Mai rapid, mai silențios, mai curat - un nou motor de avion

Se dovedește că pentru a schimba mult în aviație, nu trebuie să cauți elice noi, modele futuriste sau materiale spațiale. Este suficient să folosiți o transmisie mecanică relativ simplă...

Aceasta este una dintre cele mai importante inovații din ultimii ani. Motoarele cu turboventilator cu angrenaje (GTF) permit compresorului și ventilatorului să se rotească la viteze diferite. Angrenajul de antrenare a ventilatorului se rotește cu arborele ventilatorului, dar separă motorul ventilatorului de compresorul de joasă presiune și turbină. Ventilatorul se rotește cu o viteză mai mică, în timp ce compresorul și turbina de joasă presiune funcționează la o viteză mai mare. Fiecare modul motor poate funcționa la o eficiență optimă. După 20 de ani de cheltuieli pentru cercetare și dezvoltare și cercetare și dezvoltare de aproximativ 1000 de miliarde de dolari, familia de turboventilatoare Pratt & Whitney PurePower PW2016G a fost operațională în urmă cu câțiva ani și a fost introdusă masiv în aeronavele comerciale din XNUMX.

Motoarele moderne cu turboventilator generează tracțiune în două moduri. În primul rând, compresoarele și camera de ardere sunt situate în centrul său. În față este un ventilator care, acționat de miez, direcționează aerul prin camerele de bypass din jurul miezului motorului. Raportul de bypass este raportul dintre cantitatea de aer care trece prin miez și cantitatea de aer care trece prin acesta. În general, un raport de bypass mai mare înseamnă motoare mai silențioase, mai eficiente și mai puternice. Motoarele cu turboventilatoare convenționale au un raport de bypass de 9 la 1. Motoarele Pratt PurePower GTF au un raport de bypass de 12 la 1.

Pentru a crește raportul de bypass, producătorii de motoare trebuie să mărească lungimea palelor ventilatorului. Cu toate acestea, atunci când sunt alungite, vitezele de rotație obținute la capătul lamei vor fi atât de mari încât vor apărea vibrații nedorite. Aveți nevoie de pale de ventilator pentru a încetini și pentru asta este cutia de viteze. Un astfel de motor poate ajunge până la 16%, potrivit lui Pratt & Whitney. economie mare de combustibil și 50 la sută. mai puține emisii de evacuare și este de 75 la sută. Liniște. Recent, SWISS și Air Baltic au anunțat că motoarele lor GTF din seria C consumă chiar mai puțin combustibil decât promite producătorul.

Motor PW1100G-JM pe linia de producție

Revista TIME a numit motorul PW1000G una dintre cele mai importante 50 de invenții din 2011 și una dintre cele șase cele mai ecologice invenții, deoarece Pratt & Whitney PurePower este proiectat să fie mai curat, mai silențios, mai puternic și să utilizeze mai puțin combustibil decât motoarele cu reacție existente. În 2016, Richard Anderson, pe atunci președinte al Delta Air Lines, a numit motorul „prima inovație adevărată” de când Dreamliner-ul Boeing a revoluționat construcția compozitelor.

Economii și reducerea emisiilor

Sectorul aviației comerciale emite anual peste 700 de milioane de tone de dioxid de carbon. Deși este doar aproximativ 2 la sută. emisiile globale de dioxid de carbon, există dovezi că gazele cu efect de seră din combustibilul pentru avioane au un impact mai mare asupra atmosferei, deoarece sunt eliberate la altitudini mai mari.

Principalii producători de motoare caută să economisească combustibil și să reducă emisiile. Concurentul Pratt, CFM International, a introdus recent propriul său motor avansat numit LEAP, despre care oficialii companiei spun că oferă rezultate similare unui turboventilator cu angrenaj în detrimentul altor soluții. CFM susține că într-o arhitectură tradițională cu turboventilator, aceleași beneficii pot fi obținute fără greutatea și rezistența adăugată a grupului de propulsie. LEAP folosește materiale compozite ușoare și pale de ventilator din fibră de carbon pentru a obține îmbunătățiri ale eficienței energetice despre care compania spune că sunt comparabile cu cele obținute cu motorul Pratt & Whitney.

Până în prezent, comenzile pentru motoarele Airbus pentru A320neo sunt împărțite aproximativ egal între CFM și Pratt & Whitney. Din păcate pentru ultima companie, motoarele PurePower creează probleme utilizatorilor. Prima a apărut anul acesta, când s-a înregistrat răcirea neuniformă a motoarelor GTF la Qatar Airways Airbus A320neo. Răcirea neuniformă poate duce la deformarea și frecarea pieselor și, în același timp, poate crește timpul dintre zboruri. Drept urmare, compania aeriană a concluzionat că motoarele nu îndeplineau cerințele operaționale. La scurt timp după aceea, autoritățile aviatice indiene au suspendat zborurile a 11 aeronave Airbus A320neo propulsate de motoare PurePower GTF. Potrivit Economic Times, decizia a venit după ce aeronavele propulsate de Airbus GTF au suferit trei defecțiuni la motor în decurs de două săptămâni. Pratt & Whitney minimizează aceste dificultăți, spunând că sunt ușor de depășit.

Ventilator electronic Airbus

Un alt gigant în domeniul motoarelor de avioane, Rolls-Royce, își dezvoltă propria Power Gearbox, care până în 2025 va reduce consumul de combustibil la turboventilatoarele mari cu 25%. comparativ cu modelele mai vechi din binecunoscuta gamă de motoare Trent. Aceasta înseamnă, desigur, un nou concurs de design Pratt & Whitney.

Britanicii se gândesc și la alte tipuri de inovații. În timpul recentului salon aerian de la Singapore, Rolls-Royce a lansat Inițiativa IntelligentEngine, care își propune să dezvolte motoare de avioane inteligente, care sunt mai sigure și mai eficiente prin capacitatea de a comunica între ele și printr-o rețea de suport. Oferind o comunicare continuă în două sensuri cu motorul și alte părți ale ecosistemului de servicii, motorul va putea rezolva problemele înainte ca acestea să apară și va învăța cum să îmbunătățească performanța. De asemenea, ar învăța din istoria muncii lor și a altor motoare și, în general, ar trebui chiar să se repare singuri din mers.

Drive are nevoie de baterii mai bune

Viziunea Comisiei Europene în domeniul aviației pentru 2050 cere o reducere a emisiilor de CO.₂ cu 75 la sută, oxizii de azot cu 90 la sută. iar zgomotul cu 65 la sută. Ele nu pot fi realizate cu tehnologiile existente. Sistemele de propulsie electrice și hibrid-electrice sunt considerate în prezent una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru a face față acestor provocări.

Pe piață există avioane ușoare electrice cu două locuri. Vehiculele hibrid-electrice cu patru locuri sunt la orizont. NASA prezice că, la începutul anilor 20, acest tip de avioane cu nouă locuri pe distanțe scurte va aduce serviciile de aviație înapoi în comunitățile mai mici. Atât în ​​Europa, cât și în SUA, oamenii de știință cred că până în 2030 este posibil să se construiască un avion hibrid-electric cu o capacitate de până la 100 de locuri. Cu toate acestea, vor fi necesare progrese semnificative în domeniul stocării energiei.

În prezent, densitatea de energie a bateriilor pur și simplu nu este suficientă. Totuși, toate acestea s-ar putea schimba. Șeful Tesla, Elon Musk, a spus că, odată ce bateriile sunt capabile să producă 400 de wați-oră pe kilogram, iar raportul dintre puterea celulei și greutatea totală este de 0,7-0,8, avionul electric transcontinental va deveni o „alternativă dificilă”. Având în vedere că bateriile litiu-ion au reușit să atingă o densitate de energie de 113 Wh/kg în 1994, 202 Wh/kg în 2004, iar acum sunt capabile să atingă aproximativ 300 Wh/kg, se poate presupune că în următorul deceniu va atinge nivelul 400 Wh/kg.

Proiect de taxi aerian electric cu două locuri Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce și Siemens s-au asociat recent pentru a dezvolta demonstratorul zburător E-Fan X, care va fi un pas semnificativ înainte în propulsia hibrid-electrică a aeronavelor comerciale. Demonstrația tehnologiei electrice hibride E-Fan X se așteaptă să fie -Fan X va zbura în 2020, după o campanie extinsă de teste la sol. În prima fază, BAe 146 va înlocui unul dintre cele patru motoare cu un motor electric de XNUMX MW. Ulterior, se plănuiește înlocuirea celei de-a doua turbine cu un motor electric după demonstrarea maturității sistemului.

Airbus va fi responsabil pentru integrarea generală, precum și pentru arhitectura hibridă de propulsie electrică și de control al bateriei și integrarea acesteia cu sistemele de control al zborului. Rolls-Royce va fi responsabil pentru motorul cu turbină cu gaz, generatorul de XNUMX megawați și electronica de putere. Împreună cu Airbus, Rolls-Royce va lucra și la adaptarea ventilatoarelor la nacela Siemens și la motorul electric existent. Siemens va furniza motoare electrice de XNUMX MW și un controler electronic de putere, precum și un invertor, un convertor și un sistem de distribuție a energiei.

Multe centre de cercetare din întreaga lume lucrează la avioane electrice, inclusiv NASA, care construiește X-57 Maxwell. De asemenea, se dezvoltă proiectul de taxi aerian electric cu două locuri Kitty Hawk și multe alte structuri ale marilor centre, companii sau mici start-up-uri.

Având în vedere că durata medie de viață a aeronavelor de pasageri și marfă este de aproximativ 21 și, respectiv, 33 de ani, chiar dacă toate aeronavele noi produse mâine sunt integral electrice, ar fi nevoie de două până la trei decenii pentru a elimina treptat aeronavele alimentate cu combustibili fosili.

Deci nu va funcționa rapid. Între timp, biocombustibilii pot ușura mediul în sectorul aviației. Acestea ajută la reducerea emisiilor de dioxid de carbon cu 36-85 la sută. În ciuda faptului că amestecurile de biocombustibili pentru motoarele cu reacție au fost certificate încă din 2009, industria aviației nu se grăbește să implementeze schimbări. Există puține obstacole și provocări tehnologice asociate cu aducerea producției de biocombustibili la niveluri industriale, dar principalul factor de descurajare este prețul – este nevoie de încă zece ani pentru a atinge paritatea cu combustibilii fosili.

Pas în viitor

În același timp, laboratoarele lucrează la concepte de motoare de avion ceva mai futuriste. Până acum, de exemplu, un motor cu plasmă nu sună foarte realist, dar nu poate fi exclus ca lucrările științifice să devină ceva interesant și util. Propulsoarele cu plasmă folosesc electricitatea pentru a crea câmpuri electromagnetice. Ele comprimă și excită un gaz, cum ar fi aerul sau argonul, într-o plasmă - o stare fierbinte, densă, ionizată. Cercetările lor duc acum la ideea lansării de sateliți în spațiul cosmic (propulsoare de ioni). Cu toate acestea, Berkant Goeksel de la Universitatea Tehnică din Berlin și echipa sa vor să pună propulsoare cu plasmă în avioane.

Scopul cercetării este de a dezvolta un motor cu plasmă cu jet de aer care ar putea fi folosit atât pentru decolare, cât și pentru zboruri la mare altitudine. Motoarele cu reacție cu plasmă sunt de obicei proiectate să funcționeze într-o atmosferă de vid sau de joasă presiune, unde este necesară alimentarea cu gaz. Cu toate acestea, echipa lui Göksel a testat un dispozitiv capabil să funcționeze în aer la o presiune de o atmosferă. „Duzele noastre cu plasmă pot atinge viteze de până la 20 de kilometri pe secundă”, spune Göckel în seria de conferințe Journal of Physics.

Motor SABRE în vehiculul hipersonic al viitorului

Pentru început, echipa a testat propulsoare miniaturale lungi de 80 de milimetri. Pentru o aeronavă mică, aceasta va fi până la o mie din ceea ce echipa consideră posibil. Cea mai mare limitare, desigur, este lipsa bateriilor ușoare. Oamenii de știință au în vedere și avioane hibride, în care un motor cu plasmă ar fi combinat cu motoare cu ardere internă sau rachete.

Când vorbim despre concepte inovatoare de motoare cu reacție, să nu uităm de SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) dezvoltat de Reaction Engines Limited. Se presupune că acesta va fi un motor care funcționează atât în ​​atmosferă, cât și în vid, care funcționează pe hidrogen lichid. În etapa inițială a zborului, oxidantul va fi aer din atmosferă (ca în motoarele cu reacție convenționale) și de la o înălțime de 26 km (unde nava atinge o viteză de 5 milioane de ani) - oxigen lichid. După trecerea în modul rachetă, va atinge viteze de până la Mach 25.

HorizonX, brațul de investiții al Boeing implicat în proiect, nu a decis încă cum îl poate folosi SABRE, cu excepția faptului că se așteaptă să „folosească tehnologie revoluționară pentru a ajuta Boeing în căutarea unui zbor supersonic”.

RAMJET și scramjet (motor cu reacție supersonic cu cameră de ardere) au fost de mult timp pe buzele fanilor aviației de mare viteză. În prezent, acestea sunt dezvoltate în principal în scopuri militare. Totuși, așa cum ne învață istoria aviației, ceea ce va fi testat în armată va merge la aviația civilă. Este nevoie doar de puțină răbdare.

Videoclip cu motorul inteligent Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovație în IntelligentEngine