Er et elektrisk fly et alternativ til moderne luftfart?

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Den moderne gasturbine (turbofan) motor, der driver linerne, er naturligvis ikke en totakts rattler til haveredskaber, men en yderst effektiv og meget pålidelig maskine. Ifølge flyfabrikanterne er det dog tæt på at opbruge reserver til yderligere forbedring.

Hvorfor er der motorer - alle passagerflyene under konstruktion ligner hinanden så meget, at kun en luftfartsekspert umiddelbart vil skelne Boeing eller Airbus fra Bombardier eller MS-21. Og selvom der ikke er den mindste tvivl om, at passagerfly af moderne type med to gasturbinemotorer under vingerne vil rulle os hen over himlen i årtier, er store forhåbninger om et nyt layout og ny aerodynamik af fly forbundet med elektrisk fremdrift.

Hurtigt, men ikke længe

Indtil for nylig blev begrebet "elektrisk fly" forstået som et "mere elektrisk fly" - et fly med fast vinge, hvor de mekaniske og hydrauliske transmissioner maksimalt blev erstattet af de elektriske.

Ikke flere rør og kabler - alt mekanisk arbejde, såsom at drive rorene og mekanisere vingen, udføres af små elektriske motorer-aktuatorer, som forsynes med strøm og en kanal til styresignalet. Nu er udtrykket blevet fyldt med en ny betydning: et ægte elektrisk fly skal selv bevæge sig med elektrisk trækkraft.

Naturligvis afhænger udsigterne for elektrisk luftfart ikke kun (og ikke engang så meget) af flydesignere som af fremskridt inden for elektroteknik. Der findes jo flyvemaskiner, som man siger, "på batterier". Hjælpeelektriske motorer blev installeret på svævefly for flere årtier siden.

Extra 330LE, der første gang fløj i 2016, bærer allerede svævefly og sætter hastighedsrekorder. Men dens blok af 14 kraftige lithium-ion-batterier og en elektrisk motor fra Siemens tillader denne baby kun at tage to personer om bord, inklusive piloten, og blive i luften i ikke længere end 20 minutter.

Ekstra 330LE

Selvfølgelig er der projekter med meget mere imponerende indikatorer. I september sidste år meddelte det britiske lavprisflyselskab EasyJet, at det om ti år vil lancere en helelektrisk regional linjefart (rækkevidde på 540 km, hvilket er ret meget for intraeuropæiske flyvninger) med en kapacitet på 180 passagerer.

Den amerikanske startup Wright Electric, som allerede har bygget en to-sædet flyvende demonstrator, er blevet partner i projektet. Men i dag er energitætheden af de bedste lithium-ion-batterier mere end en størrelsesorden ringere end kulbrintebrændstoffer. Det antages, at batterier i 2030 vil forbedre deres ydeevne maksimalt to gange.

Turbine, bliv

Situationen med brændselsceller ser meget mere fordelagtig ud, hvor brændstoffets kemiske energi omdannes til elektrisk energi direkte, uden om forbrændingsprocessen.

Brint anses for at være det mest lovende brændstof til en sådan strømkilde. Eksperimenter med brændselsceller som strømkilde til et elektrisk fly udføres i forskellige lande i verden (i Rusland arbejder CIAM primært på projekter for at skabe sådanne fly, og brændselsceller til dem oprettes ved IPCP RAS under vejledning af professor Yuri Dobrovolsky).

Fra de flyvende og bemandede koncepter kan man huske den europæiske demonstrator ENFICA-FC Rapid 200FC - den brugte både elektriske batterier og brændselsceller på samme tid. Men denne teknologi har også brug for betydelige forbedringer og yderligere forskning.

De mest realistiske udsigter for i dag synes at være udsigterne for elektriske fly bygget efter hybridordningen. Det betyder, at flyets propel (propel eller propfan) vil blive drevet af en elektrisk motor, men den vil modtage elektricitet fra en generator, der roteres … af en gasturbinemotor (eller anden forbrændingsmotor). Ved første øjekast virker en sådan ordning mærkelig: de ønsker at opgive GTE til fordel for den elektriske motor, men de vil ikke gøre dette.

Der findes allerede en del hybridprojekter i verden, men vi er primært interesserede i Rusland. Arbejde på et elektrisk fly, især med en hybridordning, blev udført i forskellige videnskabelige institutter af luftfartsprofilen, såsom TsAGI eller TsIAM.

I dag er disse og nogle andre institutioner blevet forenet (siden 2014) i regi af forskningscentret "Institut opkaldt efter N. Ye. Zhukovsky", designet til at blive en enkelt kraftfuld "hjernetillid" i industrien. Opgaven med at integrere alt arbejde med elektrisk luftfart i centret er tildelt Sergei Galperin, som vi allerede citerede i begyndelsen af artiklen.

Batteridrevet start

"Overgangen til elektriske motorer i luftfarten åbner op for en masse interessante perspektiver," siger Sergei Halperin, "men der er ingen grund til at regne med skabelsen af et kommercielt elektrisk fly med en anstændig rækkevidde til russiske forhold på rent kemiske energikilder (batterier eller brændselsceller) i den nærmeste fremtid: energipotentialet er for meget forskelligt et kilogram petroleum og et kilogram batterier. Et hybriddesign kunne være et rimeligt kompromis. Det skal forstås, at en gasturbinemotor, der direkte skaber fremdrift, og en gasturbinemotor, der vil sætte generatorakslen i gang, slet ikke er det samme.

Faktum er, at flyets energibehov ændrer sig markant under flyvningen. Ved start udvikler flymotoren effekt tæt på sit maksimum, og under cruising (det vil sige i det meste af flyvningen) reduceres flyets strømforbrug med 5-6 gange.

Et traditionelt kraftværk skal således kunne fungere i en bred vifte af tilstande (ikke altid optimalt ud fra et økonomisk synspunkt) og hurtigt skifte fra den ene til den anden. Intet af den slags kræves af en gasturbinemotor i en hybridinstallation. Det vil ligne gasturbiner i kraftværker, som altid fungerer i den samme, mest økonomisk fordelagtige tilstand. De har arbejdet i årevis uden at stoppe."

Ce-liner

Ved hjælp af en generator vil GTE være i stand til at generere energi til direkte strømforsyning af elektriske motorer, samt til at skabe en reserve i batterier. Der er brug for batterihjælp lige ved start.

Men da driften af elektriske motorer i starttilstand kun varer et par minutter, bør energireserven ikke være særlig stor, og batterierne om bord kan være ret acceptable i størrelse og vægt. Samtidig vil gasturbinemotoren ikke have noget startregime - dens forretning er stille og roligt at generere elektricitet.

I modsætning til en flymotor vil en gasturbinemotor i et hybridelektrisk fly således være mindre kraftfuld, mere pålidelig og miljøvenlig, mere enkel i designet, hvilket betyder billigere og til sidst vil have en større ressource.

Blæser på vingen

Samtidig åbner overgangen til elektriske motorer perspektiver for grundlæggende innovationer inden for design af fremtidens civile fly. Et af de mest diskuterede emner er oprettelsen af distribuerede kraftværker.

I dag antager det klassiske liner-layout to trykpåføringspunkter, det vil sige to, sjældent fire, kraftige motorer, der hænger på pyloner under vingen. I elektriske fly overvejes layoutet af et stort antal elektriske motorer langs vingen såvel som i dens ender. Hvorfor er dette nødvendigt?

Pointen er igen i forskellen mellem start- og cruise-tilstande. Ved start med lav hastighed af den indfaldende strømning har et fly brug for et stort vingeområde for at skabe løft. Ved marchhastighed kommer den brede vinge i vejen, hvilket skaber overskydende løft.

Problemet er løst på grund af kompleks mekanisering - udtrækkelige klapper og lameller. Mindre fly, der letter fra små flyvepladser og har store vinger til dette, er tvunget til at cruise med en suboptimal angrebsvinkel, hvilket fører til yderligere brændstofforbrug.

Men hvis mange elektriske motorer, der er forbundet til propellerne ved start, yderligere blæser vingen, behøver den ikke at gøres for bred. Flyet vil lette med en kort start, og på krydstogtstrækningen vil en smal vinge ikke skabe problemer. Bilen vil blive trukket frem af propeller drevet af fremdriftsmotorerne, og propellerne langs vingen vil på dette tidspunkt blive foldet eller trukket tilbage før landing.

Et eksempel er NASAs X-57 Maxwell-projekt. Konceptdemonstratoren er udstyret med 14 elmotorer placeret langs vingen og på vingespidserne. Alle fungerer kun under start og landing. På krydstogtsektionen er kun vingespidsmotorer involveret.

En sådan placering af motorer gør det muligt at reducere den negative indflydelse af hvirvler, der opstår på disse steder. På den anden side viser kraftværket sig at være komplekst, hvilket betyder, at det er dyrere at vedligeholde, og sandsynligheden for fejl er også højere. Generelt har videnskabsmænd og designere noget at tænke over.

X-57 Maxwell

Vil hjælpe flydende nitrogen

"Et elektrisk fly giver mange muligheder for optimering," siger Sergei Halperin. - Man kan for eksempel eksperimentere med en kombination af træk- og skubskruer. Elektriske motorer er meget mere fordelagtige sammenlignet med gasturbinemotorer i convertiplane, da den sikre rotation af den elektriske motor til en vandret position ikke udgør et så komplekst teknisk problem som i tilfældet med traditionelle motorer.

I et elektrisk fly kan du sikre den fulde integration af alle systemer, skabe et nyt styresystem. Selv hybridbiler vil producere mindre støj og emissioner."

Ligesom batterier øges elektriske motorer i masse, volumen og varmeafledning, når effekten stiger. Nye teknologier er nødvendige for at gøre dem mere kraftfulde og lettere.

For indenlandske udviklere af hybride fremdrivningssystemer var et reelt gennembrud samarbejdet med det russiske firma SuperOx, en af de fem største leverandører af materialer med højtemperatursuperledningsegenskaber (HTSC) i verden. Nu udvikler SuperOx elektriske motorer med en stator lavet af superledende materialer (afkølet med flydende nitrogen).

Disse motorer med gode luftfartsegenskaber vil danne grundlag for et hybridkraftværk til et regionalt fly, som kan komme til himlen i midten af det næste årti. I år præsenterede CIAM-specialister på MAKS-luftmessen en demonstration af en sådan installation med en kapacitet på 10 kW. Det planlagte fly bliver udstyret med et hybridkraftværk med hver to 500 kW motorer.

"Før man taler om et hybrid elektrisk fly," siger Halperin, "er det nødvendigt at teste vores installation på jorden og derefter i et flyvende laboratorium. Vi håber, det bliver Yak-40. I stedet for en radar kan vi sætte en 500 kilowatt HTSC-elmotor i næsen af bilen.

Vi vil installere en turbogenerator i halen i stedet for den centrale motor. De to resterende Yak-motorer vil være nok til at teste vores hjerne i en bred vifte af højder (op til 8000 m) og hastigheder (op til 500 km/t). Og selvom hybridinstallationen fejler, kan flyet sikkert fuldføre flyvningen og lande. Demonstrationslaboratoriet indrettes efter planen i 2019. Testcyklussen er foreløbigt planlagt til 2020.

Smart himmel

Elektrisk og hybrid fremdrift indtager en væsentlig plads i verdens største flyproducenters planer. Sådan ser hovedtrækkene ud i passagerflyvningen i midten af dette århundrede ifølge AIRBUS-selskabets Smarter Skies-program.

"Grøn" flyvning

Fremtidens fly vil blive designet til at minimere kulbrintefodaftrykket i atmosfæren. Brintgasturbinemotorer, hybrider og batteridrevne helelektriske fly vil vinde popularitet.

Det forudsættes, at batterierne genoplades fra miljøvenlige elkilder. Udseendet af store vindmølleparker eller solenergianlæg i området med flyvepladser er muligt.

Frihed i himlen

Intelligente liners vil uafhængigt plotte ruter baseret på miljøvenlighed og brændstofeffektivitetsparametre baseret på analyse af vejr- og atmosfæriske data. De vil også kunne samles i formationer som fugleflokke, hvilket vil reducere luftmodstanden for individuelle fly i formationen og reducere energiforbruget til flyvning.

Snarere fra jorden

Nye fremdriftssystemer og flyaerodynamik vil give dem mulighed for at lette langs den stejleste mulige bane for at reducere støjen i lufthavnsområdet og hurtigst muligt nå marchniveauet, hvor flyet udviser optimale økonomiske egenskaber.

Lander uden motor

Fremtidens fly vil kunne lande i glidetilstand. Dette vil spare brændstof og reducere støjniveauet i lufthavnsområdet. Landingshastigheden vil også falde. Dette vil forkorte banernes længde.

Ingen udstødning

Fremtidens lufthavne vil helt eliminere brugen af forbrændingsmotorer, der forbrænder brændstof. Til taxakørsel vil linerne være udstyret med elmotorhjul. Som et alternativ - højhastigheds ubemandede elektriske traktorer, som hurtigt vil kunne levere fly fra forpladsen til landingsbanen og omvendt.