Vai elektriskā lidmašīna ir alternatīva mūsdienu aviācijai?

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Mūsdienīgais gāzes turbīnas (turboventilatora) dzinējs, kas darbina uzlikas, protams, nav divtaktu grabulis dārza darbarīkiem, bet gan ļoti efektīva un ļoti uzticama mašīna. Tomēr, pēc lidmašīnu ražotāju domām, tas ir tuvu tam, ka rezerves turpmākai uzlabošanai ir izsmeltas.

Kāpēc ir dzinēji - visas būvējamās lidmašīnas ir tik līdzīgas viena otrai, ka tikai aviācijas eksperts uzreiz atšķirs Boeing vai Airbus no Bombardier vai MS-21. Un, lai gan nav ne mazāko šaubu, ka moderna tipa lidmašīnas ar diviem gāzturbīnu dzinējiem zem spārniem mūs ripinās pa debesīm gadu desmitiem, lielas cerības uz jaunu lidmašīnu izkārtojumu un jaunu aerodinamiku saistās ar elektrisko piedziņu.

Ātri, bet ne uz ilgu laiku

Vēl nesen ar jēdzienu "elektriskā lidmašīna" tika saprasts "elektriskāks lidaparāts" - lidmašīna ar fiksētu spārnu, kurā mehāniskās un hidrauliskās transmisijas maksimāli tika aizstātas ar elektriskajām.

Vairs nekādu cauruļu un kabeļu – visus mehāniskos darbus, piemēram, stūres dzīšanu un spārna mehanizāciju, veic mazie elektromotori-izpildmehānismi, kuriem tiek pievadīta jauda un kanāls vadības signālam. Tagad termins ir piepildīts ar jaunu nozīmi: patiesai elektriskajai plaknei pašai jāpārvietojas ar elektrisko vilci.

Protams, elektriskās aviācijas izredzes ir atkarīgas ne tikai (un pat ne tik daudz) no lidmašīnu dizaineriem, kā no progresa elektrotehnikas jomā. Galu galā lidmašīnas, kā saka, "uz baterijām" pastāv. Pirms vairākiem gadu desmitiem planieriem tika uzstādīti papildu elektromotori.

Extra 330LE, kas pirmo reizi lidoja 2016. gadā, jau pārvadā planierus un uzstāda ātruma rekordus. Bet tā 14 jaudīgo litija jonu akumulatoru bloks un Siemens elektromotors ļauj šim mazulim uzņemt tikai divus cilvēkus, ieskaitot pilotu, un uzturēties gaisā ne ilgāk kā 20 minūtes.

Papildus 330LE

Protams, ir projekti ar daudz iespaidīgākiem rādītājiem. Pagājušā gada septembrī Lielbritānijas zemo cenu aviokompānija EasyJet paziņoja, ka pēc desmit gadiem tā laidīs klajā pilnībā elektrisku reģionālo laineri (diapazons 540 km, kas ir diezgan daudz Eiropas iekšējiem lidojumiem) ar 180 pasažieru ietilpību.

Par projekta partneri kļuvis amerikāņu startup Wright Electric, kas jau uzbūvējis divvietīgu lidojošo demonstratoru. Tomēr šodien labāko litija jonu akumulatoru enerģijas blīvums ir vairāk nekā par vienu pakāpi zemāks par ogļūdeņražu degvielu. Tiek pieņemts, ka līdz 2030. gadam akumulatori uzlabos savu veiktspēju ne vairāk kā divas reizes.

Turbīna, paliec

Daudz izdevīgāka izskatās situācija ar kurināmā elementiem, kuros degvielas ķīmiskā enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā tieši, apejot sadegšanas procesu.

Ūdeņradis tiek uzskatīts par visperspektīvāko degvielu šādam enerģijas avotam. Eksperimenti ar kurināmā elementiem kā elektriskās lidmašīnas barošanas avotu tiek veikti dažādās pasaules valstīs (Krievijā CIAM galvenokārt strādā pie šādu lidmašīnu izveides projektiem, un tiem tiek radītas kurināmā šūnas IPCP RAS ietvaros profesora Jurija Dobrovoļska vadībā).

No lidošanas un apkalpes koncepcijas var atsaukt atmiņā Eiropas demonstratoru ENFICA-FC Rapid 200FC - tajā vienlaikus tika izmantoti gan elektriskie akumulatori, gan degvielas šūnas. Taču šai tehnoloģijai ir nepieciešami arī būtiski uzlabojumi un papildu pētījumi.

Visreālākās šodienas perspektīvas šķiet elektrisko lidmašīnu perspektīvas, kas būvētas pēc hibrīdshēmas. Tas nozīmē, ka lidaparāta dzenskrūve (propelleris vai propfans) tiks darbināts ar elektromotoru, bet elektrību tas saņems no ģeneratora, kuru rotē … gāzturbīnas dzinējs (vai cits iekšdedzes dzinējs). No pirmā acu uzmetiena šāda shēma šķiet dīvaina: viņi vēlas atteikties no GTE par labu elektromotoram, taču viņi to negrasās darīt.

Pasaulē jau ir diezgan daudz hibrīdprojektu, bet mūs galvenokārt interesē Krievija. Darbs pie elektriskās plaknes, jo īpaši ar hibrīda shēmu, tika veikts dažādos aviācijas profila zinātniskajos institūtos, piemēram, TsAGI vai TsIAM.

Šodien šīs un dažas citas institūcijas ir apvienotas (kopš 2014. gada) pētniecības centra "N. Je. Žukovska institūts" paspārnē, kas paredzēts, lai kļūtu par vienotu spēcīgu nozares "prāta trestu". Uzdevums integrēt visu darbu ar elektrisko aviāciju centrā ir uzticēts Sergejam Galperinam, kuru mēs jau citējām raksta sākumā.

Pacelšanās ar akumulatoru darbināma

"Pāreja uz elektromotoriem aviācijā paver daudzas interesantas perspektīvas," saka Sergejs Halperins, "taču nav iemesla rēķināties ar komerciālas elektriskās lidmašīnas izveidi ar Krievijas apstākļiem pienācīgu darbības rādiusu uz tīri ķīmiskiem enerģijas avotiem (akumulatori vai kurināmā elementi) tuvākajā nākotnē: enerģijas potenciāls pārāk atšķiras kilogramā petrolejas un kilogramā bateriju. Hibrīda dizains varētu būt saprātīgs kompromiss. Jāsaprot, ka gāzes turbīnas dzinējs, kas tieši rada vilci, un gāzturbīnas dzinējs, kas iedarbinās ģeneratora vārpstu, nebūt nav viens un tas pats.

Fakts ir tāds, ka lidmašīnas enerģijas prasības lidojuma laikā ievērojami mainās. Pacelšanās laikā lidmašīnas dzinējs attīsta jaudu tuvu savam maksimumam, un kreisēšanas laikā (tas ir, lielākajā daļā lidojuma) lidmašīnas jaudas patēriņš tiek samazināts 5-6 reizes.

Tādējādi tradicionālajai elektrostacijai jāspēj darboties plašā režīmā (ne vienmēr optimālā no ekonomiskā viedokļa) un ātri pārslēgties no viena uz otru. No gāzes turbīnas dzinēja hibrīda instalācijā nekas tāds nav vajadzīgs. Tas būs līdzīgs spēkstaciju gāzes turbīnām, kas vienmēr darbojas vienā, ekonomiski izdevīgākajā režīmā. Viņi ir strādājuši gadiem ilgi, neapstājoties."

Ce-laineris

Ar ģeneratora palīdzību GTE varēs ģenerēt enerģiju tiešai elektromotoru barošanai, kā arī rezerves veidošanai akumulatoros. Akumulatora palīdzība būs nepieciešama tikai pacelšanās laikā.

Bet, tā kā elektromotoru darbība pacelšanās režīmā ilgs tikai dažas minūtes, enerģijas rezervei nevajadzētu būt ļoti lielai un akumulatori uz kuģa var būt diezgan pieņemami pēc izmēra un svara. Tajā pašā laikā gāzturbīnas dzinējam nebūs nekāda pacelšanās režīma – tā bizness ir klusi ražot elektroenerģiju.

Tādējādi, atšķirībā no lidmašīnas dzinēja, gāzturbīnas dzinējs hibrīdelektriskajā lidmašīnā būs mazāk jaudīgs, uzticamāks un videi draudzīgāks, vienkāršāks pēc konstrukcijas, kas nozīmē lētāks un, visbeidzot, ar lielāku resursu.

Pūt uz spārnu

Tajā pašā laikā pāreja uz elektromotoriem paver perspektīvas fundamentāliem jauninājumiem nākotnes civilo gaisa kuģu konstrukcijā. Viena no apspriestākajām tēmām ir sadalīto spēkstaciju izveide.

Mūsdienās klasiskais oderējuma izkārtojums paredz divus vilces pielietojuma punktus, tas ir, divus, retāk četrus, jaudīgus dzinējus, kas karājas uz piloniem zem spārna. Elektriskās lidmašīnās tiek apsvērts liela skaita elektromotoru izvietojums gar spārnu, kā arī tā galos. Kāpēc tas ir vajadzīgs?

Lieta atkal ir atšķirībā starp pacelšanās un kruīza režīmu. Paceļoties ar nelielu incidenta plūsmas ātrumu, gaisa kuģim ir nepieciešams liels spārna laukums, lai radītu pacēlumu. Kreisēšanas ātrumā platais spārns traucē, radot lieku pacēlumu.

Problēma ir atrisināta sarežģītās mehanizācijas dēļ - izvelkami atloki un līstes. Mazākas lidmašīnas, kas paceļas no maziem lidlaukiem un kurām ir lieli spārni, ir spiestas kreisēt ar neoptimālu uzbrukuma leņķi, kas rada papildu degvielas patēriņu.

Bet, ja pacelšanās laikā daudzi ar dzenskrūvēm pieslēgti elektromotori papildus izpūtīs spārnu, tas nebūs jātaisa pārāk plats. Lidmašīna pacelsies ar īsu pacelšanos, un kreisēšanas posmā šaurs spārns problēmas neradīs. Automašīnu vilks uz priekšu dzenskrūves, ko darbina dzinēju dzinēji, un dzenskrūves gar spārnu šajā posmā pirms nosēšanās tiks salocītas vai ievilktas.

Piemērs ir NASA X-57 Maxwell projekts. Koncepcijas demonstrators ir aprīkots ar 14 elektromotoriem, kas novietoti gar spārnu un uz spārnu galiem. Visi no tiem darbojas tikai pacelšanās un nosēšanās laikā. Kreisēšanas daļā ir iesaistīti tikai spārnu gala motori.

Šāds motoru izvietojums ļauj samazināt šajās vietās radušos virpuļu negatīvo ietekmi. Savukārt elektrostacija izrādās sarežģīta, kas nozīmē, ka tās uzturēšana ir dārgāka un arī atteices iespējamība ir lielāka. Vispār zinātniekiem un dizaineriem ir par ko padomāt.

X-57 Maxwell

Palīdzēs izvadīt šķidro slāpekli

"Elektriskā plakne sniedz daudzas optimizācijas iespējas," saka Sergejs Halperins. - Varat eksperimentēt, piemēram, ar vilkšanas un stumšanas skrūvju kombināciju. Elektromotori ir daudz izdevīgāki, salīdzinot ar gāzturbīnu dzinējiem konvertiplānā, jo droša elektromotora pagriešana horizontālā stāvoklī nerada tik sarežģītu inženiertehnisko problēmu kā tradicionālo dzinēju gadījumā.

Elektriskā plaknē jūs varat nodrošināt visu sistēmu pilnīgu integrāciju, izveidot jaunu vadības sistēmu. Pat hibrīdautomobiļi radīs mazāk trokšņa un izmešu.

Tāpat kā akumulatori, arī elektromotori palielina masu, tilpumu un siltuma izkliedi, palielinoties jaudai. Ir vajadzīgas jaunas tehnoloģijas, lai tās padarītu jaudīgākas un vieglākas.

Iekšzemes hibrīda piedziņas sistēmu izstrādātājiem īsts izrāviens bija sadarbība ar Krievijas uzņēmumu SuperOx, kas ir viens no pieciem lielākajiem materiālu piegādātājiem ar augstas temperatūras supravadītspējas (HTSC) īpašībām pasaulē. Tagad SuperOx izstrādā elektromotorus ar statoru, kas izgatavots no supravadošiem materiāliem (dzesēts ar šķidro slāpekli).

Šie dzinēji ar labām aviācijas īpašībām veidos pamatu hibrīdelektrostacijai reģionālajai lidmašīnai, kas nākamās desmitgades vidū varētu pacelties debesīs. Šogad aviācijas izstādē MAKS CIAM speciālisti prezentēja šādas iekārtas demonstratoru ar 10 kW jaudu. Plānotais lidaparāts tiks aprīkots ar hibrīdelektrostaciju ar diviem 500 kW dzinējiem katrā.

"Pirms runāt par hibrīda elektrisko lidmašīnu," saka Halperins, "ir jāpārbauda mūsu uzstādīšana uz zemes un pēc tam lidojošā laboratorijā. Mēs ceram, ka tas būs Yak-40. Radara vietā mašīnas degungalā varam ievietot 500 kilovatu HTSC elektromotoru.

Centrālā dzinēja vietā astē uzstādīsim turbo ģeneratoru. Ar diviem atlikušajiem Yak dzinējiem pietiks, lai pārbaudītu mūsu prātu plašā augstuma (līdz 8000 m) un ātruma diapazonā (līdz 500 km/h). Un pat ja hibrīda instalācija neizdodas, lidmašīna var droši pabeigt lidojumu un nolaisties. Demonstrācijas laboratorija tiks aprīkota atbilstoši plānam 2019. gadā. Testa cikls provizoriski plānots 2020. gadā.

Gudras debesis

Elektriskā un hibrīddzinējspēks ieņem nozīmīgu vietu pasaules lielāko lidmašīnu ražotāju plānos. Šādi izskatās šī gadsimta vidus pasažieru aviācijas galvenās iezīmes pēc kompānijas AIRBUS programmas Smarter Skies.

"Zaļais" lidojums

Nākotnes lidmašīnas tiks izstrādātas tā, lai samazinātu ogļūdeņraža pēdas nospiedumu atmosfērā. Popularitāti iegūs ūdeņraža gāzturbīnu dzinēji, hibrīdi un ar baterijām darbināmi pilnībā elektriski lidaparāti.

Tiek pieņemts, ka baterijas tiks uzlādētas no videi draudzīgiem elektroenerģijas avotiem. Iespējama lielu vēja parku vai saules elektrostaciju parādīšanās lidlauku zonā.

Brīvība debesīs

Inteliģentie laineri neatkarīgi plāno maršrutus, pamatojoties uz videi draudzīguma un degvielas efektivitātes parametriem, pamatojoties uz laikapstākļu un atmosfēras datu analīzi. Viņi arī varēs pulcēties veidojumos, piemēram, putnu baros, kas samazinās atsevišķu gaisa kuģu pretestību veidojumā un samazinās enerģijas patēriņu lidojumam.

Drīzāk no zemes

Jaunās piedziņas sistēmas un lidmašīnu aerodinamika ļaus tām pacelties pa iespējami stāvāko trajektoriju, lai samazinātu troksni lidostas teritorijā un pēc iespējas ātrāk sasniegtu kreisēšanas līmeni, kurā lidmašīna demonstrē optimālus ekonomiskos parametrus.

Nosēšanās bez dzinēja

Nākotnes lidmašīnas varēs nolaisties planēšanas režīmā. Tas ļaus ietaupīt degvielu un samazināt trokšņa līmeni lidostas teritorijā. Samazināsies arī nosēšanās ātrums. Tas saīsinās skrejceļu garumu.

Nav izplūdes

Nākotnes lidostas pilnībā atteiksies no iekšdedzes dzinēju izmantošanas, kas sadedzina degvielu. Taksācijai laineri tiks aprīkoti ar elektromotora riteņiem. Kā alternatīva - ātrgaitas bezpilota elektrotraktori, kas spēs ātri nogādāt lidmašīnas no perona uz skrejceļu un otrādi.