Brže, tiše, čistije - novi avionski motor

Ispostavilo se da da biste mnogo toga promijenili u avijaciji, ne morate tražiti nove propelere, futuristički dizajn ili svemirske materijale. Dovoljno je koristiti relativno jednostavan mehanički prijenos...

Ovo je jedna od najvažnijih inovacija posljednjih godina. Turboventilatorski motori (GTF) omogućavaju kompresoru i ventilatoru da se rotiraju različitim brzinama. Pogonski zupčanik ventilatora rotira sa osovinom ventilatora, ali odvaja motor ventilatora od niskotlačnog kompresora i turbine. Ventilator se okreće manjom brzinom, dok kompresor i turbina niskog pritiska rade većom brzinom. Svaki modul motora može raditi s optimalnom efikasnošću. Nakon 20 godina ulaganja u istraživanje i razvoj i istraživanje i razvoj od oko 1000 milijardi dolara, porodica Pratt & Whitney PurePower PW2016G bila je operativna prije nekoliko godina i masovno je uvedena u komercijalne avione od XNUMX.

Moderni turboventilatorski motori stvaraju potisak na dva načina. Prvo, kompresori i komora za sagorevanje nalaze se u njegovom jezgru. Na prednjoj strani je ventilator koji, pokretan jezgrom, usmjerava zrak kroz premosne komore oko jezgre motora. Bypass omjer je omjer količine zraka koja prolazi kroz jezgro i količine zraka koja prolazi kroz njega. Općenito, veći premosni omjer znači tiše, efikasnije i snažnije motore. Konvencionalni turboventilatorski motori imaju omjer zaobilaženja od 9 prema 1. Pratt PurePower GTF motori imaju omjer zaobilaženja od 12 prema 1.

Da bi povećali premosni omjer, proizvođači motora moraju povećati dužinu lopatica ventilatora. Međutim, kada se izduži, brzine rotacije dobivene na kraju oštrice bit će toliko visoke da će se pojaviti neželjene vibracije. Potrebne su vam lopatice ventilatora da biste usporili, a za to je i mjenjač. Takav motor može biti čak 16 posto, prema Pratt & Whitney. velika ušteda goriva i 50 posto. manje emisije izduvnih gasova i iznosi 75 posto. tiho. Nedavno su SWISS i Air Baltic objavili da njihovi mlazni motori GTF C serije troše čak i manje goriva nego što proizvođač obećava.

PW1100G-JM motor na proizvodnoj liniji

Časopis TIME proglasio je motor PW1000G jednim od 50 najvažnijih izuma 2011. godine i jednim od šest ekološki najprihvatljivijih izuma, jer je Pratt & Whitney PurePower dizajniran da bude čišći, tiši, snažniji i troši manje goriva od postojećih mlaznih motora. Godine 2016, Richard Anderson, tadašnji predsjednik Delta Air Linesa, nazvao je motor "prvom istinskom inovacijom" otkako je Boeingov Dreamliner napravio revoluciju u konstrukciji kompozita.

Uštede i smanjenje emisija

Sektor komercijalne avijacije emituje više od 700 miliona tona ugljen-dioksida godišnje. Iako je to samo oko 2 posto. globalne emisije ugljičnog dioksida, postoje dokazi da staklenički plinovi u mlaznom gorivu imaju veći utjecaj na atmosferu jer se oslobađaju na većim visinama.

Veliki proizvođači motora nastoje uštedjeti gorivo i smanjiti emisije. Pratt konkurent CFM International nedavno je predstavio svoj vlastiti napredni motor nazvan LEAP, za koji zvaničnici kompanije kažu da daje slične rezultate kao i turboventilator sa zupčanikom na račun drugih rješenja. CFM tvrdi da se u tradicionalnoj turboventilatorskoj arhitekturi, iste prednosti mogu postići bez dodatne težine i otpora pogonskog sklopa. LEAP koristi lagane kompozitne materijale i lopatice ventilatora od karbonskih vlakana kako bi postigao poboljšanja energetske efikasnosti za koja kompanija kaže da su uporediva s onima postignutim s Pratt & Whitney motorom.

Do danas, narudžbe za Airbus motore za A320neo su otprilike ravnomjerno podijeljene između CFM i Pratt & Whitney. Nažalost za ovu drugu kompaniju, PurePower motori stvaraju probleme korisnicima. Prvi se pojavio ove godine, kada je zabilježeno neravnomjerno hlađenje GTF motora u Qatar Airways Airbus A320neo. Neravnomjerno hlađenje može dovesti do deformacije i trenja dijelova, a ujedno i povećati vrijeme između letova. Kao rezultat toga, aviokompanija je zaključila da motori ne ispunjavaju operativne zahtjeve. Ubrzo nakon toga, indijske vazduhoplovne vlasti obustavile su letove 11 aviona Airbus A320neo pokretanih PurePower GTF motorima. Prema pisanju Economic Timesa, odluka je donesena nakon što su avioni na Airbus GTF doživjeli tri kvara motora tokom dvije sedmice. Pratt & Whitney umanjuje važnost ovih poteškoća, rekavši da ih je lako savladati.

Airbus elektronski ventilator

Još jedan gigant u oblasti avionskih motora, Rolls-Royce, razvija vlastiti Power Gearbox, koji će do 2025. smanjiti potrošnju goriva u velikim turboventilatorima za 25%. u poređenju sa starijim modelima dobro poznate ponude motora Trent. To, naravno, znači novo takmičenje u dizajnu Pratt & Whitney.

Britanci razmišljaju i o drugim vrstama inovacija. Tokom nedavnog sajma u Singapuru, Rolls-Royce je pokrenuo inicijativu IntelligentEngine, koja ima za cilj razvoj inteligentnih motora aviona koji su sigurniji i efikasniji kroz mogućnost međusobne komunikacije i kroz mrežu podrške. Pružajući kontinuiranu dvosmjernu komunikaciju sa motorom i drugim dijelovima uslužnog ekosistema, motor će moći riješiti probleme prije nego što se pojave i naučiti kako poboljšati performanse. Učili bi i iz istorije svog rada i drugih motora, a uglavnom bi čak morali sami da se popravljaju u pokretu.

Za pogon su potrebne bolje baterije

Vizija avijacije Evropske komisije za 2050. poziva na smanjenje emisije CO.₂ za 75 posto, dušikovi oksidi za 90 posto. i buka za 65 posto. Oni se ne mogu postići postojećim tehnologijama. Električni i hibridno-električni pogonski sistemi se trenutno smatraju jednom od najperspektivnijih tehnologija za suočavanje sa ovim izazovima.

Na tržištu postoje dvosjedi električni laki avioni. Hibridno-električna vozila sa četiri sedišta su na vidiku. NASA predviđa da će početkom 20-ih godina ova vrsta kratkih aviona sa devet sjedišta vratiti avio usluge u manje zajednice. I u Evropi i u SAD, naučnici veruju da je do 2030. godine moguće izgraditi hibridno-električni avion kapaciteta do 100 sedišta. Međutim, biće potreban značajan napredak u oblasti skladištenja energije.

Trenutno, gustoća energije baterija jednostavno nije dovoljna. Međutim, sve bi se ovo moglo promijeniti. Šef Tesle Elon Musk rekao je da kada baterije budu sposobne da proizvedu 400 vat-sati po kilogramu, a omjer snage ćelije i ukupne težine bude 0,7-0,8, električni transkontinentalni avion će postati "teška alternativa". Uzimajući u obzir da su litijum-jonske baterije mogle postići gustinu energije od 113 Wh/kg 1994. godine, 202 Wh/kg 2004. godine, a sada su u stanju da dostignu oko 300 Wh/kg, može se pretpostaviti da će u narednoj deceniji dostići nivo od 400 Wh/kg.

Kitty Hawk električni dvosjed zračni taksi projekt

Airbus, Rolls-Royce i Siemens nedavno su se udružili kako bi razvili demonstrator letenja E-Fan X, koji će biti značajan korak naprijed u hibridno-električnom pogonu komercijalnih aviona. Očekuje se da će demonstracija hibridne električne tehnologije E-Fan X biti -Fan X letjeti 2020. nakon opsežne kampanje testiranja na zemlji. U prvoj fazi, BAe 146 će zamijeniti jedan od četiri motora sa elektromotorom od XNUMX MW. Nakon toga, planirana je zamjena druge turbine elektromotorom nakon što se pokaže zrelost sistema.

Airbus će biti odgovoran za cjelokupnu integraciju, kao i hibridnu arhitekturu električnog pogona i upravljanja baterijom i njenu integraciju sa sistemima kontrole leta. Rolls-Royce će biti odgovoran za gasnoturbinski motor, generator od XNUMX megavata i energetsku elektroniku. Zajedno sa Airbusom, Rolls-Royce će raditi i na prilagođavanju ventilatora postojećoj Siemens gondoli i elektromotoru. Siemens će isporučiti elektromotore od XNUMX MW i elektronski kontroler snage, kao i inverter, pretvarač i sistem za distribuciju električne energije.

Mnogi istraživački centri širom svijeta rade na električnim avionima, uključujući NASA-u, koja gradi X-57 Maxwell. Projekt električnog dvosjeda Kitty Hawk avio taksi i mnoge druge strukture velikih centara, kompanija ili malih start-upova također se razvijaju.

S obzirom na to da je prosječni vijek trajanja putničkih i teretnih aviona oko 21, odnosno 33 godine, čak i ako svi novi avioni koji se sutra budu proizvedeni budu potpuno električni, bilo bi potrebno dvije do tri decenije da se ukinu avioni na fosilna goriva.

Tako da neće raditi brzo. U međuvremenu, biogoriva mogu olakšati životnu sredinu u sektoru vazduhoplovstva. Pomažu u smanjenju emisije ugljičnog dioksida za 36-85 posto. Unatoč činjenici da su mješavine biogoriva za mlazne motore certificirane još 2009. godine, zrakoplovna industrija ne žuri s promjenama. Nekoliko je tehnoloških prepreka i izazova povezanih s dovođenjem proizvodnje biogoriva na industrijski nivo, ali glavna prepreka je cijena – potrebno je još deset godina da se postigne paritet sa fosilnim gorivima.

Korak u budućnost

Istovremeno, laboratorije rade na nešto futurističkijim konceptima motora aviona. Za sada, na primjer, plazma motor ne zvuči baš realistično, ali se ne može isključiti da će se naučni radovi razviti u nešto zanimljivo i korisno. Plazma potisnici koriste električnu energiju za stvaranje elektromagnetnih polja. Oni komprimiraju i pobuđuju plin, poput zraka ili argona, u plazmu – vruće, gusto, jonizirano stanje. Njihovo istraživanje sada dovodi do ideje o lansiranju satelita u svemir (ionski potisnici). Međutim, Berkant Goeksel sa Tehničkog univerziteta u Berlinu i njegov tim žele da postave plazma potisnike u avione.

Cilj istraživanja je razviti zračno-mlazni plazma motor koji bi se mogao koristiti i za poletanje i za letove na velikim visinama. Plazma mlazni motori su tipično dizajnirani za rad u vakuumu ili atmosferi niskog pritiska gdje je potrebna opskrba plinom. Međutim, Gökselov tim testirao je uređaj sposoban da radi na zraku pod pritiskom od jedne atmosfere. “Naše plazma mlaznice mogu postići brzinu do 20 kilometara u sekundi”, kaže Göckel u seriji konferencija Journal of Physics.

SABRE motor u hipersoničnom vozilu budućnosti

Za početak, tim je testirao minijaturne potisnike duge 80 milimetara. Za malu letjelicu, to će biti do hiljadu od onoga što tim smatra mogućim. Najveće ograničenje je, naravno, nedostatak laganih baterija. Naučnici razmatraju i hibridne avione, u kojima će plazma motor biti kombinovan sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem ili raketama.

Kada govorimo o inovativnim konceptima mlaznih motora, ne zaboravimo SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) koji je razvio Reaction Engines Limited. Pretpostavlja se da će to biti motor koji radi i u atmosferi i u vakuumu, na tečni vodonik. U početnoj fazi leta, oksidator će biti zrak iz atmosfere (kao kod konvencionalnih mlaznih motora), a sa visine od 26 km (gdje brod postiže brzinu od 5 miliona godina) - tekući kisik. Nakon prelaska na raketni režim, dostići će brzinu do 25 Mach.

HorizonX, Boeingova investiciona grana uključena u projekat, tek treba da odluči kako bi ga SABRE mogao koristiti, osim što očekuje da će "koristiti revolucionarnu tehnologiju da pomogne Boeingu u njegovoj potrazi za nadzvučnim letom".

RAMJET i scramjet (supersonični mlazni motor sa komorom za sagorevanje) odavno su na usnama ljubitelja brze avijacije. Trenutno se razvijaju uglavnom u vojne svrhe. Međutim, kako uči istorija vazduhoplovstva, ono što će biti testirano u vojsci ići će u civilno vazduhoplovstvo. Sve što je potrebno je malo strpljenja.

Video Rolls Royce Intelligent Engine:

Rolls-Royce | Inovacija u IntelligentEngineu