Электрлік ұшақ заманауи авиацияға балама ма?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Лайнерлерді басқаратын заманауи газ турбиналы (турбовентилятор) қозғалтқышы, әрине, бау-бақша құралдарына арналған екі тактілі тарсылдақ емес, бірақ жоғары тиімді және өте сенімді машина. Дегенмен, ұшақ өндірушілерінің айтуынша, ол одан әрі жетілдіру үшін резервтерді таусуға жақын.

Неліктен қозғалтқыштар бар - салынып жатқан барлық авиалайнерлердің бір-біріне ұқсастығы сонша, тек авиациялық сарапшы ғана Boeing немесе Airbus-ты Bombardier немесе MS-21-ден бірден ажыратады. Қанаттарының астында екі газ турбиналы қозғалтқышы бар заманауи үлгідегі авиалайнерлердің бізді ондаған жылдар бойы аспанда айналдыратынына ешқандай күмән болмаса да, ұшақтардың жаңа орналасуы мен жаңа аэродинамикасына үлкен үміт электр қозғалтқышымен байланысты.

Жылдам, бірақ ұзақ емес

Соңғы уақытқа дейін «электрлік ұшақ» термині «көбірек электрлі ұшақ» - механикалық және гидравликалық берілістері максималды түрде электрмен ауыстырылатын қозғалмайтын қанаты бар ұшақ ретінде түсінілді.

Енді құбырлар мен кабельдер болмайды - рульдерді жүргізу және қанаттарды механикаландыру сияқты барлық механикалық жұмыстарды қуатпен және басқару сигналына арнамен қамтамасыз етілген шағын электр қозғалтқыштары-жетектері орындайды. Енді бұл термин жаңа мағынаға ие болды: нағыз электрлік ұшақтың өзі электрлік тартумен қозғалуы керек.

Әрине, электрлік авиацияның келешегі әуе кемелерінің конструкторларына ғана емес (тіпті көп емес) электротехника саласындағы прогреске де байланысты. Өйткені, ұшақтар, олар айтқандай, «батареяда» бар. Көмекші электр қозғалтқыштары планерлерге бірнеше ондаған жылдар бұрын орнатылған.

2016 жылы алғаш рет ұшқан Extra 330LE қазірдің өзінде планерлерді тасымалдап, жылдамдық рекордтарын орнатқан. Бірақ оның 14 қуатты литий-ионды аккумуляторлар блогы және Siemens электр қозғалтқышы бұл нәрестеге ұшқышты қосқанда тек екі адамды алып, ауада 20 минуттан аспауға мүмкіндік береді.

Қосымша 330LE

Әрине, әлдеқайда әсерлі көрсеткіштері бар жобалар бар. Өткен жылдың қыркүйегінде британдық EasyJet арзан авиакомпаниясы он жылдан кейін 180 жолаушы сыйымдылығы бар толық электрлік аймақтық лайнерді (ұзақтығы 540 км, бұл ішкі еуропалық рейстер үшін өте көп) іске қосатыны туралы хабарлады.

Екі орындық ұшатын демонстрация жасап үлгерген америкалық Wright Electric стартапы жобаның серіктесі болды. Дегенмен, бүгінгі күні ең жақсы литий-иондық аккумуляторлардың энергия тығыздығы көмірсутекті отындарға қарағанда төменірек. 2030 жылға қарай батареялар өнімділігін екі есеге дейін жақсартады деп болжануда.

Турбина, тұр

Отын элементтерінің жағдайы әлдеқайда тиімді болып көрінеді, онда отынның химиялық энергиясы жану процесін айналып өтіп, тікелей электр энергиясына айналады.

Мұндай қуат көзі үшін сутегі ең перспективалы отын болып саналады. Әлемнің әртүрлі елдерінде электр ұшағы үшін қуат көзі ретінде отын элементтерімен эксперименттер жүргізілуде (Ресейде CIAM бірінші кезекте осындай ұшақтарды жасау жобаларымен жұмыс істейді, ал олар үшін отын элементтері IPCP RAS-да құрылған. профессор Юрий Добровольскийдің жетекшілігі).

Ұшатын және басқарылатын концепциялардан еуропалық ENFICA-FC Rapid 200FC демонстрациясын еске түсіруге болады - ол бір уақытта электр батареяларын да, отын элементтерін де пайдаланды. Бірақ бұл технология да айтарлықтай жетілдіруді және қосымша зерттеулерді қажет етеді.

Бүгінгі күннің ең шынайы перспективалары гибридті схема бойынша құрастырылған электрлік ұшақтардың болашағы сияқты. Бұл ұшақтың бұрандасы (винт немесе пропфан) электр қозғалтқышымен қозғалады, бірақ ол электр энергиясын газ турбиналық қозғалтқышпен (немесе басқа іштен жанатын қозғалтқыш) … айналатын генератордан алады дегенді білдіреді. Бір қарағанда, мұндай схема біртүрлі болып көрінеді: олар GTE-ден электр қозғалтқышының пайдасына бас тартқысы келеді, бірақ олар мұны істемейді.

Қазірдің өзінде әлемде бірнеше гибридті жобалар бар, бірақ бізді бірінші кезекте Ресей қызықтырады. Электрлік ұшақта, атап айтқанда, гибридті схемамен жұмыс ЦАГИ немесе ЦИАМ сияқты авиациялық профильдегі әртүрлі ғылыми институттарда жүргізілді.

Бүгінгі таңда осы және басқа да кейбір мекемелер саланың біртұтас қуатты «ми сеніміне» айналуға арналған «Н. Е. Жуковский атындағы институт» ғылыми-зерттеу орталығына (2014 жылдан бастап) біріктірілді. Орталық ішінде электрлік авиация бойынша барлық жұмыстарды біріктіру міндеті біз мақаланың басында келтірген Сергей Гальперинге жүктелген.

Батареямен жұмыс істейтін ұшып шығу

«Авиациядағы электр қозғалтқыштарына көшу көптеген қызықты перспективаларды ашады, - дейді Сергей Гальперин, - бірақ таза химиялық энергия көздерінде ресейлік жағдайларға лайықты диапазонға ие коммерциялық электр ұшағын құруға сенуге негіз жоқ (батареялар немесе отын элементтері) жақын болашақта: энергетикалық әлеует бір килограмм керосин мен бір килограмм батареяда тым көп ерекшеленеді. Гибридті дизайн ақылға қонымды ымыраға келуі мүмкін. Тікелей қысым жасайтын газ турбиналы қозғалтқыш пен генератордың білігін қозғалысқа келтіретін газ турбиналы қозғалтқыш бір нәрсе емес екенін түсіну керек.

Өйткені, ұшу кезінде ұшақтың энергияға қажеттілігі айтарлықтай өзгереді. Ұшу кезінде ұшақ қозғалтқышы қуатты максималды шамаға жақын дамытады, ал круиз кезінде (яғни ұшудың көп бөлігінде) ұшақтың қуат тұтынуы 5-6 есе азаяды.

Осылайша, дәстүрлі электр станциясы режимдердің кең ауқымында жұмыс істей алуы керек (экономикалық тұрғыдан әрқашан оңтайлы емес) және бірінен екіншісіне тез ауысуы керек. Гибридті қондырғыдағы газ турбиналы қозғалтқыштан мұндай ештеңе талап етілмейді. Ол әрқашан бірдей, экономикалық жағынан ең тиімді режимде жұмыс істейтін электр станцияларының газ турбиналарына ұқсас болады. Олар жылдар бойы тоқтаусыз жұмыс істейді ».

Се-лайнер

Генератордың көмегімен GTE электр қозғалтқыштарын тікелей электрмен қамтамасыз ету үшін, сондай-ақ аккумуляторларда резерв құру үшін энергия өндіре алады. Ұшу кезінде батареяның көмегі қажет болады.

Бірақ электр қозғалтқыштарының ұшу режимінде жұмыс істеуі бірнеше минутқа созылатындықтан, энергия қоры өте үлкен болмауы керек және борттағы батареялар мөлшері мен салмағы бойынша өте қолайлы болуы мүмкін. Сонымен қатар, газ турбиналық қозғалтқыштың ұшу режимі болмайды - оның бизнесі - тыныш электр энергиясын өндіру.

Осылайша, авиациялық қозғалтқыштан айырмашылығы, гибридті электрлік ұшақтағы газ турбиналық қозғалтқыштың қуаттылығы азырақ, сенімдірек және экологиялық таза, конструкциясы қарапайым болады, бұл арзанырақ және, сайып келгенде, үлкен ресурсқа ие болады.

Қанатта үрлеу

Сонымен қатар, электр қозғалтқыштарына көшу болашақтың азаматтық әуе кемелерін жобалаудағы іргелі жаңалықтардың болашағын ашады. Ең көп талқыланатын тақырыптардың бірі – бөлінген электр станцияларын құру.

Бүгінгі күні классикалық лайнердің орналасуы екі күш қолдану нүктесін болжайды, яғни қанат астындағы пилондарда ілулі тұрған екі, сирек төрт қуатты қозғалтқыштар. Электрлік ұшақтарда қанат бойымен, сондай-ақ оның ұштарында көптеген электр қозғалтқыштарының орналасуы қарастырылады. Бұл не үшін қажет?

Мәселе тағы да ұшу және круиздік режимдер арасындағы айырмашылықта. Оқиға ағынының төмен жылдамдығымен көтерілгенде, әуе кемесі көтергіш жасау үшін үлкен қанат аймағын қажет етеді. Круиздік жылдамдықта кең қанат жолға түсіп, артық көтеруді тудырады.

Мәселе кешенді механикаландырудың арқасында шешілді - тартылатын клапандар мен итарқалар. Кішігірім аэродромдардан көтерілетін және бұл үшін үлкен қанаттары бар кішігірім ұшақтар оңтайлы емес шабуыл бұрышымен круизге мәжбүр, бұл қосымша отын шығынына әкеледі.

Бірақ, егер көтерілу кезінде пропеллерге қосылған көптеген электр қозғалтқыштары қанатты қосымша үрлейтін болса, оны тым кең етіп жасаудың қажеті жоқ. Ұшақ қысқа ұшумен көтеріледі, ал круиздік бөлімде тар қанат қиындық тудырмайды. Автокөлік қозғалғыш қозғалтқыштармен қозғалатын винттермен алға тартылады, ал бұл кезеңде қанат бойымен бұрандалар қонуға дейін бүктеледі немесе тартылады.

Мысал ретінде NASA-ның X-57 Максвелл жобасы болып табылады. Тұжырымдаманың демонстраторы қанат бойымен және қанат ұшында орналасқан 14 электр қозғалтқышымен жабдықталған. Олардың барлығы ұшу және қону кезінде ғана жұмыс істейді. Круиздік бөлімде тек қанат ұшы қозғалтқыштары қатысады.

Қозғалтқыштарды мұндай орналастыру осы жерлерде пайда болатын құйындылардың теріс әсерін азайтуға мүмкіндік береді. Екінші жағынан, электр станциясы күрделі болып шығады, яғни оған қызмет көрсету қымбатырақ және істен шығу ықтималдығы да жоғары. Жалпы, ғалымдар мен конструкторлардың ойланатын жайы бар.

X-57 Максвелл

Сұйық азотқа көмектеседі

«Электрлік ұшақ оңтайландыру үшін көптеген мүмкіндіктер береді», - дейді Сергей Гальперин. - Мысалы, тарту және итеру бұрандаларының комбинациясы арқылы тәжірибе жасауға болады. Электр қозғалтқыштары конвертиптік ұшақтардағы газ турбиналы қозғалтқыштармен салыстырғанда әлдеқайда тиімді, өйткені электр қозғалтқышын көлденең күйге қауіпсіз айналдыру дәстүрлі қозғалтқыштардағыдай күрделі инженерлік проблеманы тудырмайды.

Электрлік жазықтықта сіз барлық жүйелердің толық интеграциясын қамтамасыз ете аласыз, жаңа басқару жүйесін жасай аласыз. Тіпті гибридті автомобильдер де аз шу мен шығарындыларды шығарады ».

Батареялар сияқты, электр қозғалтқыштары қуаттың өсуіне қарай массасы, көлемі және жылу бөлінуі артады. Оларды күштірек және жеңілірек ету үшін жаңа технологиялар қажет.

Гибридті қозғаушы жүйелердің отандық әзірлеушілері үшін әлемдегі жоғары температуралық асқын өткізгіштік (HTSC) қасиеттері бар материалдарды бес ірі жеткізушілердің бірі болып табылатын ресейлік SuperOx компаниясымен ынтымақтастық нағыз серпіліс болды. Қазір SuperOx асқын өткізгіш материалдардан (сұйық азотпен салқындатылған) жасалған статоры бар электр қозғалтқыштарын жасауда.

Жақсы авиациялық сипаттамалары бар бұл қозғалтқыштар алдағы онжылдықтың ортасында аспанға көтерілуі мүмкін аймақтық ұшақтар үшін гибридті электр станциясының негізін құрайды. Биылғы жылы MAKS авиасалонында CIAM мамандары қуаттылығы 10 кВт болатын осындай қондырғының демонстрациясын ұсынды. Жоспарланған ұшақ әрқайсысы 500 кВт екі қозғалтқышы бар гибридті электр станциясымен жабдықталады.

«Гибридті электрлік ұшақ туралы айтпас бұрын, - дейді Гальперин, - біздің қондырғымызды жерде, содан кейін ұшатын зертханада сынақтан өткізу керек. Бұл Як-40 болады деп үміттенеміз. Радардың орнына біз көліктің мұрнына 500 киловатт HTSC электр қозғалтқышын сала аламыз.

Біз орталық қозғалтқыштың орнына турбогенераторды құйрығына орнатамыз. Қалған екі Як қозғалтқышы біздің миымызды биіктікте (8000 м дейін) және жылдамдықта (500 км / сағ дейін) сынауға жеткілікті. Гибридті қондырғы сәтсіз болса да, ұшақ ұшуды қауіпсіз аяқтап, қона алады ». Демонстрациялық зертхана 2019 жылы жоспар бойынша жабдықталады. Сынақ циклі алдын ала 2020 жылға жоспарланған.

Ақылды аспан

Электрлік және гибридті қозғалтқыш әлемдегі ең ірі ұшақ өндірушілерінің жоспарларында маңызды орын алады. AIRBUS компаниясының Smarter Skies бағдарламасына сәйкес осы ғасырдың ортасындағы жолаушылар авиациясының негізгі ерекшеліктері осылай көрінеді.

«Жасыл» рейс

Болашақтың ұшағы атмосферадағы көмірсутек ізін барынша азайтуға арналған. Сутегі газ турбиналы қозғалтқыштар, гибридтер және аккумулятормен жұмыс істейтін толық электрлік ұшақтар танымал болады.

Аккумуляторлар экологиялық таза электр көздерінен қайта зарядталады деп болжануда. Аэродромдар аймағында ірі жел электр станцияларының немесе күн электр станцияларының пайда болуы мүмкін.

Аспандағы еркіндік

Интеллектуалды лайнерлер ауа-райы мен атмосфералық деректерді талдау негізінде қоршаған ортаға зиянсыз және отын үнемдеу параметрлеріне негізделген бағыттарды дербес белгілейді. Олар сондай-ақ құстар тобы сияқты құрамаларға жинала алады, бұл қабаттағы жеке ұшақтар үшін кедергіні азайтады және ұшу үшін энергия шығынын азайтады.

Жерден гөрі

Жаңа қозғалтқыш жүйелері мен әуе кемелерінің аэродинамикасы әуежай аймағында шуды азайту және әуе кемесі оңтайлы экономикалық сипаттамаларды көрсететін круиздік деңгейге мүмкіндігінше тез жету үшін оларға ең тік траектория бойынша ұшуға мүмкіндік береді.

Қозғалтқышсыз қону

Болашақтың ұшақтары сырғанау режимінде қона алады. Бұл жанармай үнемдеуге және әуежай аймағындағы шу деңгейін төмендетуге мүмкіндік береді. Қону жылдамдығы да төмендейді. Бұл ұшу-қону жолақтарының ұзындығын қысқартады.

Шығару жоқ

Болашақтың әуежайлары отынды жағатын іштен жанатын қозғалтқыштарды пайдалануды толығымен жояды. Такси жүргізу үшін лайнерлер электр қозғалтқышының дөңгелектерімен жабдықталады. Балама ретінде – ұшақтарды перроннан ұшу-қону жолағына дейін және керісінше жылдам жеткізуге мүмкіндік беретін жоғары жылдамдықты ұшқышсыз электр тракторлары.