Je električno letalo alternativa sodobnemu letalstvu?

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Sodoben plinskoturbinski (turboventilatorski) motor, ki poganja obloge, seveda ni dvotaktni ropotulj za vrtnarsko orodje, ampak zelo učinkovit in zelo zanesljiv stroj. Je pa po mnenju proizvajalcev letal blizu izčrpavanja rezerv za nadaljnje izboljšave.

Zakaj obstajajo motorji - vsa letala v izdelavi so si tako podobna, da bo samo letalski strokovnjak takoj razlikoval Boeing ali Airbus od Bombardierja ali MS-21. In čeprav ni niti najmanjšega dvoma, da nas bodo letala sodobnega tipa z dvema plinskoturbinskima motorjema pod kriloma desetletja kotalila po nebu, se z električnim pogonom vežejo veliki upi glede nove postavitve in nove aerodinamike letal.

Hitro, a ne za dolgo

Do nedavnega so pod pojmom "električno letalo" razumeli "bolj električno letalo" - letalo s fiksnim krilom, pri katerem so mehanski in hidravlični prenos maksimalno zamenjali električni.

Nič več cevi in kablov - vsa mehanska dela, kot so poganjanje krmil in mehanizacija krila, opravljajo majhni elektromotorji-aktivatorji, ki se napajajo z napajanjem in kanalom za krmilni signal. Zdaj je izraz napolnjen z novim pomenom: pravo električno letalo se mora samo premikati na električni vleki.

Seveda pa obeti električnega letalstva niso odvisni (in niti ne toliko) samo od konstruktorjev letal kot od napredka na področju elektrotehnike. Konec koncev letala, kot pravijo, "na baterije" obstajajo. Pomožni elektromotorji so bili nameščeni na jadralna letala pred nekaj desetletji.

Extra 330LE, ki je prvič poletel leta 2016, že nosi jadralna letala in postavlja hitrostne rekorde. Toda njegov blok 14 zmogljivih litij-ionskih baterij in elektromotor iz Siemensa omogočata temu dojenčku, da vzame na krov le dve osebi, vključno s pilotom, in ostane v zraku največ 20 minut.

Dodatnih 330 LE

Seveda obstajajo projekti z veliko bolj impresivnimi kazalniki. Septembra lani je britanski nizkocenovni letalski prevoznik EasyJet napovedal, da bo čez deset let lansiral popolnoma električno regionalno linijo (domet 540 km, kar je za lete znotraj Evrope kar veliko) z zmogljivostjo 180 potnikov.

Partner v projektu je postal ameriški startup Wright Electric, ki je že izdelal dvosedežni leteči demonstrator. Vendar pa je danes energijska gostota najboljših litij-ionskih baterij več kot red velikosti slabša od ogljikovodikov. Predvideva se, da bodo do leta 2030 baterije izboljšale svoje delovanje za največ dvakrat.

Turbina, ostani

Situacija z gorivnimi celicami je videti veliko bolj ugodna, pri kateri se kemična energija goriva neposredno pretvori v električno energijo, mimo procesa zgorevanja.

Vodik velja za najbolj obetavno gorivo za tak vir energije. Eksperimenti z gorivnimi celicami kot virom energije za električno letalo se izvajajo v različnih državah sveta (v Rusiji CIAM dela predvsem na projektih za ustvarjanje takšnih letal, gorivne celice zanje pa ustvarjajo v IPCP RAS v okviru vodstvo profesorja Jurija Dobrovolskega).

Iz konceptov letenja in s posadko se lahko spomnimo evropskega demonstratorja ENFICA-FC Rapid 200FC - hkrati je uporabljal tako električne baterije kot gorivne celice. Toda ta tehnologija potrebuje tudi bistvene izboljšave in dodatne raziskave.

Za danes se zdijo najbolj realne možnosti za električna letala, izdelana po hibridni shemi. To pomeni, da bo propeler letala (propeler ali propfan) poganjal električni motor, vendar bo prejemal električno energijo iz generatorja, ki ga vrti … plinskoturbinski motor (ali drug motor z notranjim zgorevanjem). Na prvi pogled se takšna shema zdi čudna: GTE želijo opustiti v korist električnega motorja, vendar tega ne bodo storili.

V svetu je že kar nekaj hibridnih projektov, zanima pa nas predvsem Rusija. Delo na električnem letalu, zlasti s hibridno shemo, je bilo izvedeno v različnih znanstvenih inštitutih letalskega profila, kot sta TsAGI ali TsIAM.

Danes so te in nekatere druge institucije združene (od leta 2014) pod okriljem Raziskovalnega centra "Inštitut po imenu N. Ye. Žukovskega", zasnovanega tako, da postane enoten močan "možganski trust" industrije. Naloga povezovanja vseh del na področju električnega letalstva znotraj centra je dodeljena Sergeju Galperinu, ki smo ga že citirali na začetku članka.

Vzlet na baterije

"Prehod na elektromotorje v letalstvu odpira veliko zanimivih možnosti," pravi Sergej Halperin, "vendar ni razloga, da bi računali na ustvarjanje komercialnega električnega letala z dostojnim dosegom za ruske razmere na izključno kemičnih virih energije (baterije ali gorivne celice) v bližnji prihodnosti: energijski potencial se preveč razlikuje od kilograma kerozina in kilograma baterij. Hibridni dizajn bi lahko bil razumen kompromis. Treba je razumeti, da plinskoturbinski motor, ki neposredno ustvarja potisk, in plinskoturbinski motor, ki bo pognal gred generatorja, sploh nista ista stvar.

Dejstvo je, da se energetske potrebe letala med letom bistveno spremenijo. Letalski motor ob vzletu razvije moč blizu svoje največje moči, med križarjenjem (to je večino leta) pa se poraba energije letala zmanjša za 5-6 krat.

Tako mora tradicionalna elektrarna biti sposobna delovati v širokem razponu načinov (z ekonomskega vidika niso vedno optimalni) in hitro preklapljati iz enega v drugega. Nič takega ni potrebno od plinskoturbinskega motorja v hibridni namestitvi. Podobno bo kot plinske turbine elektrarn, ki vedno delujejo na enak, ekonomsko najbolj ugoden način. Delajo že leta brez ustavljanja."

Ce-liner

S pomočjo generatorja bo GTE lahko proizvajal energijo za neposredno napajanje elektromotorjev, pa tudi za ustvarjanje rezerve v baterijah. Pomoč z baterijo bo potrebna šele ob vzletu.

A ker bo delovanje elektromotorjev v vzletnem načinu trajalo le nekaj minut, rezerva energije ne bi smela biti zelo velika, baterije na krovu pa so lahko po velikosti in teži povsem sprejemljive. Hkrati plinskoturbinski motor ne bo imel nobenega vzletnega režima - njegova naloga je tiho proizvajati električno energijo.

Tako bo plinskoturbinski motor v hibridnem električnem letalu za razliko od letalskega motorja manj zmogljiv, zanesljivejši in okolju prijazen, enostavnejši v zasnovi, kar pomeni cenejši in končno bo imel večji vir.

Pihanje na krilo

Hkrati pa prehod na elektromotorje odpira možnosti za temeljne inovacije pri oblikovanju civilnih letal prihodnosti. Ena izmed najbolj obravnavanih tem je izgradnja porazdeljenih elektrarn.

Danes klasična zasnova obloge predvideva dve točki uporabe potiska, torej dva, redko štiri zmogljiva motorja, ki visijo na pilonih pod krilom. Pri električnih letalih se upošteva postavitev velikega števila elektromotorjev vzdolž krila, pa tudi na njegovih koncih. Zakaj je to potrebno?

Bistvo je spet v razliki med vzletnim in križarjenjem. Pri vzletu pri nizki hitrosti vpadnega toka potrebuje letalo veliko površino kril, da ustvari vzgon. Pri potovalni hitrosti široko krilo ovira in ustvari presežek dviga.

Problem je rešen zaradi kompleksne mehanizacije - izvlečnih loput in letvic. Manjša letala, ki vzletajo z majhnih letališč in imajo za to velika krila, so prisiljena v križarjenje z podoptimalnim vpadnim kotom, kar vodi v dodatno porabo goriva.

Če pa bo ob vzletu veliko elektromotorjev, povezanih s propelerji, dodatno razpihnilo krilo, ga ne bo treba narediti preširoko. Letalo bo vzletelo s kratkim vzletom, na križarskem delu pa ozko krilo ne bo povzročalo težav. Avto bodo naprej potegnili propelerji, ki jih poganjajo pogonski motorji, propelerji vzdolž krila pa se bodo v tej fazi pred pristankom zložili ali umaknili.

Primer je Nasin projekt X-57 Maxwell. Konceptni demonstrator je opremljen s 14 elektromotorji, nameščenimi vzdolž krila in na konicah kril. Vsi delujejo samo med vzletom in pristankom. Na odseku za križarjenje so vključeni samo motorji na konicah kril.

Takšna postavitev motorjev omogoča zmanjšanje negativnega vpliva vrtincev, ki nastanejo na teh mestih. Po drugi strani pa se izkaže, da je elektrarna zapletena, kar pomeni, da je dražje vzdrževanje, večja pa je tudi verjetnost okvar. Na splošno imajo znanstveniki in oblikovalci o čem razmišljati.

X-57 Maxwell

Pomagal bo tekoči dušik

"Električno letalo ponuja veliko možnosti za optimizacijo," pravi Sergej Halperin. - Eksperimentirate lahko na primer s kombinacijo vlečnih in potisnih vijakov. Elektromotorji so veliko ugodnejši v primerjavi s plinskoturbinskimi motorji v konvertiplanih, saj varno vrtenje elektromotorja v vodoravni položaj ne predstavlja tako zapletenega inženirskega problema kot pri tradicionalnih motorjih.

V električni ravnini lahko zagotovite popolno integracijo vseh sistemov, ustvarite nov nadzorni sistem. Tudi hibridni avtomobili bodo proizvedli manj hrupa in emisij.

Tako kot baterije se tudi elektromotorji z večanjem moči povečujejo v masi, prostornini in odvajanju toplote. Potrebne so nove tehnologije, da postanejo močnejši in lažji.

Za domače razvijalce hibridnih pogonskih sistemov je bil pravi preboj sodelovanje z ruskim podjetjem SuperOx, enim od petih največjih dobaviteljev materialov z lastnostmi visokotemperaturne superprevodnosti (HTSC) na svetu. Zdaj SuperOx razvija elektromotorje s statorjem iz superprevodnih materialov (hlajenih s tekočim dušikom).

Ti motorji z dobrimi letalskimi lastnostmi bodo predstavljali osnovo hibridne elektrarne za regionalno letalo, ki se lahko dvigne v nebo sredi naslednjega desetletja. Letos so strokovnjaki CIAM na letalskem salonu MAKS predstavili demonstrator takšne instalacije z zmogljivostjo 10 kW. Predvideno letalo bo opremljeno s hibridno elektrarno z dvema motorjema po 500 kW.

»Preden govorimo o hibridnem električnem letalu,« pravi Halperin, »je treba preizkusiti našo namestitev na tleh in nato v letečem laboratoriju. Upamo, da bo to Yak-40. Namesto radarja lahko v nos avtomobila vstavimo 500-kilovatni elektromotor HTSC.

V rep bomo namesto v centralni motor vgradili turbogenerator. Dva preostala motorja Yak bosta dovolj za preizkušanje naše zamisli v širokem razponu višin (do 8000 m) in hitrosti (do 500 km / h). In tudi če hibridna namestitev ne uspe, lahko letalo varno zaključi let in pristane. Demonstracijski laboratorij bo v letu 2019 opremljen po načrtu. Preizkusni cikel je okvirno načrtovan za leto 2020.

Pametno nebo

Električni in hibridni pogon zavzema pomembno mesto v načrtih največjih svetovnih proizvajalcev letal. Tako izgledajo glavne značilnosti potniškega letalstva sredine tega stoletja po programu Smarter Skies podjetja AIRBUS.

"Zeleni" let

Letalo prihodnosti bo zasnovano tako, da čim bolj zmanjša ogljikovodični odtis v ozračju. Priljubljenost bodo pridobivali plinskoturbinski motorji na vodik, hibridi in popolnoma električna letala na baterije.

Predvideva se, da se bodo baterije polnile iz okolju prijaznih virov električne energije. Na območju letališč je možen pojav velikih vetrnih elektrarn ali sončnih elektrarn.

Svoboda na nebu

Inteligentne ladje bodo samostojno načrtovale poti na podlagi parametrov prijaznosti do okolja in učinkovitosti porabe goriva na podlagi analize vremenskih in atmosferskih podatkov. Prav tako se bodo lahko zbirali v formacije, kot so jate ptic, kar bo zmanjšalo upor posameznih letal v formaciji in zmanjšalo porabo energije za let.

Raje s tal

Novi pogonski sistemi in aerodinamika letal jim bodo omogočili vzlet po čim bolj strmi poti, da bi zmanjšali hrup na območju letališča in čim prej dosegli raven potovanja, kjer letalo izkazuje optimalne ekonomske lastnosti.

Pristanek brez motorja

Letala prihodnosti bodo lahko pristajala v drsnem načinu. To bo prihranilo gorivo in zmanjšalo raven hrupa na območju letališča. Zmanjšala se bo tudi hitrost pristajanja. To bo skrajšalo dolžino vzletno-pristajalne steze.

Brez izpuha

Letališča prihodnosti bodo popolnoma odpravila uporabo motorjev z notranjim zgorevanjem, ki kurijo gorivo. Za taksiranje bodo podloge opremljene z elektromotornimi kolesi. Kot alternativa - hitri električni traktorji brez posadke, ki bodo lahko hitro dostavili letala s ploščadi na vzletno-pristajalno stezo in obratno.