo v civilno letalstvo. Vse kar je potrebno je malo potrpljenja.

Video o inteligentnem motorju Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovacija v IntelligentEngine