Je elektrické lietadlo alternatívou moderného letectva?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Moderný motor s plynovou turbínou (turbofan), ktorý poháňa vložky, samozrejme nie je dvojtaktná hrkálka na záhradnícke náradie, ale vysoko účinný a veľmi spoľahlivý stroj. Podľa výrobcov lietadiel je však blízko vyčerpania rezerv na ďalšie zlepšovanie.

Načo sú tam motory - všetky dopravné lietadlá vo výstavbe sú si tak podobné, že len odborník na letectvo okamžite rozozná Boeing alebo Airbus od Bombardieru alebo MS-21. A hoci niet najmenších pochýb o tom, že dopravné lietadlá moderného typu s dvoma motormi s plynovou turbínou pod krídlami nás budú valiť po oblohe desiatky rokov, veľké nádeje na nové usporiadanie a novú aerodynamiku lietadiel sa spájajú s elektrickým pohonom.

Rýchlo, ale nie na dlho

Donedávna sa pod pojmom „elektrické lietadlo“rozumelo „elektrickejšie lietadlo“– lietadlo s pevným krídlom, v ktorom boli mechanické a hydraulické prevody nahradené maximálne elektrickými.

Už žiadne potrubia a káble - všetky mechanické práce, ako je pohon kormidiel a mechanizácia krídla, vykonávajú malé elektromotory-aktory, ktoré sú napájané energiou a kanálom pre riadiaci signál. Teraz tento výraz dostal nový význam: skutočné elektrické lietadlo sa musí samo pohybovať po elektrickej trakcii.

Samozrejme, perspektívy elektrického letectva nezávisia len (a ani nie tak) od leteckých konštruktérov ako od pokroku v oblasti elektrotechniky. Veď lietadlá, ako sa hovorí, „na batérie“existujú. Pred niekoľkými desaťročiami boli na vetrone inštalované pomocné elektromotory.

Extra 330LE, ktorý prvýkrát vzlietol v roku 2016, už nesie vetrone a stanovuje rýchlostné rekordy. Jeho blok 14 výkonných lítium-iónových batérií a elektromotor od Siemensu však umožňujú tomuto bábätku vziať na palubu iba dvoch ľudí vrátane pilota a zostať vo vzduchu maximálne 20 minút.

Extra 330 LE

Samozrejme, existujú projekty s oveľa pôsobivejšími ukazovateľmi. V septembri minulého roka britská nízkonákladová letecká spoločnosť EasyJet oznámila, že o desať rokov spustí plne elektrickú regionálnu linku (dolet 540 km, čo je na vnútroeurópske lety dosť veľa) s kapacitou 180 cestujúcich.

Partnerom projektu sa stal americký startup Wright Electric, ktorý už postavil dvojmiestny lietajúci demonštrátor. Dnes je však energetická hustota najlepších lítium-iónových batérií o viac ako rádovo nižšia ako u uhľovodíkových palív. Predpokladá sa, že do roku 2030 batérie zlepšia svoj výkon maximálne dvojnásobne.

Turbína, zostaň

Oveľa výhodnejšie vyzerá situácia s palivovými článkami, v ktorých sa chemická energia paliva premieňa na elektrickú energiu priamo, pričom sa obchádza proces spaľovania.

Vodík sa považuje za najsľubnejšie palivo pre takýto zdroj energie. Experimenty s palivovými článkami ako zdrojom energie pre elektrické lietadlo sa uskutočňujú v rôznych krajinách sveta (v Rusku CIAM pracuje predovšetkým na projektoch vytvorenia takýchto lietadiel a palivové články pre ne vznikajú v IPCP RAS v rámci tzv. pod vedením profesora Jurija Dobrovolského).

Z lietajúcich a pilotovaných konceptov si možno spomenúť na európsky demonštrátor ENFICA-FC Rapid 200FC - využíval elektrické batérie aj palivové články súčasne. Ale aj táto technológia potrebuje výrazné zlepšenie a ďalší výskum.

Najreálnejšie vyhliadky na dnešnú dobu sa zdajú byť vyhliadky na elektrické lietadlá postavené podľa hybridnej schémy. To znamená, že vrtuľa lietadla (vrtuľový alebo propfan) bude poháňaná elektromotorom, ale elektrinu bude dostávať z generátora roztáčaného … motorom s plynovou turbínou (alebo iným spaľovacím motorom). Na prvý pohľad sa takáto schéma zdá čudná: chcú opustiť GTE v prospech elektromotora, ale neurobia to.

Vo svete je už pomerne dosť hybridných projektov, no nás zaujíma predovšetkým Rusko. Práce na elektrickom lietadle, najmä s hybridnou schémou, sa vykonávali v rôznych vedeckých ústavoch leteckého profilu, ako sú TsAGI alebo TsIAM.

Dnes sú tieto a niektoré ďalšie inštitúcie zjednotené (od roku 2014) pod záštitou Výskumného centra "Inštitút pomenovaný po N. Ye. Zhukovsky", ktorého cieľom je stať sa jediným silným "mozgovým trustom" tohto odvetvia. Úlohou integrácie všetkých prác na elektrickom letectve v rámci centra je Sergej Galperin, ktorého sme už citovali na začiatku článku.

Vzlet poháňaný batériou

„Prechod na elektromotory v letectve otvára veľa zaujímavých vyhliadok,“hovorí Sergej Halperin, „ale nie je dôvod počítať s vytvorením komerčného elektrického lietadla so slušným doletom na ruské podmienky na čisto chemické zdroje energie (batérie alebo palivové články) v blízkej budúcnosti: energetický potenciál sa príliš líši kilogram kerozínu a kilogram batérií. Hybridný dizajn by mohol byť rozumným kompromisom. Je potrebné pochopiť, že motor s plynovou turbínou, ktorý priamo vytvára ťah, a motor s plynovou turbínou, ktorý uvedie do pohybu hriadeľ generátora, nie sú vôbec to isté.

Faktom je, že energetické nároky lietadla sa počas letu výrazne menia. Pri vzlete vyvinie motor lietadla výkon blízko maxima a počas cestovnej jazdy (teda po väčšinu letu) sa spotreba energie lietadla zníži 5-6 krát.

Tradičná elektráreň teda musí byť schopná fungovať v širokom spektre režimov (z ekonomického hľadiska nie vždy optimálnych) a rýchlo prechádzať z jedného do druhého. Nič také sa nevyžaduje od motora s plynovou turbínou v hybridnej inštalácii. Bude to obdoba plynových turbín elektrární, ktoré pracujú vždy v rovnakom, ekonomicky najvýhodnejšom režime. Pracujú roky bez prestania."

Ce-vložka

Pomocou generátora bude môcť GTE vyrábať energiu na priame napájanie elektromotorov, ako aj na vytváranie rezervy v batériách. Pomoc s batériou bude potrebná práve pri vzlete.

Ale keďže prevádzka elektromotorov v režime vzletu bude trvať len niekoľko minút, energetická rezerva by nemala byť príliš veľká a batérie na palube môžu mať celkom prijateľné rozmery a hmotnosť. Motor s plynovou turbínou zároveň nebude mať žiadny režim vzletu - jeho úlohou je ticho vyrábať elektrinu.

Na rozdiel od leteckého motora bude teda motor s plynovou turbínou v hybridnom elektrickom lietadle menej výkonný, spoľahlivejší a šetrnejší k životnému prostrediu, jednoduchší v dizajne, čo znamená lacnejšie a v konečnom dôsledku aj väčšie zdroje.

Fúkanie na krídlo

Prechod na elektromotory zároveň otvára vyhliadky na zásadné inovácie v dizajne civilných lietadiel budúcnosti. Jednou z najdiskutovanejších tém je vytváranie distribuovaných elektrární.

Dnes klasické usporiadanie vložiek predpokladá dva body aplikácie ťahu, to znamená dva, zriedkavo štyri, výkonné motory visiace na pylónoch pod krídlom. V elektrických lietadlách sa počíta s rozložením veľkého počtu elektromotorov pozdĺž krídla, ako aj na jeho koncoch. Prečo je to potrebné?

Pointa je opäť v rozdiele medzi režimom vzletu a plavby. Pri vzlete pri nízkej rýchlosti dopadajúceho prúdu potrebuje lietadlo veľkú plochu krídel na vytvorenie vztlaku. Pri cestovnej rýchlosti prekáža široké krídlo a vytvára nadmerný vztlak.

Problém je vyriešený zložitou mechanizáciou - výsuvnými klapkami a lamelami. Menšie lietadlá, ktoré vzlietajú z malých letísk a majú na to veľké krídla, sú nútené plaviť sa pod optimálnym uhlom nábehu, čo vedie k ďalšej spotrebe paliva.

Ak však pri vzlete veľa elektromotorov pripojených k vrtuliam dodatočne vyfúkne krídlo, nebude potrebné, aby bolo príliš široké. Lietadlo vzlietne s krátkym vzletom a na cestovnom úseku úzke krídlo nebude robiť problémy. Vozidlo bude ťahané dopredu vrtuľami poháňanými hnacími motormi a vrtule pozdĺž krídla sa v tejto fáze pred pristátím zložia alebo zasunú.

Príkladom je projekt NASA X-57 Maxwell. Koncept demonštrátora je vybavený 14 elektromotormi umiestnenými pozdĺž krídla a na koncoch krídel. Všetky fungujú iba počas vzletu a pristátia. Na cestovnej sekcii sú zapojené iba motory na konci krídla.

Takéto umiestnenie motorov umožňuje znížiť negatívny vplyv vírov, ktoré v týchto miestach vznikajú. Na druhej strane sa elektráreň ukazuje ako zložitá, čo znamená, že je nákladnejšia na údržbu a vyššia je aj pravdepodobnosť porúch. Vo všeobecnosti majú vedci a dizajnéri o čom premýšľať.

X-57 Maxwell

Pomôže vám tekutý dusík

„Elektrické lietadlo poskytuje veľa príležitostí na optimalizáciu,“hovorí Sergei Halperin. - Experimentovať môžete napríklad s kombináciou ťahacích a tlačných skrutiek. Elektromotory sú oveľa výhodnejšie v porovnaní s motormi s plynovou turbínou v konvertoplánoch, pretože bezpečné otočenie elektromotora do horizontálnej polohy nepredstavuje taký zložitý technický problém ako v prípade tradičných motorov.

V elektrickej rovine môžete zabezpečiť plnú integráciu všetkých systémov, vytvoriť nový riadiaci systém. Dokonca aj hybridné autá budú produkovať menej hluku a emisií.

Rovnako ako batérie, aj elektromotory so zvyšujúcim sa výkonom zväčšujú svoju hmotnosť, objem a odvod tepla. Aby boli výkonnejšie a ľahšie, sú potrebné nové technológie.

Pre domácich vývojárov hybridných pohonných systémov bola skutočným prelomom spolupráca s ruskou spoločnosťou SuperOx, jedným z piatich najväčších dodávateľov materiálov s vlastnosťami vysokoteplotnej supravodivosti (HTSC) na svete. Teraz SuperOx vyvíja elektromotory so statorom vyrobeným zo supravodivých materiálov (chladených tekutým dusíkom).

Tieto motory s dobrými leteckými charakteristikami budú základom hybridnej elektrárne pre regionálne lietadlo, ktoré sa môže vzniesť do neba v polovici budúceho desaťročia. Špecialisti CIAM tento rok na leteckej výstave MAKS predstavili ukážku takejto inštalácie s výkonom 10 kW. Plánované lietadlo bude vybavené hybridnou elektrárňou s dvoma motormi s výkonom 500 kW.

„Skôr ako hovoríme o hybridnom elektrickom lietadle,“hovorí Halperin, „je potrebné otestovať našu inštaláciu na zemi a potom v lietajúcom laboratóriu. Dúfame, že to bude Yak-40. Namiesto radaru môžeme dať do nosa auta 500-kilowattový elektromotor HTSC.

Namiesto centrálneho motora nainštalujeme do chvosta turbogenerátor. Dva zostávajúce motory Yak budú stačiť na testovanie nášho duchovného dieťaťa v širokom rozsahu výšok (až 8 000 m) a rýchlostí (až 500 km / h). A aj keď hybridná inštalácia zlyhá, lietadlo môže bezpečne dokončiť let a pristáť. Demonštračné laboratórium bude vybavené podľa plánu v roku 2019. Testovací cyklus je predbežne naplánovaný na rok 2020.

Inteligentná obloha

Elektrický a hybridný pohon zaujíma významné miesto v plánoch najväčších svetových výrobcov lietadiel. Takto vyzerajú hlavné črty osobného letectva polovice tohto storočia podľa programu Smarter Skies spoločnosti AIRBUS.

"Zelený" let

Lietadlo budúcnosti bude navrhnuté tak, aby minimalizovalo uhľovodíkovú stopu v atmosfére. Vodíkové motory s plynovou turbínou, hybridy a úplne elektrické lietadlá poháňané batériami si získajú popularitu.

Predpokladá sa, že batérie budú dobíjané z ekologických zdrojov elektriny. V oblasti letísk je možný výskyt veľkých veterných elektrární alebo solárnych elektrární.

Sloboda na oblohe

Inteligentné vložky budú nezávisle vykresľovať trasy na základe parametrov šetrnosti k životnému prostrediu a palivovej účinnosti na základe analýzy údajov o počasí a atmosfére. Budú sa tiež môcť zhromažďovať vo formáciách ako kŕdle vtákov, čo zníži odpor jednotlivých lietadiel vo formácii a zníži spotrebu energie na let.

Skôr zo zeme

Nové pohonné systémy a aerodynamika lietadiel im umožnia vzlietnuť po čo najstrmšej trajektórii s cieľom znížiť hluk v areáli letiska a čo najskôr sa dostať na cestovnú hladinu, kde lietadlo vykazuje optimálne ekonomické vlastnosti.

Pristátie bez motora

Lietadlá budúcnosti budú môcť pristávať v kĺzavom režime. To ušetrí palivo a zníži hladinu hluku v areáli letiska. Zníži sa aj rýchlosť pristátia. Tým sa skráti dĺžka dráh.

Žiadny výfuk

Letiská budúcnosti úplne eliminujú používanie spaľovacích motorov, ktoré spaľujú palivo. Pre rolovanie budú vložky vybavené kolesami s elektromotorom. Ako alternatíva - vysokorýchlostné bezpilotné elektrické ťahače, ktoré budú schopné rýchlo dopraviť lietadlá z odbavovacej plochy na pristávaciu dráhu a naopak.