Ταχύτερη, πιο ήσυχη, καθαρότερη - Νέος κινητήρας αεροσκαφών

Αποδεικνύεται ότι για να αλλάξετε πολλά στην αεροπορία, δεν χρειάζεται να αναζητήσετε νέες προπέλες, φουτουριστικά σχέδια ή διαστημικά υλικά. Αρκεί να χρησιμοποιήσετε ένα σχετικά απλό χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων...

Πρόκειται για μια από τις σημαντικότερες καινοτομίες των τελευταίων ετών. Οι κινητήρες turbofan (GTF) επιτρέπουν στον συμπιεστή και τον ανεμιστήρα να περιστρέφονται με διαφορετικές ταχύτητες. Το γρανάζι κίνησης του ανεμιστήρα περιστρέφεται με τον άξονα του ανεμιστήρα, αλλά διαχωρίζει τον κινητήρα του ανεμιστήρα από τον συμπιεστή χαμηλής πίεσης και τον στρόβιλο. Ο ανεμιστήρας περιστρέφεται με χαμηλότερη ταχύτητα, ενώ ο συμπιεστής και η τουρμπίνα χαμηλής πίεσης λειτουργούν με υψηλότερη ταχύτητα. Κάθε μονάδα κινητήρα μπορεί να λειτουργεί με βέλτιστη απόδοση. Μετά από 20 χρόνια έρευνας και ανάπτυξης και περίπου 1000 δισεκατομμύρια δολάρια σε δαπάνες έρευνας και ανάπτυξης, η οικογένεια κινητήρων turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G ήταν έτοιμη για χρήση πριν από αρκετά χρόνια και έχει υιοθετηθεί ευρέως στα εμπορικά αεροσκάφη από το XNUMX.

Οι σύγχρονοι κινητήρες turbofan παράγουν ώση με δύο τρόπους. Πρώτον, οι συμπιεστές και ο θάλαμος καύσης βρίσκονται στον πυρήνα του. Στο μπροστινό μέρος υπάρχει ένας ανεμιστήρας ο οποίος, οδηγούμενος από τον πυρήνα, ωθεί τον αέρα μέσω των θαλάμων παράκαμψης γύρω από τον πυρήνα του κινητήρα. Ο λόγος παράκαμψης είναι ο λόγος της ποσότητας αέρα που διέρχεται από τον πυρήνα προς την ποσότητα αέρα που διέρχεται από αυτόν. Γενικά, υψηλότεροι λόγοι παράκαμψης σημαίνουν πιο αθόρυβους, πιο αποδοτικούς και ισχυρότερους κινητήρες. Οι συμβατικοί κινητήρες turbofan έχουν λόγο bypass 9 προς 1. Οι κινητήρες Pratt PurePower GTF έχουν λόγο bypass 12 προς 1.

Για να αυξηθεί η αναλογία παράκαμψης, οι κατασκευαστές κινητήρων πρέπει να αυξήσουν το μήκος των πτερυγίων του ανεμιστήρα. Ωστόσο, όταν εκτείνεται, οι ταχύτητες περιστροφής που επιτυγχάνονται στην άκρη της λεπίδας θα είναι τόσο υψηλές που θα προκύψουν ανεπιθύμητοι κραδασμοί. Χρειάζεστε τα πτερύγια του ανεμιστήρα για να μειώσετε την ταχύτητα, και γι' αυτό χρησιμεύει το κιβώτιο ταχυτήτων. Σύμφωνα με την Pratt & Whitney, ένας τέτοιος κινητήρας μπορεί να φτάσει το 16 τοις εκατό. μεγαλύτερη εξοικονόμηση καυσίμου και 50 τοις εκατό. λιγότερες εκπομπές καυσαερίων κατά 75 τοις εκατό. ησυχια. Πρόσφατα, η SWISS και η Air Baltic ανακοίνωσαν ότι οι κινητήρες τζετ της σειράς GTF C καταναλώνουν ακόμη λιγότερο καύσιμο από ό,τι υπόσχεται ο κατασκευαστής.

Κινητήρας PW1100G-JM στη γραμμή παραγωγής

Το περιοδικό TIME ονόμασε τον κινητήρα PW1000G μία από τις 50 πιο σημαντικές εφευρέσεις του 2011 και μία από τις έξι πιο πράσινες εφευρέσεις, επειδή η Pratt & Whitney PurePower έχει σχεδιαστεί για να είναι πιο καθαρή, πιο αθόρυβη, πιο ισχυρή και να χρησιμοποιεί λιγότερο καύσιμο από τους υπάρχοντες κινητήρες αεριωθουμένων. Το 2016, ο Ρίτσαρντ Άντερσον, τότε πρόεδρος της Delta Air Lines, αποκάλεσε τον κινητήρα «την πρώτη αληθινή καινοτομία» από τότε που το Dreamliner της Boeing έφερε επανάσταση στη σύνθετη κατασκευή.

Εξοικονόμηση και μείωση εκπομπών

Ο τομέας των εμπορικών αερομεταφορών εκπέμπει περισσότερους από 700 εκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα ετησίως. Αν και αυτό είναι μόνο περίπου 2 τοις εκατό. παγκόσμιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, υπάρχουν ενδείξεις ότι τα αέρια θερμοκηπίου στα καύσιμα αεριωθουμένων έχουν μεγαλύτερο αντίκτυπο στην ατμόσφαιρα επειδή απελευθερώνονται σε μεγαλύτερα υψόμετρα.

Οι μεγάλοι κατασκευαστές κινητήρων προσπαθούν να εξοικονομήσουν καύσιμα και να μειώσουν τις εκπομπές ρύπων. Ο ανταγωνιστής της Pratt, CFM International, παρουσίασε πρόσφατα τον δικό του προηγμένο κινητήρα που ονομάζεται LEAP, ο οποίος σύμφωνα με τους αξιωματούχους της εταιρείας προσφέρει παρόμοια αποτελέσματα σε έναν ανεμιστήρα με γρανάζια turbo εις βάρος άλλων λύσεων. Η CFM ισχυρίζεται ότι σε μια παραδοσιακή αρχιτεκτονική turbofan, τα ίδια οφέλη μπορούν να επιτευχθούν χωρίς το πρόσθετο βάρος και την αντίσταση του συστήματος μετάδοσης κίνησης. Το LEAP χρησιμοποιεί ελαφριά σύνθετα υλικά και λεπίδες ανεμιστήρα από ανθρακονήματα για να επιτύχει βελτιώσεις ενεργειακής απόδοσης που η εταιρεία λέει ότι είναι συγκρίσιμες με αυτές που επιτυγχάνονται με τον κινητήρα Pratt & Whitney.

Μέχρι σήμερα, οι παραγγελίες κινητήρων Airbus για το A320neo κατανέμονται περίπου ομοιόμορφα μεταξύ CFM και Pratt & Whitney. Δυστυχώς για την τελευταία εταιρεία, οι κινητήρες PurePower προκαλούν προβλήματα στους χρήστες. Το πρώτο εμφανίστηκε φέτος όταν καταγράφηκε ανομοιόμορφη ψύξη των κινητήρων GTF στο Airbus A320neo της Qatar Airways. Η ανομοιόμορφη ψύξη μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση και τριβή εξαρτημάτων και ταυτόχρονα να αυξήσει το χρόνο μεταξύ των πτήσεων. Ως αποτέλεσμα, η αεροπορική εταιρεία κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι κινητήρες δεν πληρούσαν τις επιχειρησιακές απαιτήσεις. Αμέσως μετά, οι ινδικές αεροπορικές αρχές καθήλωσαν 11 αεροσκάφη Airbus A320neo με κινητήρες PurePower GTF. Η απόφαση λήφθηκε αφού το αεροσκάφος με κινητήρα Airbus GTF παρουσίασε βλάβη στον κινητήρα τρεις φορές μέσα σε δύο εβδομάδες, ανέφεραν οι Economic Times. Η Pratt & Whitney υποβαθμίζει αυτές τις προκλήσεις, λέγοντας ότι είναι εύκολο να ξεπεραστούν.

Ηλεκτρονικός ανεμιστήρας Airbusa

Ένας άλλος κολοσσός των κινητήρων αεροσκαφών, η Rolls-Royce, αναπτύσσει το δικό του Power Gearbox, το οποίο μέχρι το 2025 θα μειώσει την κατανάλωση καυσίμου στους μεγάλους κινητήρες turbofan κατά 25%. σε σύγκριση με παλαιότερα μοντέλα της διάσημης σειράς κινητήρων Trent. Αυτό, φυσικά, σημαίνει έναν νέο διαγωνισμό σχεδίου Pratt & Whitney.

Οι Βρετανοί σκέφτονται άλλα είδη καινοτομίας. Κατά τη διάρκεια της πρόσφατης αεροπορικής έκθεσης της Σιγκαπούρης, η Rolls-Royce ξεκίνησε την πρωτοβουλία IntelligentEngine, η οποία στοχεύει στην ανάπτυξη ευφυών κινητήρων αεροσκαφών που είναι ασφαλέστεροι και πιο αποτελεσματικοί, έχοντας τη δυνατότητα να επικοινωνούν μεταξύ τους και μέσω ενός δικτύου τεχνικής υποστήριξης. Παρέχοντας συνεχή αμφίδρομη επικοινωνία με τον κινητήρα και άλλα μέρη του οικοσυστήματος σέρβις, ο κινητήρας μπορεί να λύσει προβλήματα πριν προκύψουν και να μάθει να βελτιώνει την απόδοση. Θα μάθαιναν επίσης από την ιστορία της δουλειάς τους και άλλους κινητήρες, και σε γενικές γραμμές θα έπρεπε ακόμη και να επισκευάζονται εν κινήσει.

Η ηλεκτρική κίνηση χρειάζεται καλύτερες μπαταρίες

Το Aviation Vision 2050 της Ευρωπαϊκής Επιτροπής μιλά για τη μείωση των εκπομπών CO.₂ κατά 75 τοις εκατό, τα οξείδια του αζώτου κατά 90 τοις εκατό. και θόρυβος κατά 65 τοις εκατό. Δεν μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας τις υπάρχουσες τεχνολογίες. Οι ηλεκτρικοί και οι υβριδικοί-ηλεκτρικοί κινητήρες θεωρούνται επί του παρόντος ως μία από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων.

Στην αγορά κυκλοφορούν διθέσια ηλεκτρικά ελαφρά αεροσκάφη. Τα τετραθέσια υβριδικά-ηλεκτρικά αυτοκίνητα είναι στον ορίζοντα. Η NASA προβλέπει ότι τα αεροσκάφη μικρών αποστάσεων, εννέα θέσεων αυτού του τύπου θα επαναφέρουν τις αεροπορικές υπηρεσίες σε μικρές κοινότητες στις αρχές της δεκαετίας του '20. Τόσο στην Ευρώπη όσο και στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι έως το 2030 είναι δυνατή η κατασκευή ενός υβριδικού-ηλεκτρικού αεροσκάφους χωρητικότητας έως και 100 θέσεων. Ωστόσο, θα χρειαστεί σημαντική πρόοδος στην αποθήκευση ενέργειας.

Επί του παρόντος, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών απλά δεν είναι αρκετή. Ωστόσο, όλα αυτά θα μπορούσαν να αλλάξουν. Ο επικεφαλής της Tesla, Έλον Μασκ, είπε ότι όταν οι μπαταρίες είναι ικανές να παράγουν 400 watt-h/k και η αναλογία ισχύος κυψέλης προς συνολικό βάρος είναι 0,7-0,8, ένα ηλεκτρικό διηπειρωτικό αεροσκάφος θα γίνει μια «προηγμένη εναλλακτική λύση». Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπόρεσαν να επιτύχουν ενεργειακές πυκνότητες 113 Wh/kg το 1994, 202 Wh/kg το 2004, και τώρα είναι σε θέση να φτάσουν περίπου τις 300 Wh/kg, μπορεί να υποτεθεί ότι θα φτάσουν σε επίπεδα εντός του την επόμενη δεκαετία 400 Wh/kg.

Έργο ηλεκτρικού διθέσιου αεροταξί Kitty Hawk

Η Airbus, η Rolls-Royce και η Siemens συνεργάστηκαν πρόσφατα για την ανάπτυξη του ιπτάμενου επίδειξης E-Fan X, ο οποίος θα αποτελέσει σημαντική πρόοδο στην υβριδική-ηλεκτρική πρόωση για εμπορικά αεροσκάφη. Αναμένεται να παρουσιαστεί η υβριδική ηλεκτρική τεχνολογία του E-Fan X. Το Fan X θα πετάξει το 2020 μετά από μια ολοκληρωμένη εκστρατεία δοκιμών εδάφους. Σε πρώτο στάδιο, το BAe 146 θα αντικαταστήσει έναν από τους τέσσερις κινητήρες του με έναν ηλεκτροκινητήρα δύο μεγαβάτ. Στη συνέχεια, σχεδιάζεται η αντικατάσταση της δεύτερης τουρμπίνας με ηλεκτροκινητήρα αφού αποδειχθεί η ωριμότητα του συστήματος.

Η Airbus θα είναι υπεύθυνη για τη συνολική ενοποίηση καθώς και την αρχιτεκτονική ελέγχου για το υβριδικό ηλεκτρικό σύστημα μετάδοσης κίνησης και τις μπαταρίες, καθώς και την ενσωμάτωσή του με τα συστήματα ελέγχου πτήσης. Η Rolls-Royce θα είναι υπεύθυνη για τον κινητήρα αεριοστροβίλου, τη γεννήτρια δύο μεγαβάτ και τα ηλεκτρονικά ισχύος. Η Rolls-Royce θα συνεργαστεί επίσης με την Airbus για να προσαρμόσει τους ανεμιστήρες στην υπάρχουσα ατράκτου και ηλεκτροκινητήρα της Siemens. Η Siemens θα προμηθεύει τους ηλεκτροκινητήρες δύο μεγαβάτ και τον ηλεκτρονικό ελεγκτή ισχύος, καθώς και τον μετατροπέα, τον μετατροπέα και το σύστημα διανομής ισχύος.

Πολλά ερευνητικά κέντρα σε όλο τον κόσμο εργάζονται σε ηλεκτρικά αεροσκάφη, συμπεριλαμβανομένης της NASA, η οποία κατασκευάζει το X-57 Maxwell. Αναπτύσσεται επίσης έργο για το ηλεκτρικό διθέσιο αεροταξί Kitty Hawk και πολλές άλλες δομές μεγάλων κέντρων, εταιρειών ή μικρών start-ups.

Δεδομένου ότι η μέση διάρκεια ζωής των επιβατικών και φορτηγών αεροπλάνων είναι περίπου 21 και 33 χρόνια αντίστοιχα, ακόμα κι αν όλα τα νέα αεροπλάνα που θα παραχθούν αύριο ήταν αποκλειστικά ηλεκτρικά, θα χρειαζόταν δύο έως τρεις δεκαετίες για να καταργηθούν σταδιακά τα αεροπλάνα που κινούνται με ορυκτά καύσιμα.

Άρα δεν θα λειτουργήσει γρήγορα. Εν τω μεταξύ, τα βιοκαύσιμα μπορούν να βελτιώσουν το περιβάλλον στον τομέα των αερομεταφορών. Συμβάλλουν στη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα κατά 36-85 τοις εκατό. Παρά το γεγονός ότι τα μείγματα βιοκαυσίμων για κινητήρες τζετ πιστοποιήθηκαν το 2009, η αεροπορική βιομηχανία δεν βιάζεται να εφαρμόσει αλλαγές. Υπάρχουν λίγα τεχνολογικά εμπόδια και προκλήσεις για να φτάσει η παραγωγή βιοκαυσίμων σε βιομηχανικά επίπεδα, αλλά ο κύριος περιοριστικός παράγοντας είναι η τιμή—χρειάζονται άλλα δέκα χρόνια για να επιτευχθεί ισοτιμία με τα ορυκτά καύσιμα.

Βήμα στο Μέλλον

Ταυτόχρονα, τα εργαστήρια εργάζονται σε κάπως πιο φουτουριστικές ιδέες κινητήρων αεροσκαφών. Μέχρι στιγμής, για παράδειγμα, ένας κινητήρας πλάσματος δεν ακούγεται πολύ ρεαλιστικός, αλλά δεν μπορεί να αποκλειστεί ότι οι επιστημονικές εργασίες θα εξελιχθούν σε κάτι ενδιαφέρον και χρήσιμο. Οι μηχανές πλάσματος χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να δημιουργήσουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Συμπιέζουν και διεγείρουν ένα αέριο, όπως ο αέρας ή το αργό, σε πλάσμα—μια καυτή, πυκνή, ιονισμένη κατάσταση. Η έρευνά τους οδηγεί τώρα στην ιδέα της εκτόξευσης δορυφόρων στο διάστημα (ιονική πρόωση). Ωστόσο, ο Berkant Göksel από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου και η ομάδα του θέλουν να εγκαταστήσουν κινητήρες πλάσματος σε αεροσκάφη.

Ο στόχος της έρευνας είναι η ανάπτυξη ενός κινητήρα πλάσματος που αναπνέει αέρα που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί τόσο για απογείωση όσο και για πτήσεις σε μεγάλο ύψος. Οι κινητήρες τζετ πλάσματος είναι συνήθως σχεδιασμένοι να λειτουργούν σε ατμόσφαιρα κενού ή χαμηλής πίεσης όπου απαιτείται παροχή αερίου. Ωστόσο, η ομάδα του Hoksel δοκίμασε μια συσκευή που μπορούσε να λειτουργήσει στον αέρα με πίεση μιας ατμόσφαιρας. «Τα ακροφύσια πλάσματος μας μπορούν να φτάσουν ταχύτητες έως και 20 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο», λέει ο Goksel στη σειρά συνεδρίων Journal of Physics.

Κινητήρας SABER σε ένα υπερηχητικό όχημα του μέλλοντος

Αρχικά, η ομάδα δοκίμασε μικροσκοπικούς προωθητές μήκους 80 χιλιοστών. Για ένα μικρό αεροσκάφος, αυτό θα ήταν έως και χίλια από αυτά που η ομάδα πιστεύει ότι είναι πιθανά. Ο μεγαλύτερος περιορισμός, φυσικά, είναι η έλλειψη ελαφρών μπαταριών. Οι επιστήμονες εξετάζουν επίσης υβριδικά αεροσκάφη, τα οποία θα συνδύαζαν την πρόωση πλάσματος με κινητήρες εσωτερικής καύσης ή πυραύλους.

Όταν μιλάμε για καινοτόμες ιδέες κινητήρων αεριωθουμένων, δεν μπορούμε να ξεχάσουμε τον κινητήρα SABER (Συνεργιστικός κινητήρας πυραύλων που αναπνέει αέρα) που αναπτύχθηκε από την Reaction Engines Limited. Αναμένεται ότι αυτός θα είναι ένας κινητήρας που θα λειτουργεί τόσο σε ατμόσφαιρα όσο και σε κενό, τροφοδοτούμενος από υγρό υδρογόνο. Στο αρχικό στάδιο της πτήσης, το οξειδωτικό θα είναι αέρας από την ατμόσφαιρα (όπως στους συμβατικούς κινητήρες αεριωθουμένων) και από υψόμετρο 26 km (όπου το πλοίο φτάνει σε ταχύτητα 5 εκατομμυρίων ετών) - υγρό οξυγόνο. Μετά τη μετάβαση σε λειτουργία πυραύλων, θα φτάσει σε ταχύτητες έως και 25 Mach.

Το HorizonX, ο επενδυτικός βραχίονας της Boeing που συμμετέχει στο έργο, δεν έχει ακόμη καθορίσει πώς θα μπορούσε να το χρησιμοποιήσει η SABER, εκτός από το ότι αναμένει να "χρησιμοποιήσει την πρωτοποριακή τεχνολογία για να βοηθήσει την Boeing στην αναζήτησή της για υπερηχητική πτήση".

Οι κινητήρες Ramjet και οι κινητήρες scramjet (υπερηχικοί κινητήρες αεριωθουμένων με θάλαμο καύσης) είναι εδώ και καιρό στα χείλη των οπαδών της αεροπορίας υψηλής ταχύτητας. Επί του παρόντος, αναπτύσσονται κυρίως για στρατιωτικούς σκοπούς. Ωστόσο, όπως διδάσκει η ιστορία της αεροπορίας, ό,τι δοκιμάζεται στον στρατό θα πάει στην πολιτική αεροπορία. Το μόνο που χρειάζεται είναι λίγη υπομονή.

Βίντεο Rolls Royce Intelligent Engine:

Rolls-Royce | Καινοτομία στο IntelligentEngine