Greičiau, tyliau, švariau – naujas orlaivio variklis

Pasirodo, norint daug ką pakeisti aviacijoje, nereikia ieškoti naujų propelerių, futuristinio dizaino ar kosminių medžiagų. Pakanka naudoti gana paprastą mechaninę transmisiją ...

Tai viena svarbiausių pastarųjų metų naujovių. Turboventiliatoriaus varikliai (GTF) leidžia kompresoriui ir ventiliatoriui suktis skirtingu greičiu. Ventiliatoriaus pavaros pavara sukasi kartu su ventiliatoriaus velenu, bet atskiria ventiliatoriaus variklį nuo žemo slėgio kompresoriaus ir turbinos. Ventiliatorius sukasi lėčiau, o kompresorius ir žemo slėgio turbina dirba didesniu greičiu. Kiekvienas variklio modulis gali veikti optimaliu efektyvumu. Po 20 metų moksliniams tyrimams ir plėtrai bei maždaug 1000 mlrd.

Šiuolaikiniai turboventiliatoriaus varikliai sukuria trauką dviem būdais. Pirma, kompresoriai ir degimo kamera yra jo šerdyje. Priekyje yra ventiliatorius, kuris, varomas šerdies, nukreipia orą per aplink variklio šerdį esančias aplinkkelio kameras. Apylankos koeficientas yra oro, praeinančio per šerdį, ir per jį praeinančio oro kiekio santykis. Apskritai didesnis apėjimo koeficientas reiškia tylesnius, efektyvesnius ir galingesnius variklius. Įprastų turboventiliatorių apėjimo koeficientas yra 9:1. Pratt PurePower GTF variklių apėjimo koeficientas yra 12:1.

Norėdami padidinti aplinkkelio santykį, variklių gamintojai turi padidinti ventiliatoriaus menčių ilgį. Tačiau pailginus, ašmenų gale gaunami sukimosi greičiai bus tokie dideli, kad atsiras nepageidaujamos vibracijos. Norint sulėtinti greitį, reikia ventiliatoriaus mentelių, tam ir yra skirta pavarų dėžė. „Pratt & Whitney“ duomenimis, toks variklis gali siekti net 16 proc. puiki degalų ekonomija ir 50 proc. mažiau išmetamųjų teršalų ir yra 75 proc. tylus. Neseniai SWISS ir Air Baltic paskelbė, kad jų GTF C serijos reaktyviniai varikliai sunaudoja net mažiau degalų nei žada gamintojas.

PW1100G-JM variklis gamybos linijoje

Žurnalas TIME įvardijo PW1000G variklį vienu iš 50 svarbiausių 2011 metų išradimų ir vienu iš šešių labiausiai aplinką tausojančių išradimų, nes Pratt & Whitney PurePower sukurtas taip, kad būtų švaresnis, tylesnis, galingesnis ir sunaudotų mažiau degalų nei esami reaktyviniai varikliai. 2016 m. Richardas Andersonas, tuometinis „Delta Air Lines“ prezidentas, variklį pavadino „pirmąja tikra naujove“, nes „Boeing Dreamliner“ padarė revoliuciją kompozicinėje konstrukcijoje.

Taupymas ir emisijų mažinimas

Komercinės aviacijos sektorius kasmet išmeta daugiau nei 700 milijonų tonų anglies dvideginio. Nors tai tik apie 2 proc. pasaulinės anglies dvideginio emisijos, yra įrodymų, kad reaktyvinių degalų šiltnamio efektą sukeliančios dujos daro didesnį poveikį atmosferai, nes išsiskiria didesniame aukštyje.

Didieji variklių gamintojai siekia taupyti degalus ir sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį. „Pratt“ konkurentas „CFM International“ neseniai pristatė savo pažangų variklį, pavadintą LEAP, kuris, pasak bendrovės pareigūnų, duoda panašius rezultatus kaip ir turboventiliatorius kitų sprendimų sąskaita. CFM teigia, kad tradicinėje turboventiliatoriaus architektūroje tą pačią naudą galima pasiekti be papildomo jėgos pavaros svorio ir pasipriešinimo. LEAP naudoja lengvas kompozitines medžiagas ir anglies pluošto ventiliatorių mentes, kad pagerintų energijos vartojimo efektyvumą, kuris, bendrovės teigimu, yra panašus į tai, kas pasiekta naudojant Pratt & Whitney variklį.

Iki šiol „Airbus“ variklių, skirtų A320neo, užsakymai yra maždaug tolygiai paskirstyti tarp CFM ir „Pratt & Whitney“. Deja, pastarajai įmonei PurePower varikliai kelia problemų vartotojams. Pirmasis pasirodė šiemet, kai buvo užfiksuotas netolygus GTF variklių aušinimas Qatar Airways Airbus A320neo. Netolygus aušinimas gali sukelti dalių deformaciją ir trintį, o kartu pailginti laiką tarp skrydžių. Dėl to oro linijų bendrovė padarė išvadą, kad varikliai neatitiko eksploatacinių reikalavimų. Netrukus po to Indijos aviacijos valdžia sustabdė 11 „Airbus A320neo“ lėktuvų, varomų „PurePower GTF“ varikliais, skrydžius. Kaip rašo „Economic Times“, sprendimas priimtas po to, kai „Airbus GTF“ varomas lėktuvas per dvi savaites patyrė tris variklio gedimus. Pratt & Whitney sumenkina šiuos sunkumus sakydami, kad juos lengva įveikti.

Airbus elektroninis ventiliatorius

Kitas orlaivių variklių srities milžinas „Rolls-Royce“ kuria savo „Power Gearbox“, kuri iki 2025 metų degalų sąnaudas dideliuose turboventiliatoriuose sumažins 25%. palyginti su senesniais gerai žinomos Trent variklių gamos modeliais. Tai, žinoma, reiškia naują Pratt & Whitney dizaino konkursą.

Britai galvoja ir apie kitokias naujoves. Per neseniai vykusią Singapūro oro parodą „Rolls-Royce“ pradėjo iniciatyvą „IntelligentEngine“, kurios tikslas – sukurti išmaniuosius orlaivių variklius, kurie būtų saugesni ir efektyvesni dėl gebėjimo bendrauti tarpusavyje ir per paramos tinklą. Teikdamas nuolatinį dvipusį ryšį su varikliu ir kitomis aptarnavimo ekosistemos dalimis, variklis galės išspręsti problemas dar prieš joms atsirandant ir išmokti pagerinti našumą. Jie taip pat pasimokytų iš savo darbo istorijos ir kitų variklių, o iš esmės jiems net tektų patiems taisytis kelyje.

Vairui reikia geresnių baterijų

Europos Komisijos Aviacijos vizija iki 2050 m. ragina mažinti CO emisiją.₂ 75 proc., azoto oksidai – 90 proc. o triukšmas – 65 proc. Jų neįmanoma pasiekti naudojant esamas technologijas. Elektrinės ir hibridinės-elektrinės varomosios sistemos šiuo metu laikomos viena iš perspektyviausių technologijų šiems iššūkiams įveikti.

Rinkoje yra dviviečių lengvųjų elektrinių lėktuvų. Horizonte – keturviečiai hibridiniai-elektriniai automobiliai. NASA prognozuoja, kad XX amžiaus pradžioje tokio tipo trumpo nuotolio devynių vietų lėktuvai sugrąžins aviacijos paslaugas į mažesnes bendruomenes. Tiek Europoje, tiek JAV mokslininkai mano, kad iki 20 metų galima sukurti hibridinį-elektrinį lėktuvą, talpinantį iki 2030 sėdimų vietų. Tačiau energijos kaupimo srityje reikės didelės pažangos.

Šiuo metu baterijų energijos tankio tiesiog nepakanka. Tačiau visa tai gali pasikeisti. „Tesla“ vadovas Elonas Muskas teigė, kad kai baterijos sugebės pagaminti 400 vatvalandžių vienam kilogramui, o elementų galios ir bendro svorio santykis bus 0,7–0,8, elektrinis transkontinentinis lėktuvas taps „sudėtinga alternatyva“. Atsižvelgiant į tai, kad ličio jonų baterijos 113 m. galėjo pasiekti 1994 Wh/kg energijos tankį, 202 m. – 2004 Wh/kg, o dabar gali pasiekti apie 300 Wh/kg, galima daryti prielaidą, kad per artimiausią dešimtmetį pasieks 400 Wh/kg lygį.

Kitty Hawk elektrinio dviviečio oro taksi projektas

„Airbus“, „Rolls-Royce“ ir „Siemens“ neseniai bendradarbiavo kurdamos „E-Fan X“ skraidantį demonstracinį įrenginį, kuris bus reikšmingas žingsnis į priekį komercinių orlaivių hibridinio-elektrinio varymo srityje. Tikimasi, kad „E-Fan X“ hibridinės elektrinės technologijos demonstravimas – „Fan X“ praskris 2020 m. po plačios antžeminės bandymų kampanijos. Pirmajame etape BAe 146 vieną iš keturių variklių pakeis XNUMX MW elektros varikliu. Vėliau, pademonstravus sistemos brandą, antrąją turbiną planuojama pakeisti elektros varikliu.

„Airbus“ bus atsakinga už bendrą integraciją, hibridinės elektrinės varomosios jėgos ir akumuliatoriaus valdymo architektūrą bei jos integravimą su skrydžių valdymo sistemomis. „Rolls-Royce“ bus atsakinga už dujų turbininį variklį, XNUMX megavatų generatorių ir galios elektroniką. Kartu su „Airbus“ „Rolls-Royce“ taip pat stengsis pritaikyti ventiliatorius prie esamos „Siemens“ projektoriaus ir elektros variklio. „Siemens“ tieks XNUMX MW elektros variklius ir elektroninį galios valdiklį, taip pat keitiklį, keitiklį ir elektros paskirstymo sistemą.

Daugelis tyrimų centrų visame pasaulyje dirba su elektriniais orlaiviais, įskaitant NASA, kuri kuria X-57 Maxwell. Taip pat vystomas elektrinio dviviečio oro taksi projektas „Kitty Hawk“ ir daugelis kitų didelių centrų, įmonių ar smulkių startuolių struktūrų.

Atsižvelgiant į tai, kad vidutinė keleivinių ir krovininių orlaivių eksploatavimo trukmė yra atitinkamai maždaug 21 ir 33 metai, net jei visi rytoj gaminami nauji orlaiviai būtų tik elektriniai, iškastiniu kuru varomų orlaivių atsisakymas užtruktų nuo dviejų iki trijų dešimtmečių.

Taigi tai neveiks greitai. Tuo tarpu biodegalai gali palengvinti aplinką aviacijos sektoriuje. Jie padeda sumažinti anglies dvideginio išmetimą 36-85 procentais. Nepaisant to, kad biokuro mišiniai reaktyviniams varikliams buvo sertifikuoti 2009 metais, aviacijos pramonė neskuba įgyvendinti pokyčių. Technologinių kliūčių ir iššūkių, susijusių su biokuro gamybos pakėlimu į pramoninį lygį, yra nedaug, tačiau pagrindinis atgrasymo veiksnys yra kaina – prireikia dar dešimties metų, kad būtų pasiektas lygiavertiškumas su iškastiniu kuru.

Žingsnis į ateitį

Tuo pat metu laboratorijose kuriamos kiek futuristiškesnės orlaivių variklių koncepcijos. Pavyzdžiui, kol kas plazminis variklis neskamba labai tikroviškai, tačiau neatmestina, kad moksliniai darbai išaugs į kažką įdomaus ir naudingo. Plazminiai varikliai naudoja elektrą elektromagnetiniams laukams sukurti. Jie suspaudžia ir sužadina dujas, tokias kaip oras ar argonas, į plazmą – karštą, tankią, jonizuotą būseną. Jų tyrimai dabar veda į idėją paleisti palydovus kosminėje erdvėje (jonų variklius). Tačiau Berkantas Goekselis iš Berlyno technikos universiteto ir jo komanda nori įdėti plazminius variklius į lėktuvus.

Tyrimo tikslas – sukurti oro reaktyvinį plazminį variklį, kuris galėtų būti naudojamas tiek kilimui, tiek skrydžiams dideliame aukštyje. Plazminiai purkštukai paprastai yra skirti veikti vakuume arba žemo slėgio atmosferoje, kur reikalingas dujų tiekimas. Tačiau Gökselio komanda išbandė įrenginį, galintį veikti ore esant vienos atmosferos slėgiui. „Mūsų plazminiai purkštukai gali pasiekti iki 20 kilometrų per sekundę greitį“, – teigia Göckel žurnalo „Journal of Physics“ konferencijų serijoje.

SABRE variklis ateities hipergarsinėje transporto priemonėje

Pirmiausia komanda išbandė miniatiūrinius 80 milimetrų ilgio variklius. Mažam orlaiviui tai bus iki tūkstančio to, ką komanda laiko įmanoma. Didžiausias apribojimas, žinoma, yra lengvų baterijų trūkumas. Mokslininkai svarsto ir hibridinius lėktuvus, kuriuose plazminis variklis būtų derinamas su vidaus degimo varikliais arba raketomis.

Kalbėdami apie naujoviškas reaktyvinių variklių koncepcijas, nepamirškime SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), kurį sukūrė Reaction Engines Limited. Spėjama, kad tai bus variklis, veikiantis ir atmosferoje, ir vakuume, varomas skystu vandeniliu. Pradiniame skrydžio etape oksidatorius bus atmosferos oras (kaip ir įprastuose reaktyviniuose varikliuose), o iš 26 km aukščio (kur laivas pasiekia 5 mln. metų greitį) – skystas deguonis. Perjungus į raketos režimą, jis pasieks iki 25 machų greitį.

„HorizonX“, „Boeing“ investicijų padalinys, dalyvaujantis projekte, dar nenusprendė, kaip SABRE galėtų jį panaudoti, išskyrus tai, kad ji tikisi „naudoti revoliucinę technologiją, kad padėtų Boeing siekti viršgarsinio skrydžio“.

RAMJET ir scramjet (viršgarsinis reaktyvinis variklis su degimo kamera) jau seniai skamba greitosios aviacijos gerbėjų lūpose. Šiuo metu jie daugiausia kuriami kariniams tikslams. Tačiau, kaip moko aviacijos istorija, tai, kas bus išbandyta kariuomenėje, atiteks civilinei aviacijai. Tereikia šiek tiek kantrybės.

„Rolls Royce Intelligent Engine“ vaizdo įrašas:

Rolls-Royce | IntelligentEngine naujovės