Elektrikli uçak modern havacılığa bir alternatif mi?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Gömlekleri çalıştıran modern gaz türbini (turbofan) motoru, elbette, bahçe aletleri için iki zamanlı bir çıngırak değil, oldukça verimli ve çok güvenilir bir makinedir. Bununla birlikte, uçak üreticilerine göre, daha fazla gelişme için rezervleri tüketmeye yakın.

Neden motorlar var - yapım aşamasındaki tüm uçaklar birbirine o kadar benziyor ki, Boeing veya Airbus'ı Bombardier veya MS-21'den hemen ayırt edebilecek sadece bir havacılık uzmanı. Ve kanatlarının altında iki gaz türbinli motora sahip modern tip uçakların bizi onlarca yıl boyunca gökyüzünde yuvarlayacağına dair en ufak bir şüphe olmasa da, yeni bir düzen ve yeni uçak aerodinamiği için yüksek umutlar elektrikli tahrik ile ilişkilidir.

Hızlı, ama uzun süre değil

Yakın zamana kadar, "elektrikli uçak" terimi "daha elektrikli uçak" olarak anlaşıldı - mekanik ve hidrolik şanzımanların maksimuma elektrikli olanlarla değiştirildiği sabit kanatlı bir uçak.

Artık boru ve kablo yok - dümenlerin sürülmesi ve kanadın mekanize edilmesi gibi tüm mekanik işler, güç ve kontrol sinyali için bir kanalla beslenen küçük elektrik motorları-aktüatörler tarafından gerçekleştirilir. Şimdi terim yeni bir anlamla dolduruldu: gerçek bir elektrikli uçağın kendisi elektrik çekişinde hareket etmelidir.

Tabii ki, elektrikli havacılıkla ilgili beklentiler, elektrik mühendisliği alanındaki ilerleme kadar uçak tasarımcılarına da bağlı değil (hatta o kadar da değil). Ne de olsa, uçaklar, dedikleri gibi, "pillerle" var. Yardımcı elektrik motorları, birkaç on yıl önce planörlere kuruldu.

İlk uçuşunu 2016 yılında yapan Extra 330LE, şimdiden planör taşıyor ve hız rekorları kırıyor. Ancak 14 güçlü lityum iyon pil bloğu ve Siemens'in bir elektrik motoru, bu bebeğin pilot dahil sadece iki kişiyi uçağa almasına ve 20 dakikadan fazla havada kalmasına izin veriyor.

Ekstra 330LE

Elbette çok daha etkileyici göstergelere sahip projeler var. Geçen yıl Eylül ayında, İngiliz düşük maliyetli havayolu EasyJet, on yıl içinde 180 yolcu kapasiteli tamamen elektrikli bir bölgesel yolcu gemisini (540 km menzil, Avrupa içi uçuşlar için oldukça fazla) piyasaya süreceğini duyurdu.

Halihazırda iki koltuklu bir uçan gösterici inşa eden Amerikan girişimi Wright Electric, projeye ortak oldu. Bununla birlikte, bugün en iyi lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu, hidrokarbon yakıtlardan daha düşük bir büyüklük sırasına göre daha fazladır. 2030 yılına kadar pillerin performanslarını en fazla iki kat artıracağı varsayılmaktadır.

Türbin, kal

Yakıtın kimyasal enerjisinin yanma sürecini atlayarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yakıt pillerinde durum çok daha avantajlı görünmektedir.

Hidrojen, böyle bir güç kaynağı için en umut verici yakıt olarak kabul edilir. Bir elektrikli uçak için güç kaynağı olarak yakıt hücreleri ile deneyler dünyanın farklı ülkelerinde gerçekleştiriliyor (Rusya'da, CIAM öncelikle bu tür uçakları oluşturmak için projeler üzerinde çalışıyor ve onlar için yakıt hücreleri, IPCP RAS'ta Profesör Yuri Dobrovolsky'nin rehberliği).

Uçan ve insanlı konseptlerden, Avrupalı gösterici ENFICA-FC Rapid 200FC'yi hatırlayabilirsiniz - aynı anda hem elektrik pillerini hem de yakıt hücrelerini kullandı. Ancak bu teknolojinin de önemli bir iyileştirme ve ek araştırmaya ihtiyacı var.

Bugün için en gerçekçi beklentiler, hibrit şemaya göre inşa edilen elektrikli uçakların beklentileri gibi görünüyor. Bu, uçağın pervanesinin (pervane veya propfan) bir elektrik motoru tarafından çalıştırılacağı, ancak bir gaz türbini motoru (veya başka bir içten yanmalı motor) tarafından döndürülen bir jeneratörden elektrik alacağı anlamına gelir. İlk bakışta, böyle bir şema garip görünüyor: GTE'yi elektrik motoru lehine terk etmek istiyorlar, ancak bunu yapmayacaklar.

Halihazırda dünyada epeyce hibrit proje var ama biz öncelikle Rusya ile ilgileniyoruz. Elektrikli bir uçakta, özellikle bir hibrit şema ile çalışmak, TsAGI veya TsIAM gibi havacılık profilinin çeşitli bilimsel enstitülerinde gerçekleştirildi.

Bugün, bu ve diğer bazı kurumlar (2014'ten beri), endüstrinin tek bir güçlü "beyin güveni" olmak üzere tasarlanan Araştırma Merkezi "N. Ye. Zhukovsky'nin adını taşıyan Enstitü" himayesinde birleştirildi. Elektrikli havacılıkla ilgili tüm çalışmaları merkeze entegre etme görevi, makalenin başında alıntıladığımız Sergei Galperin'e verildi.

Pille çalışan kalkış

Sergei Halperin, “Havacılıkta elektrik motorlarına geçiş birçok ilginç beklenti yaratıyor” diyor, “ancak tamamen kimyasal enerji kaynakları üzerinde Rus koşulları için uygun bir menzile sahip ticari bir elektrikli uçağın yaratılmasına güvenmek için hiçbir neden yok (piller veya yakıt hücreleri) yakın gelecekte: enerji potansiyeli bir kilogram kerosen ve bir kilogram pil için çok fazla farklılık gösteriyor. Hibrit bir tasarım makul bir uzlaşma olabilir. Doğrudan itme yaratan gaz türbinli motor ile jeneratör şaftını harekete geçirecek gaz türbinli motorun aynı şey olmadığı anlaşılmalıdır.

Gerçek şu ki, uçuş sırasında uçağın enerji gereksinimleri önemli ölçüde değişiyor. Kalkışta, uçak motoru maksimuma yakın güç geliştirir ve seyir sırasında (yani uçuşun çoğu için) uçağın güç tüketimi 5-6 kat azalır.

Bu nedenle, geleneksel bir enerji santrali çok çeşitli modlarda çalışabilmeli (ekonomik açıdan her zaman optimal değildir) ve birinden diğerine hızla geçebilmelidir. Hibrit bir kurulumda bir gaz türbini motorundan böyle bir şey gerekli değildir. Her zaman aynı, ekonomik açıdan en faydalı modda çalışan enerji santrallerinin gaz türbinlerine benzer olacaktır. Yıllardır durmadan çalışıyorlar."

Ce-liner

Bir jeneratör yardımıyla GTE, elektrik motorlarının doğrudan güç kaynağı için ve ayrıca pillerde bir rezerv oluşturmak için enerji üretebilecek. Batarya yardımına sadece kalkışta ihtiyaç duyulacak.

Ancak elektrik motorlarının kalkış modunda çalışması sadece birkaç dakika süreceğinden, enerji rezervi çok büyük olmamalıdır ve gemideki piller boyut ve ağırlık olarak oldukça kabul edilebilir olabilir. Aynı zamanda, gaz türbini motorunun herhangi bir kalkış rejimi olmayacak - işi sessizce elektrik üretmek.

Böylece, bir uçak motorunun aksine, bir hibrit elektrikli uçaktaki bir gaz türbini motoru, daha az güçlü, daha güvenilir ve çevre dostu olacak, tasarımı daha basit olacak, bu da daha ucuz ve nihayetinde daha büyük bir kaynağa sahip olacak.

Kanatta üfleme

Aynı zamanda, elektrik motorlarına geçiş, geleceğin sivil uçaklarının tasarımında temel yenilikler için umutlar yaratıyor. En çok tartışılan konulardan biri de dağıtık santrallerin oluşturulmasıdır.

Bugün, klasik astar düzeni, iki itme uygulaması noktası, yani kanatların altındaki direklere asılı iki, nadiren dört, güçlü motor olduğunu varsayar. Elektrikli uçaklarda, kanat boyunca ve uçlarında çok sayıda elektrik motorunun yerleşimi dikkate alınır. Bu neden gerekli?

Mesele yine kalkış ve seyir modları arasındaki farkta. Olay akışının düşük bir hızında kalkışta, bir uçak, kaldırma oluşturmak için geniş bir kanat alanına ihtiyaç duyar. Seyir hızında, geniş kanat yoluna girerek aşırı kaldırma yaratır.

Sorun, karmaşık mekanizasyon - geri çekilebilir kanatlar ve çıtalar nedeniyle çözüldü. Küçük hava meydanlarından kalkan ve bunun için büyük kanatlara sahip olan daha küçük uçaklar, optimal olmayan bir hücum açısıyla seyir yapmak zorunda kalıyor ve bu da ek yakıt tüketimine yol açıyor.

Ancak, kalkışta pervanelere bağlı birçok elektrik motoru ayrıca kanadı uçuracaksa, çok geniş yapılmasına gerek kalmayacaktır. Uçak kısa bir kalkışla kalkacak ve seyir bölümünde dar bir kanat sorun yaratmayacaktır. Araba, sevk motorları tarafından tahrik edilen pervaneler tarafından ileri doğru çekilecek ve bu aşamada kanat boyunca bulunan pervaneler, inmeden önce katlanacak veya geri çekilecektir.

Bir örnek, NASA'nın X-57 Maxwell projesidir. Konsept gösterici, kanat boyunca ve kanat uçlarında konumlandırılmış 14 elektrik motoru ile donatılmıştır. Hepsi sadece kalkış ve iniş sırasında çalışır. Seyir bölümünde sadece kanat ucu motorları yer almaktadır.

Motorların bu şekilde yerleştirilmesi, bu yerlerde ortaya çıkan girdapların olumsuz etkisini azaltmaya izin verir. Öte yandan, elektrik santralinin karmaşık olduğu ortaya çıkıyor, bu da bakımın daha pahalı olduğu ve arıza olasılığının da daha yüksek olduğu anlamına geliyor. Genel olarak, bilim adamlarının ve tasarımcıların düşünecek bir şeyleri vardır.

X-57 Maxwell

Sıvı nitrojene yardımcı olacak

Sergei Halperin, "Elektrikli bir uçak optimizasyon için birçok fırsat sunuyor" diyor. - Örneğin, çekme ve itme vidalarının bir kombinasyonunu deneyebilirsiniz. Elektrik motorunun yatay konuma güvenli dönüşü, geleneksel motorlarda olduğu gibi karmaşık bir mühendislik problemi oluşturmadığından, dönebilir kanatlı uçaklardaki gaz türbinli motorlara kıyasla elektrik motorları çok daha avantajlıdır.

Bir elektrik düzleminde, tüm sistemlerin tam entegrasyonunu sağlayabilir, yeni bir kontrol sistemi oluşturabilirsiniz. Hibrit otomobiller bile daha az gürültü ve emisyon üretecek.”

Piller gibi, elektrik motorları da güç arttıkça kütle, hacim ve ısı dağılımında artar. Onları daha güçlü ve daha hafif hale getirmek için yeni teknolojiler gerekiyor.

Hibrit tahrik sistemlerinin yerli geliştiricileri için gerçek bir atılım, dünyadaki yüksek sıcaklık süper iletkenlik (HTSC) özelliklerine sahip en büyük beş malzeme tedarikçisinden biri olan Rus SuperOx şirketi ile işbirliğiydi. Şimdi SuperOx, süper iletken malzemelerden (sıvı nitrojen ile soğutulmuş) yapılmış bir statorlu elektrik motorları geliştiriyor.

İyi havacılık özelliklerine sahip bu motorlar, önümüzdeki on yılın ortasında göklere çıkabilecek bölgesel bir uçak için hibrit bir enerji santralinin temelini oluşturacak. Bu yıl, MAKS hava fuarında, CIAM uzmanları, 10 kW kapasiteli böyle bir kurulumun bir göstericisini sundu. Planlanan uçak, her biri iki adet 500 kW motora sahip bir hibrit enerji santrali ile donatılacak.

Halperin, “Hibrit bir elektrikli uçaktan bahsetmeden önce, kurulumumuzu yerde ve ardından bir uçan laboratuvarda test etmek gerekiyor” diyor. Yak-40 olacağını umuyoruz. Radar yerine 500 kilovatlık HTSC elektrik motorunu arabanın burnuna koyabiliriz.

Kuyruğa merkezi motor yerine turbo jeneratör takacağız. Kalan iki Yak motoru, beynimizi çok çeşitli yüksekliklerde (8000 m'ye kadar) ve hızlarda (500 km / s'ye kadar) test etmek için yeterli olacaktır. Ve hibrit kurulum başarısız olsa bile, uçak güvenli bir şekilde uçuşunu tamamlayabilir ve inebilir. Gösteri laboratuvarı 2019 yılında plana göre donatılacaktır. Test döngüsü geçici olarak 2020 için planlanmıştır.

akıllı gökyüzü

Elektrikli ve hibrit tahrik, dünyanın en büyük uçak üreticilerinin planlarında önemli bir yer tutuyor. AIRBUS şirketinin Smarter Skies programına göre, bu yüzyılın ortalarındaki yolcu havacılığının ana özellikleri böyle görünüyor.

"Yeşil" uçuş

Geleceğin uçakları, atmosferdeki hidrokarbon ayak izini en aza indirecek şekilde tasarlanacak. Hidrojen gazı türbinli motorlar, hibritler ve pille çalışan tamamen elektrikli uçaklar popülerlik kazanacak.

Pillerin çevre dostu elektrik kaynaklarından şarj edileceği varsayılmaktadır. Hava alanları alanında büyük rüzgar çiftlikleri veya güneş enerjisi santrallerinin ortaya çıkması mümkündür.

Gökyüzünde özgürlük

Akıllı hatlar, hava ve atmosfer verilerinin analizine dayalı olarak çevre dostu olma ve yakıt verimliliği parametrelerine dayalı olarak bağımsız olarak rotalar çizecektir. Ayrıca kuş sürüleri gibi formasyonlarda toplanabilecekler, bu da formasyondaki bireysel uçaklar için sürtünmeyi azaltacak ve uçuş için enerji tüketimini azaltacak.

Yerden ziyade

Yeni tahrik sistemleri ve uçak aerodinamiği, havalimanı bölgesindeki gürültüyü azaltmak ve uçağın en uygun ekonomik özellikleri gösterdiği yerde, mümkün olan en kısa sürede seyir seviyesine ulaşmak için mümkün olan en dik yörünge boyunca kalkış yapmalarını sağlayacaktır.

Motorsuz iniş

Geleceğin uçakları süzülerek inebilecek. Bu, yakıt tasarrufu sağlayacak ve havalimanı bölgesindeki gürültü seviyelerini azaltacaktır. İniş hızı da düşecek. Bu, pistlerin uzunluğunu kısaltacaktır.

egzoz yok

Geleceğin havalimanları, yakıt yakan içten yanmalı motorların kullanımını tamamen ortadan kaldıracak. Taksi yapmak için, gemiler elektrikli motor tekerlekleri ile donatılacaktır. Alternatif olarak - uçakları aprondan piste hızlı bir şekilde teslim edebilecek ve bunun tersi de yüksek hızlı insansız elektrikli traktörler.