A është një avion elektrik një alternativë ndaj aviacionit modern?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Motori modern i turbinës me gaz (turbofan) që drejton astartë, natyrisht, nuk është një zhurmë me dy goditje për veglat e kopshtarisë, por një makinë shumë efikase dhe shumë e besueshme. Megjithatë, sipas prodhuesve të avionëve, është afër shterrimit të rezervave për përmirësime të mëtejshme.

Pse ka motorë - të gjithë avionët në ndërtim janë aq të ngjashëm me njëri-tjetrin sa që vetëm një ekspert i aviacionit do të dallojë menjëherë Boeing ose Airbus nga Bombardier ose MS-21. Dhe megjithëse nuk ka as më të voglin dyshim se avionët e tipit modern me dy motorë turbinash me gaz nën krahë do të na rrokullisin nëpër qiell për dekada, shpresat e mëdha për një plan urbanistik të ri dhe aerodinamikë të re të avionëve lidhen me shtytje elektrike.

Shpejt, por jo për shumë kohë

Deri vonë, termi "avion elektrik" kuptohej si "aeroplan më elektrik" - një avion me një krah fiks, në të cilin transmetimet mekanike dhe hidraulike u zëvendësuan në maksimum nga ato elektrike.

Nuk ka më tubacione dhe kabllo - të gjitha punët mekanike, si drejtimi i timonave dhe mekanizimi i krahut, kryhen nga motorë-aktuatorë të vegjël elektrikë, të cilët furnizohen me energji dhe një kanal për sinjalin e kontrollit. Tani termi është mbushur me një kuptim të ri: një aeroplan i vërtetë elektrik duhet të lëvizë vetë në tërheqje elektrike.

Natyrisht, perspektivat për aviacionin elektrik varen jo vetëm (dhe jo edhe aq) nga projektuesit e avionëve, sa nga përparimi në fushën e inxhinierisë elektrike. Në fund të fundit, aeroplanët, siç thonë ata, "me bateri" ekzistojnë. Motorë elektrikë ndihmës u instaluan në rrëshqitës disa dekada më parë.

Extra 330LE, i cili fluturoi për herë të parë në vitin 2016, tashmë mban avionë me avionë dhe vendos rekorde shpejtësie. Por blloku i tij prej 14 baterish të fuqishme litium-jon dhe një motor elektrik nga Siemens e lejojnë këtë foshnjë të marrë në bord vetëm dy persona, përfshirë pilotin, dhe të qëndrojë në ajër jo më shumë se 20 minuta.

Shtesë 330LE

Sigurisht që ka projekte me tregues shumë më mbresëlënës. Në shtator të vitit të kaluar, linja ajrore britanike me kosto të ulët EasyJet njoftoi se në dhjetë vjet do të nisë një linjë të linjës rajonale tërësisht elektrike (vargësia prej 540 km, e cila është mjaft e madhe për fluturimet brenda-evropiane) me një kapacitet prej 180 pasagjerësh.

Startup amerikan Wright Electric, i cili tashmë ka ndërtuar një demonstrues fluturues me dy vende, është bërë partner në projekt. Sidoqoftë, sot dendësia e energjisë e baterive më të mira të litium-jonit është më shumë se një renditje e madhësisë më e ulët se karburantet hidrokarbure. Supozohet se deri në vitin 2030 bateritë do të përmirësojnë performancën e tyre me një maksimum dy herë.

Turbinë, qëndro

Situata me qelizat e karburantit duket shumë më e favorshme, në të cilën energjia kimike e karburantit shndërrohet drejtpërdrejt në energji elektrike, duke anashkaluar procesin e djegies.

Hidrogjeni konsiderohet të jetë karburanti më premtues për një burim të tillë energjie. Eksperimentet me qelizat e karburantit si një burim energjie për një aeroplan elektrik po kryhen në vende të ndryshme të botës (në Rusi, CIAM është duke punuar kryesisht në projekte për krijimin e avionëve të tillë, dhe qelizat e karburantit për to krijohen në IPCP RAS nën udhëzimet e profesor Yuri Dobrovolsky).

Nga konceptet fluturuese dhe të drejtuara, mund të kujtojmë demonstruesin evropian ENFICA-FC Rapid 200FC - ai përdorte bateri elektrike dhe qeliza karburanti në të njëjtën kohë. Por kjo teknologji gjithashtu ka nevojë për përmirësime të konsiderueshme dhe kërkime shtesë.

Perspektivat më realiste për sot duket se janë perspektivat për avionët elektrikë të ndërtuar sipas skemës hibride. Kjo do të thotë se helika e avionit (helika ose propfan) do të drejtohet nga një motor elektrik, por do të marrë energji elektrike nga një gjenerator i rrotulluar … nga një motor turbinë me gaz (ose motor tjetër me djegie të brendshme). Në pamje të parë, një skemë e tillë duket e çuditshme: ata duan të braktisin GTE në favor të motorit elektrik, por ata nuk do ta bëjnë këtë.

Tashmë ka mjaft projekte hibride në botë, por ne jemi të interesuar kryesisht në Rusi. Puna në një aeroplan elektrik, veçanërisht me një skemë hibride, u krye në institute të ndryshme shkencore të profilit të aviacionit, si TsAGI ose TsIAM.

Sot, këto dhe disa institucione të tjera janë bashkuar (që nga viti 2014) nën kujdesin e Qendrës Kërkimore "Instituti me emrin N. Ye. Zhukovsky", i krijuar për t'u bërë një "besim i trurit" i vetëm i fuqishëm i industrisë. Detyra për të integruar të gjithë punën për aviacionin elektrik brenda qendrës i është caktuar Sergei Galperin, të cilin e cituam tashmë në fillim të artikullit.

Nisja me bateri

"Tranzicioni në motorët elektrikë në aviacion hap shumë perspektiva interesante," thotë Sergei Halperin, "por nuk ka asnjë arsye për të llogaritur krijimin e një avioni elektrik komercial me një gamë të mirë për kushtet ruse në burime thjesht kimike të energjisë (bateritë ose qelizat e karburantit) në të ardhmen e afërt: potenciali i energjisë ndryshon shumë një kilogram vajguri dhe një kilogram bateri. Një dizajn hibrid mund të jetë një kompromis i arsyeshëm. Duhet të kuptohet se një motor me turbinë me gaz që krijon drejtpërdrejt shtytje dhe një motor me turbinë me gaz që do të vërë në lëvizje boshtin e gjeneratorit nuk janë aspak e njëjta gjë.

Fakti është se kërkesat për energji të avionit ndryshojnë ndjeshëm gjatë fluturimit. Në ngritje, motori i avionit zhvillon fuqinë afër maksimumit të tij, dhe gjatë lundrimit (d.m.th., në pjesën më të madhe të fluturimit) konsumi i energjisë i avionit zvogëlohet me 5-6 herë.

Kështu, një termocentral tradicional duhet të jetë në gjendje të funksionojë në një gamë të gjerë mënyrash (jo gjithmonë optimale nga pikëpamja ekonomike) dhe të kalojë shpejt nga njëri në tjetrin. Asgjë e tillë nuk kërkohet nga një motor me turbinë me gaz në një instalim hibrid. Do të jetë e ngjashme me turbinat me gaz të termocentraleve, të cilat funksionojnë gjithmonë në të njëjtin modalitet, ekonomikisht më të dobishëm. Kanë vite që punojnë pa u ndalur”.

Ce-liner

Me ndihmën e një gjeneratori, GTE do të jetë në gjendje të gjenerojë energji për furnizim të drejtpërdrejtë me energji elektrike të motorëve elektrikë, si dhe për krijimin e një rezerve në bateri. Ndihma e baterisë do të nevojitet vetëm në ngritje.

Por meqenëse funksionimi i motorëve elektrikë në modalitetin e ngritjes do të zgjasë vetëm disa minuta, rezerva e energjisë nuk duhet të jetë shumë e madhe dhe bateritë në bord mund të jenë mjaft të pranueshme në madhësi dhe peshë. Në të njëjtën kohë, motori i turbinës me gaz nuk do të ketë asnjë regjim ngritjeje - biznesi i tij është të prodhojë në heshtje energji elektrike.

Kështu, ndryshe nga një motor avioni, një motor me turbina me gaz në një avion elektrik hibrid do të jetë më pak i fuqishëm, më i besueshëm dhe miqësor me mjedisin, më i thjeshtë në dizajn, që do të thotë më i lirë dhe, së fundi, do të ketë një burim më të madh.

Duke fryrë në krah

Në të njëjtën kohë, kalimi në motorët elektrikë hap perspektiva për risi themelore në projektimin e avionëve civilë të së ardhmes. Një nga temat më të diskutuara është krijimi i termocentraleve të shpërndara.

Sot, faqosja klasike e astarit supozon dy pika të aplikimit të shtytjes, domethënë dy, rrallë katër motorë të fuqishëm që varen në shtyllat nën krah. Në aeroplanët elektrikë, merret parasysh faqosja e një numri të madh motorësh elektrikë përgjatë krahut, si dhe në skajet e tij. Pse është e nevojshme kjo?

Çështja është përsëri në ndryshimin midis mënyrave të ngritjes dhe lundrimit. Në ngritje me një shpejtësi të ulët të rrjedhës së incidentit, një avion ka nevojë për një zonë të madhe krahësh për të krijuar ngritje. Me shpejtësinë e lundrimit, krahu i gjerë pengon rrugën, duke krijuar ngritje të tepërt.

Problemi është zgjidhur për shkak të mekanizimit kompleks - flapave dhe slats të anulohet. Avionët më të vegjël, duke u ngritur nga fusha të vogla ajrore dhe duke pasur krahë të mëdhenj për këtë, detyrohen të lundrojnë me një kënd sulmi nën optimale, gjë që çon në konsum shtesë të karburantit.

Por, nëse gjatë ngritjes shumë motorë elektrikë të lidhur me helikat do të fryjnë gjithashtu krahun, ai nuk do të duhet të bëhet shumë i gjerë. Avioni do të ngrihet me një ngritje të shkurtër dhe në seksionin e lundrimit, një krah i ngushtë nuk do të krijojë probleme. Makina do të tërhiqet përpara nga helikë të drejtuar nga motorët shtytës, dhe helikat përgjatë krahut në këtë fazë do të palosen ose tërhiqen përpara uljes.

Një shembull është projekti X-57 Maxwell i NASA-s. Koncepti demonstrues është i pajisur me 14 motorë elektrikë të pozicionuar përgjatë krahut dhe në majë të krahëve. Të gjithë ata punojnë vetëm gjatë ngritjes dhe uljes. Në seksionin e lundrimit, përfshihen vetëm motorët me majën e krahëve.

Një vendosje e tillë e motorëve lejon të zvogëlojë ndikimin negativ të vorbullave që lindin në këto vende. Nga ana tjetër, termocentrali rezulton të jetë kompleks, që do të thotë se është më i kushtueshëm për t'u mirëmbajtur dhe gjasat për dështime janë gjithashtu më të larta. Në përgjithësi, shkencëtarët dhe projektuesit kanë diçka për të menduar.

X-57 Maxwell

Do të ndihmojë në azotin e lëngshëm

"Një avion elektrik ofron shumë mundësi për optimizim," thotë Sergei Halperin. - Mund të eksperimentoni, për shembull, me një kombinim të vidhave tërheqëse dhe shtytëse. Motorët elektrikë janë shumë më të favorshëm në krahasim me motorët me turbina me gaz në aeroplanët e konvertuar, pasi rrotullimi i sigurt i motorit elektrik në një pozicion horizontal nuk paraqet një problem inxhinierik kaq kompleks si në rastin e motorëve tradicionalë.

Në një aeroplan elektrik, ju mund të siguroni integrimin e plotë të të gjitha sistemeve, të krijoni një sistem të ri kontrolli. Edhe makinat hibride do të prodhojnë më pak zhurmë dhe emetime.”

Ashtu si bateritë, motorët elektrikë rriten në masë, vëllim dhe shpërndarje të nxehtësisë me rritjen e fuqisë. Kërkohen teknologji të reja për t'i bërë ato më të fuqishme dhe më të lehta.

Për zhvilluesit vendas të sistemeve shtytëse hibride, një përparim i vërtetë ishte bashkëpunimi me kompaninë ruse SuperOx, një nga pesë furnizuesit më të mëdhenj të materialeve me veti superpërçueshmërie të temperaturës së lartë (HTSC) në botë. Tani SuperOx po zhvillon motorë elektrikë me një stator të bërë nga materiale superpërçuese (të ftohur me azot të lëngshëm).

Këta motorë me karakteristika të mira aviacioni do të formojnë bazën e një termocentrali hibrid për një avion rajonal, i cili mund të ngrihet në qiell në mesin e dekadës së ardhshme. Këtë vit, në ekspozitën ajrore MAKS, specialistët e CIAM prezantuan një demonstrues të një instalimi të tillë me kapacitet 10 kW. Avioni i planifikuar do të pajiset me një termocentral hibrid me dy motorë 500 kW secili.

"Para se të flasim për një avion elektrik hibrid," thotë Halperin, "është e nevojshme të testojmë instalimin tonë në tokë dhe më pas në një laborator fluturues. Shpresojmë se do të jetë Yak-40. Në vend të një radari, mund të vendosim një motor elektrik 500 kilovat HTSC në hundën e makinës.

Ne do të instalojmë një gjenerator turbo në bisht në vend të motorit qendror. Dy motorët e mbetur Yak do të jenë të mjaftueshëm për të testuar mendjen tonë në një gamë të gjerë lartësish (deri në 8000 m) dhe shpejtësi (deri në 500 km/h). Dhe edhe nëse instalimi hibrid dështon, avioni mund të përfundojë me siguri fluturimin dhe të ulet. Laboratori i demonstrimit do të pajiset sipas planit në vitin 2019. Cikli i testimit është planifikuar paraprakisht për vitin 2020.

Qiej të zgjuar

Propulsioni elektrik dhe hibrid zë një vend të rëndësishëm në planet e prodhuesve më të mëdhenj të avionëve në botë. Kështu duken tiparet kryesore të aviacionit të pasagjerëve të mesit të këtij shekulli sipas programit Smarter Skies të kompanisë AIRBUS.

Fluturimi "Green"

Avioni i së ardhmes do të projektohet për të minimizuar gjurmën e hidrokarbureve në atmosferë. Motorët me turbina me gaz hidrogjeni, hibridë dhe avionë tërësisht elektrikë me bateri do të fitojnë popullaritet.

Supozohet se bateritë do të rimbushen nga burime ekologjikisht miqësore të energjisë elektrike. Shfaqja e fermave të mëdha të erës ose termocentraleve diellore në zonën e fushave ajrore është e mundur.

Liria në qiell

Linjat e linjës inteligjente do të përshkruajnë në mënyrë të pavarur rrugët bazuar në parametrat e mirëdashjes mjedisore dhe të efikasitetit të karburantit bazuar në analizën e të dhënave të motit dhe atmosferës. Ata gjithashtu do të jenë në gjendje të grumbullohen në formacione si tufa zogjsh, të cilat do të zvogëlojnë tërheqjen për avionët individualë në formacion dhe do të reduktojnë konsumin e energjisë për fluturim.

Më tepër nga toka

Sistemet e reja shtytëse dhe aerodinamika e avionëve do t'i lejojnë ata të ngrihen përgjatë trajektores më të pjerrët të mundshme në mënyrë që të reduktojnë zhurmën në zonën e aeroportit dhe të arrijnë nivelin e lundrimit sa më shpejt të jetë e mundur, ku avioni demonstron karakteristika optimale ekonomike.

Ulje pa motor

Avionët e së ardhmes do të mund të ulen në një modalitet rrëshqitës. Kjo do të kursejë karburant dhe do të reduktojë nivelet e zhurmës në zonën e aeroportit. Shpejtësia e uljes gjithashtu do të ulet. Kjo do të shkurtojë gjatësinë e pistave.

Pa shter

Aeroportet e së ardhmes do të eliminojnë plotësisht përdorimin e motorëve me djegie të brendshme që djegin karburant. Për taksi, linjat e linjës do të pajisen me rrota me motor elektrik. Si një alternativë - traktorë elektrikë pa pilot me shpejtësi të lartë, të cilët do të jenë në gjendje të dërgojnë shpejt avionët nga platforma në pistë dhe anasjelltas.