По-бързо, по-тихо, по-чисто - нов самолетен двигател

Оказва се, че за да промените много в авиацията, не е нужно да търсите нови витла, футуристичен дизайн или космически материали. Достатъчно е да използвате сравнително проста механична трансмисия ...

Това е една от най-важните иновации през последните години. Турбовентилаторните двигатели с редуктор (GTF) позволяват на компресора и вентилатора да се въртят с различни скорости. Задвижващата предавка на вентилатора се върти с вала на вентилатора, но отделя двигателя на вентилатора от компресора с ниско налягане и турбината. Вентилаторът се върти с по-ниска скорост, докато компресорът и турбината с ниско налягане работят с по-висока скорост. Всеки модул на двигателя може да работи с оптимална ефективност. След 20 години на R&D и R&D разходи от около 1000 милиарда долара, семейството на турбовентилатор Pratt & Whitney PurePower PW2016G беше в експлоатация преди няколко години и беше масово въведено в търговските самолети от XNUMX г.

Съвременните турбовентилаторни двигатели генерират тяга по два начина. Първо, компресорите и горивната камера са разположени в нейното ядро. Отпред има вентилатор, който, задвижван от сърцевината, насочва въздуха през байпасните камери около сърцевината на двигателя. Коефициентът на байпас е съотношението на количеството въздух, преминаващ през ядрото, към количеството въздух, преминаващ през него. Като цяло, по-високото съотношение на байпас означава по-тихи, по-ефективни и по-мощни двигатели. Конвенционалните турбовентилаторни двигатели имат байпасно съотношение 9 към 1. Двигателите Pratt PurePower GTF имат коефициент на байпас от 12 към 1.

За да увеличат коефициента на байпас, производителите на двигатели трябва да увеличат дължината на перките на вентилатора. Въпреки това, когато са удължени, скоростите на въртене, получени в края на острието, ще бъдат толкова високи, че ще възникнат нежелани вибрации. Имате нужда от перки на вентилатора, за да забавите скоростта и точно за това е скоростната кутия. Такъв двигател може да достигне до 16 процента, според Pratt & Whitney. голяма икономия на гориво и 50 процента. по-малко емисии на отработени газове и е 75 процента. тихо. Наскоро SWISS и Air Baltic обявиха, че техните реактивни двигатели от серия GTF C консумират дори по-малко гориво, отколкото производителят обещава.

PW1100G-JM двигател на производствената линия

Списание TIME нарече двигателя PW1000G едно от 50-те най-важни изобретения за 2011 г. и едно от шестте най-екологично чисти изобретения, тъй като Pratt & Whitney PurePower е проектиран да бъде по-чист, по-тих, по-мощен и използва по-малко гориво от съществуващите реактивни двигатели. През 2016 г. Ричард Андерсън, тогава президент на Delta Air Lines, нарече двигателя „първата истинска иновация“, откакто Dreamliner на Boeing революционизира композитната конструкция.

Спестявания и намаляване на емисиите

Секторът на търговската авиация отделя повече от 700 милиона тона въглероден диоксид годишно. Въпреки че е само около 2 процента. глобалните емисии на въглероден диоксид, има доказателства, че парниковите газове в реактивното гориво имат по-голямо въздействие върху атмосферата, тъй като се отделят на по-голяма надморска височина.

Големите производители на двигатели се стремят да пестят гориво и да намалят емисиите. Конкурентът на Pratt CFM International наскоро представи свой собствен усъвършенстван двигател, наречен LEAP, който според служители на компанията осигурява подобни резултати на редукторния турбовентилатор за сметка на други решения. CFM твърди, че в традиционната турбовентилаторна архитектура същите предимства могат да бъдат постигнати без добавеното тегло и съпротивление на силовото предаване. LEAP използва леки композитни материали и лопатки на вентилатори от въглеродни влакна, за да постигне подобрения на енергийната ефективност, които според компанията са сравними с тези, постигнати с двигателя Pratt & Whitney.

Към днешна дата поръчките за двигатели на Airbus за A320neo са приблизително равномерно разпределени между CFM и Pratt & Whitney. За съжаление на последната компания, двигателите PurePower създават проблеми на потребителите. Първият се появи тази година, когато беше регистрирано неравномерно охлаждане на GTF двигателите в Airbus A320neo на Qatar Airways. Неравномерното охлаждане може да доведе до деформация и триене на частите и в същото време да увеличи времето между полетите. В резултат на това авиокомпанията заключи, че двигателите не отговарят на експлоатационните изисквания. Малко след това индийските авиационни власти спряха полетите на 11 самолета Airbus A320neo, задвижвани от двигатели PurePower GTF. Според Economic Times решението е дошло, след като самолетът, задвижван от Airbus GTF, претърпя три отказа на двигателя в продължение на две седмици. Pratt & Whitney омаловажава тези трудности, казвайки, че са лесни за преодоляване.

Електронен вентилатор на Airbus

Друг гигант в областта на самолетните двигатели, Rolls-Royce, разработва своя собствена Power Gearbox, която до 2025 г. ще намали разхода на гориво при големите турбовентилаторни двигатели с 25%. в сравнение с по-старите модели от добре познатата гама двигатели Trent. Това, разбира се, означава нов конкурс за дизайн на Pratt & Whitney.

Британците мислят и за други видове иновации. По време на неотдавнашното авиошоу в Сингапур, Rolls-Royce стартира инициативата IntelligentEngine, която има за цел да разработи интелигентни самолетни двигатели, които са по-безопасни и по-ефективни чрез възможността за комуникация помежду си и чрез мрежа за поддръжка. Предоставяйки непрекъсната двупосочна комуникация с двигателя и други части от сервизната екосистема, двигателят ще може да решава проблемите преди да са възникнали и да се научи как да подобрява производителността. Те също така щяха да се поучат от историята на своята работа и други двигатели и като цяло дори ще трябва да се ремонтират сами в движение.

Дискът се нуждае от по-добри батерии

Aviation Vision 2050 на Европейската комисия призовава за намаляване на емисиите на CO.₂ със 75 процента, азотни оксиди с 90 процента. и шум с 65 процента. Те не могат да бъдат постигнати със съществуващите технологии. Електрическите и хибридно-електрическите задвижващи системи в момента се разглеждат като една от най-обещаващите технологии за справяне с тези предизвикателства.

На пазара има двуместни електрически леки самолети. Четириместните хибридно-електрически превозни средства са на хоризонта. НАСА прогнозира, че в началото на 20-те години този тип деветместен самолет на къси разстояния ще върне авиационни услуги в по-малките общности. Както в Европа, така и в САЩ учените смятат, че до 2030 г. е възможно да се построи хибридно-електрически самолет с капацитет до 100 места. Въпреки това ще е необходим значителен напредък в областта на съхранението на енергия.

В момента енергийната плътност на батериите просто не е достатъчна. Всичко това обаче може да се промени. Шефът на Tesla Илон Мъск каза, че след като батериите са в състояние да произвеждат 400 ватчаса на килограм и съотношението на мощността на клетката към общото тегло е 0,7-0,8, електрическият трансконтинентален самолет ще се превърне в "трудна алтернатива". Като се има предвид, че литиево-йонните батерии са били в състояние да постигнат енергийна плътност от 113 Wh/kg през 1994 г., 202 Wh/kg през 2004 г. и сега са в състояние да достигнат около 300 Wh/kg, може да се предположи, че през следващото десетилетие те ще достигне ниво 400 Wh/kg.

Проект за електрическо двуместно въздушно такси Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce и Siemens наскоро си партнираха за разработването на летящия демонстратор E-Fan X, който ще бъде значителна стъпка напред в хибридно-електрическото задвижване на търговски самолети. Очаква се демонстрацията на хибридната електрическа технология E-Fan X да бъде -Fan X ще лети през 2020 г. след обширна наземна тестова кампания. В първата фаза BAe 146 ще замени един от четирите двигателя с електродвигател с мощност XNUMX MW. Впоследствие се планира втората турбина да бъде заменена с електродвигател след демонстриране на зрелостта на системата.

Airbus ще отговаря за цялостната интеграция, както и за хибридното електрическо задвижване и архитектура за управление на батерията и интегрирането й със системите за контрол на полета. Rolls-Royce ще отговаря за газотурбинния двигател, XNUMX-мегаватовия генератор и силовата електроника. Заедно с Airbus, Rolls-Royce ще работи и по адаптирането на вентилаторите към съществуващата гондола и електрически двигател на Siemens. Siemens ще достави електродвигатели с мощност XNUMX MW и електронен контролер на мощността, както и инвертор, преобразувател и разпределителна система.

Много изследователски центрове по света работят върху електрически самолети, включително НАСА, която изгражда X-57 Maxwell. Проектът за електрическо двуместно въздушно такси Kitty Hawk и много други структури на големи центрове, компании или малки стартиращи предприятия също се разработват.

Като се има предвид, че средната продължителност на живота на пътническите и товарните самолети е съответно около 21 и 33 години, дори всички нови самолети, произведени утре, да са изцяло електрически, ще са необходими две до три десетилетия, за да се премахнат самолетите, задвижвани от изкопаеми горива.

Така че няма да работи бързо. Междувременно биогоривата могат да облекчат околната среда в авиационния сектор. Те помагат за намаляване на емисиите на въглероден диоксид с 36-85 процента. Въпреки факта, че смесите за биогорива за реактивни двигатели бяха сертифицирани през 2009 г., авиационната индустрия не бърза да прилага промени. Има малко технологични препятствия и предизвикателства, свързани с извеждането на производството на биогорива до индустриални нива, но основният възпиращ фактор е цената – необходими са още десет години, за да се постигне паритет с изкопаемите горива.

Стъпка в бъдещето

В същото време лабораториите работят върху малко по-футуристични концепции за самолетни двигатели. Засега например плазмен двигател не звучи много реалистично, но не е изключено научните разработки да се развият в нещо интересно и полезно. Плазмените тласкатели използват електричество за създаване на електромагнитни полета. Те компресират и възбуждат газ, като въздух или аргон, в плазма - горещо, плътно, йонизирано състояние. Техните изследвания сега водят до идеята за изстрелване на сателити в космоса (йонни тласкатели). Въпреки това, Беркант Гьоксел от Техническия университет в Берлин и неговият екип искат да поставят плазмени тласкачи на самолети.

Целта на изследването е да се разработи въздушно-реактивен плазмен двигател, който може да се използва както за излитане, така и за полети на голяма надморска височина. Плазмените струи обикновено са проектирани да работят във вакуум или атмосфера с ниско налягане, където е необходимо захранване с газ. Екипът на Гьоксел обаче тества устройство, способно да работи във въздух при налягане от една атмосфера. „Нашите плазмени дюзи могат да достигнат скорост до 20 километра в секунда“, казва Гьокел в поредицата конференции на Journal of Physics.

Двигател SABRE в хиперзвуковото превозно средство на бъдещето

Като начало екипът тества миниатюрни тласкащи устройства с дължина 80 милиметра. За малък самолет това ще бъде до хиляда от това, което екипът смята за възможно. Най-голямото ограничение, разбира се, е липсата на олекотени батерии. Учените обмислят и хибридни самолети, в които плазмен двигател ще бъде комбиниран с двигатели с вътрешно горене или ракети.

Когато говорим за иновативни концепции за реактивен двигател, нека не забравяме SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), разработен от Reaction Engines Limited. Предполага се, че това ще бъде двигател, работещ както в атмосферата, така и във вакуум, работещ на течен водород. В началния етап на полета окислителят ще бъде въздух от атмосферата (както при конвенционалните реактивни двигатели), а от височина 26 км (където корабът достига скорост от 5 милиона години) - течен кислород. След като премине в ракетен режим, той ще достигне скорост до 25 Маха.

HorizonX, инвестиционното подразделение на Boeing, участващо в проекта, все още не е решило как SABRE може да го използва, освен че очаква да „използва революционна технология, за да помогне на Boeing в стремежа си към свръхзвуков полет“.

RAMJET и scramjet (свръхзвуков реактивен двигател с горивна камера) отдавна са в устата на любителите на високоскоростната авиация. В момента те се разработват главно за военни цели. Въпреки това, както учи историята на авиацията, това, което ще бъде изпробвано в армията, ще отиде за гражданската авиация. Всичко, което е необходимо, е малко търпение.

Видео с интелигентен двигател на Rolls Royce:

Rolls-Royce | Иновация в IntelligentEngine