Ātrāks, klusāks, tīrāks — jauns gaisa kuģa dzinējs

Izrādās, lai daudz ko mainītu aviācijā, nav jāmeklē jauni propelleri, futūristiski dizaini vai kosmosa materiāli. Pietiek izmantot salīdzinoši vienkāršu mehānisko transmisiju ...

Šis ir viens no pēdējo gadu svarīgākajiem jauninājumiem. Turboventilatora motori (GTF) ļauj kompresoram un ventilatoram griezties dažādos ātrumos. Ventilatora piedziņas pārnesums griežas kopā ar ventilatora vārpstu, bet atdala ventilatora motoru no zemspiediena kompresora un turbīnas. Ventilators griežas ar mazāku ātrumu, savukārt kompresors un zema spiediena turbīna darbojas ar lielāku ātrumu. Katrs dzinēja modulis var darboties ar optimālu efektivitāti. Pēc 20 gadus ilgas pētniecības un izstrādes, kā arī aptuveni 1000 miljardu dolāru iztērēšanas pētniecībai un attīstībai, Pratt & Whitney PurePower PW2016G turboventilatoru saime sāka darboties pirms dažiem gadiem un kopš XNUMX. gada ir plaši ieviesta komerciālajās lidmašīnās.

Mūsdienu turboventilatoru dzinēji rada vilci divos veidos. Pirmkārt, kompresori un sadegšanas kamera atrodas tā centrā. Priekšpusē ir ventilators, kas, izmantojot serdi, virza gaisu caur apvada kamerām ap motora serdi. Apvedceļa koeficients ir attiecība starp gaisa daudzumu, kas iet caur serdi, un gaisa daudzumu, kas iet caur to. Kopumā augstāks apvedceļa koeficients nozīmē klusākus, efektīvākus un jaudīgākus dzinējus. Tradicionālajiem turboventilatora dzinējiem apvedceļa koeficients ir 9 pret 1. Pratt PurePower GTF dzinēju apvada koeficients ir 12 pret 1.

Lai palielinātu apvada koeficientu, motoru ražotājiem jāpalielina ventilatora lāpstiņu garums. Taču, pagarinot, asmeņa galā iegūtie griešanās ātrumi būs tik lieli, ka radīsies nevēlamas vibrācijas. Lai palēninātu ātrumu, ir vajadzīgas ventilatora lāpstiņas, un tam ir paredzēta pārnesumkārba. Šāds dzinējs var sasniegt pat 16 procentus, norāda Pratt & Whitney. lieliska degvielas ekonomija un 50 procenti. mazāk izplūdes gāzu emisiju un ir 75 procenti. kluss. Nesen SWISS un Air Baltic paziņoja, ka viņu GTF C sērijas reaktīvie dzinēji patērē pat mazāk degvielas, nekā sola ražotājs.

PW1100G-JM dzinējs uz ražošanas līnijas

Žurnāls TIME nosaucis PW1000G dzinēju par vienu no 50 svarīgākajiem 2011. gada izgudrojumiem un vienu no sešiem videi draudzīgākajiem izgudrojumiem, jo ​​Pratt & Whitney PurePower ir izstrādāts tā, lai tas būtu tīrāks, klusāks, jaudīgāks un izmantotu mazāk degvielas nekā esošie reaktīvie dzinēji. 2016. gadā Ričards Andersons, toreizējais Delta Air Lines prezidents, nosauca dzinēju par "pirmo patieso inovāciju", kopš Boeing Dreamliner radīja revolūciju kompozītmateriālu būvniecībā.

Ietaupījumi un emisiju samazināšana

Komerciālās aviācijas nozare ik gadu izdala vairāk nekā 700 miljonus tonnu oglekļa dioksīda. Lai gan tas ir tikai aptuveni 2 procenti. globālās oglekļa dioksīda emisijas, ir pierādījumi, ka reaktīvo dzinēju degvielā esošās siltumnīcefekta gāzes vairāk ietekmē atmosfēru, jo tās izdalās lielākā augstumā.

Lielākie dzinēju ražotāji cenšas ietaupīt degvielu un samazināt emisijas. Pratt konkurents CFM International nesen iepazīstināja ar savu progresīvo dzinēju, ko sauc par LEAP, kas, pēc uzņēmuma amatpersonu domām, nodrošina līdzīgus rezultātus kā turboventilatoram uz citu risinājumu rēķina. CFM apgalvo, ka tradicionālajā turboventilatora arhitektūrā tās pašas priekšrocības var sasniegt bez spēka agregāta papildu svara un pretestības. LEAP izmanto vieglus kompozītmateriālus un oglekļa šķiedras ventilatora lāpstiņas, lai panāktu energoefektivitātes uzlabojumus, kas, pēc uzņēmuma domām, ir salīdzināmi ar Pratt & Whitney dzinēja sasniegtajiem.

Līdz šim pasūtījumi Airbus dzinējiem A320neo ir aptuveni vienmērīgi sadalīti starp CFM un Pratt & Whitney. Diemžēl pēdējam uzņēmumam PurePower motori rada problēmas lietotājiem. Pirmā parādījās šogad, kad Qatar Airways Airbus A320neo tika fiksēta nevienmērīga GTF dzinēju dzesēšana. Nevienmērīga dzesēšana var izraisīt detaļu deformāciju un berzi, un tajā pašā laikā palielināt laiku starp lidojumiem. Rezultātā aviokompānija secināja, ka dzinēji neatbilst ekspluatācijas prasībām. Drīz pēc tam Indijas aviācijas iestādes apturēja 11 Airbus A320neo lidmašīnu lidojumus ar PurePower GTF dzinējiem. Kā raksta Economic Times, lēmums pieņemts pēc tam, kad ar Airbus GTF darbināmās lidmašīnas divu nedēļu laikā piedzīvoja trīs dzinēja atteices. Pratt & Whitney mazina šīs grūtības, sakot, ka tās ir viegli pārvarēt.

Airbus elektroniskais ventilators

Cits gigants lidmašīnu dzinēju jomā Rolls-Royce izstrādā savu Power Gearbox, kas līdz 2025. gadam samazinās degvielas patēriņu lielajos turboventilatoros par 25%. salīdzinot ar vecākiem labi zināmā Trent dzinēju klāsta modeļiem. Tas, protams, nozīmē jaunu Pratt & Whitney dizaina konkursu.

Briti domā arī par cita veida inovācijām. Nesen notikušās Singapūras aviācijas izstādes laikā Rolls-Royce uzsāka IntelligentEngine iniciatīvu, kuras mērķis ir izstrādāt viedos gaisa kuģu dzinējus, kas ir drošāki un efektīvāki, pateicoties spējai sazināties vienam ar otru un izmantojot atbalsta tīklu. Nodrošinot nepārtrauktu divvirzienu saziņu ar dzinēju un citām servisa ekosistēmas daļām, dzinējs spēs atrisināt problēmas pirms to rašanās un uzzināt, kā uzlabot veiktspēju. Viņi arī mācītos no sava darba un citu dzinēju vēstures, un kopumā viņiem pat būtu jāremontē sevi ceļā.

Braukšanai nepieciešami labāki akumulatori

Eiropas Komisijas aviācijas vīzija 2050. gadam paredz samazināt CO emisijas.₂ par 75 procentiem, slāpekļa oksīdi par 90 procentiem. un troksnis par 65 procentiem. Tos nevar sasniegt ar esošajām tehnoloģijām. Elektriskās un hibrīdelektriskās piedziņas sistēmas pašlaik tiek uzskatītas par vienu no daudzsološākajām tehnoloģijām šo izaicinājumu risināšanai.

Tirgū ir pieejamas divvietīgas elektriskās vieglās lidmašīnas. Pie apvāršņa ir četrvietīgi hibrīdelektriskie transportlīdzekļi. NASA prognozē, ka 20. gadu sākumā šāda veida īso lidojumu deviņvietīgās lidmašīnas atgriezīs aviācijas pakalpojumus mazākās kopienās. Gan Eiropā, gan ASV zinātnieki uzskata, ka līdz 2030. gadam ir iespējams uzbūvēt hibrīdelektrisko lidmašīnu ar ietilpību līdz 100 sēdvietām. Taču būtisks progress būs vajadzīgs enerģijas uzglabāšanas jomā.

Pašlaik akumulatoru enerģijas blīvums vienkārši nav pietiekams. Tomēr tas viss var mainīties. Tesla boss Elons Musks sacīja, ka tad, kad baterijas spēs saražot 400 vatstundas uz kilogramu un šūnu jaudas attiecība pret kopējo svaru būs 0,7-0,8, elektriskā transkontinentālā lidmašīna kļūs par "sarežģītu alternatīvu". Ņemot vērā, ka litija jonu akumulatori 113. gadā spēja sasniegt enerģijas blīvumu 1994 Wh/kg, 202. gadā – 2004 Wh/kg un tagad spēj sasniegt aptuveni 300 Wh/kg, var pieņemt, ka tuvākās desmitgades laikā tie sasniegs 400 Wh/kg līmeni.

Kitty Hawk elektriskā divvietīgā gaisa taksometra projekts

Airbus, Rolls-Royce un Siemens nesen sadarbojās, lai izstrādātu lidojošo demonstratoru E-Fan X, kas būs nozīmīgs solis uz priekšu komerciālo lidmašīnu hibrīdelektriskajā piedziņā. Paredzams, ka E-Fan X hibrīda elektriskās tehnoloģijas demonstrācija būs -Fan X lidos 2020. gadā pēc plašas zemes testa kampaņas. Pirmajā posmā BAe 146 aizstās vienu no četriem dzinējiem ar XNUMX MW elektromotoru. Turpinājumā pēc sistēmas brieduma demonstrēšanas plānots nomainīt otro turbīnu pret elektromotoru.

Airbus būs atbildīgs par vispārējo integrāciju, kā arī par hibrīda elektriskās piedziņas un akumulatora vadības arhitektūru un tās integrāciju ar lidojumu vadības sistēmām. Rolls-Royce būs atbildīgs par gāzes turbīnas dzinēju, XNUMX megavatu ģeneratoru un spēka elektroniku. Kopā ar Airbus Rolls-Royce strādās arī pie ventilatoru pielāgošanas esošajai Siemens gondolai un elektromotoram. Siemens piegādās XNUMX MW elektromotorus un elektronisko jaudas kontrolieri, kā arī invertoru, pārveidotāju un jaudas sadales sistēmu.

Daudzi pētniecības centri visā pasaulē strādā pie elektriskajiem lidaparātiem, tostarp NASA, kas būvē X-57 Maxwell. Tiek izstrādāts arī Kitty Hawk elektrisko divvietīgo gaisa taksometru projekts un daudzas citas lielu centru, uzņēmumu vai mazu jaunuzņēmumu struktūras.

Ņemot vērā, ka pasažieru un kravas lidmašīnu vidējais kalpošanas laiks ir attiecīgi aptuveni 21 un 33 gadi, pat ja visas rīt ražotās jaunās lidmašīnas ir pilnībā elektriskas, ar fosilo kurināmo darbināmu lidmašīnu pakāpeniska izbeigšana prasīs divas līdz trīs desmitgades.

Tātad tas nedarbosies ātri. Tikmēr biodegviela var atvieglot vidi aviācijas nozarē. Tie palīdz samazināt oglekļa dioksīda emisijas par 36-85 procentiem. Neskatoties uz to, ka reaktīvo dzinēju biodegvielas maisījumi tika sertificēti jau 2009. gadā, aviācijas nozare nesteidzas ieviest izmaiņas. Ir maz tehnoloģisku šķēršļu un izaicinājumu, kas saistīti ar biodegvielas ražošanas paaugstināšanu līdz rūpnieciskam līmenim, taču galvenais atturošais faktors ir cena — ir vajadzīgi vēl desmit gadi, lai sasniegtu līdzvērtīgumu ar fosilo kurināmo.

Soli Nākotnē

Tajā pašā laikā laboratorijas strādā pie nedaudz futūristiskākām lidmašīnu dzinēju koncepcijām. Pagaidām, piemēram, plazmas dzinējs neizklausās īpaši reālistiski, taču nevar izslēgt, ka zinātniskie darbi izvērsīsies par kaut ko interesantu un noderīgu. Plazmas dzinēji izmanto elektrību, lai radītu elektromagnētiskos laukus. Tie saspiež un ierosina gāzi, piemēram, gaisu vai argonu, plazmā - karstā, blīvā, jonizētā stāvoklī. Viņu pētījumi tagad noved pie idejas par satelītu palaišanu kosmosā (jonu dzinēji). Tomēr Berkants Gēsels no Berlīnes Tehniskās universitātes un viņa komanda vēlas lidmašīnās ievietot plazmas dzinējus.

Pētījuma mērķis ir izstrādāt gaisa strūklas plazmas dzinēju, ko varētu izmantot gan pacelšanās, gan liela augstuma lidojumiem. Plazmas strūklas parasti ir paredzētas darbam vakuuma vai zema spiediena atmosfērā, kur nepieciešama gāzes padeve. Tomēr Göksel komanda pārbaudīja ierīci, kas spēj darboties gaisā vienas atmosfēras spiedienā. "Mūsu plazmas sprauslas var sasniegt ātrumu līdz 20 kilometriem sekundē," žurnālā Journal of Physics konferenču sērijā saka Gekels.

SABRE dzinējs nākotnes hiperskaņas transportlīdzeklī

Sākumā komanda pārbaudīja miniatūrus dzinējus, kuru garums bija 80 milimetri. Nelielam gaisa kuģim tas būs līdz tūkstotim no tā, ko komanda uzskata par iespējamu. Lielākais ierobežojums, protams, ir vieglo bateriju trūkums. Zinātnieki apsver arī hibrīdlidmašīnu, kurās plazmas dzinējs tiktu apvienots ar iekšdedzes dzinējiem vai raķetēm.

Kad mēs runājam par novatoriskām reaktīvo dzinēju koncepcijām, neaizmirsīsim SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), ko izstrādājis Reaction Engines Limited. Tiek pieņemts, ka tas būs dzinējs, kas darbosies gan atmosfērā, gan vakuumā un darbosies ar šķidro ūdeņradi. Lidojuma sākumposmā oksidētājs būs gaiss no atmosfēras (tāpat kā parastajos reaktīvos dzinējos), bet no 26 km augstuma (kur kuģis sasniedz ātrumu 5 miljoni gadu) - šķidrais skābeklis. Pēc pārslēgšanās uz raķešu režīmu tas sasniegs ātrumu līdz 25 Mach.

HorizonX, Boeing investīciju grupa, kas iesaistīta projektā, vēl nav izlēmusi, kā SABRE to varētu izmantot, izņemot to, ka tā paredz "izmantot revolucionāru tehnoloģiju, lai palīdzētu Boeing virsskaņas lidojuma meklējumos".

RAMJET un scramjet (virsskaņas reaktīvais dzinējs ar sadegšanas kameru) jau sen ir bijis ātrgaitas aviācijas cienītāju lūpās. Pašlaik tie tiek izstrādāti galvenokārt militāriem mērķiem. Taču, kā māca aviācijas vēsture, tas, kas tiks pārbaudīts armijā, nonāks civilajā aviācijā. Viss, kas nepieciešams, ir nedaudz pacietības.

Rolls Royce Intelligent Engine Video:

Rolls-Royce | Inovācijas IntelligentEngine