Je li električni avion alternativa modernom zrakoplovstvu?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Suvremeni plinski turbinski (turboventilatorski) motor koji pokreće košuljice, naravno, nije dvotaktni zveckač za vrtlarske alate, već vrlo učinkovit i vrlo pouzdan stroj. No, prema proizvođačima zrakoplova, blizu je iscrpljivanja rezervi za daljnje poboljšanje.

Zašto postoje motori - svi avioni u izgradnji toliko su slični jedni drugima da će samo zrakoplovni stručnjak odmah razlikovati Boeing ili Airbus od Bombardier ili MS-21. I premda nema ni najmanje sumnje da će nas suvremeni avioni s dva plinskoturbinska motora ispod krila kotrljati nebom desetljećima, velike nade u novi raspored i novu aerodinamiku zrakoplova vežu se uz električni pogon.

Brzo, ali ne zadugo

Donedavno se pod pojmom "električni zrakoplov" podrazumijevao "električni zrakoplov" - zrakoplov s fiksnim krilom, u kojem su mehanički i hidraulički prijenosi maksimalno zamijenjeni električnim.

Nema više cijevi i kabela - sve mehaničke radove, poput pokretanja kormila i mehanizacije krila, obavljaju mali elektromotori-pokretači, koji se napajaju strujom i kanalom za upravljački signal. Sada je pojam ispunjen novim značenjem: pravi električni avion mora se sam kretati električnom vučom.

Naravno, izgledi za električno zrakoplovstvo ne ovise samo (pa čak i ne toliko) o projektantima zrakoplova koliko o napretku u području elektrotehnike. Uostalom, avioni, kako kažu, "na baterije" postoje. Pomoćni elektromotori ugrađeni su na jedrilice prije nekoliko desetljeća.

Extra 330LE, koji je prvi put poletio 2016. godine, već nosi jedrilice i postavlja brzinske rekorde. No, njegov blok od 14 snažnih litij-ionskih baterija i Siemensov elektromotor omogućuju ovoj bebi da ukrca samo dvije osobe, uključujući pilota, i ostane u zraku ne duže od 20 minuta.

Dodatnih 330 LE

Naravno, postoje projekti s puno impresivnijim pokazateljima. U rujnu prošle godine britanski niskotarifni avioprijevoznik EasyJet najavio je da će za deset godina pokrenuti potpuno električnu regionalnu liniju (domet od 540 km, što je dosta za unutareuropske letove) kapaciteta 180 putnika.

Partner u projektu postao je američki startup Wright Electric, koji je već napravio leteći demonstrator s dva sjedala. Međutim, danas je gustoća energije najboljih litij-ionskih baterija više od reda veličine inferiorna u odnosu na ugljikovodična goriva. Pretpostavlja se da će do 2030. godine baterije poboljšati svoje performanse za najviše dva puta.

Turbino, ostani

Mnogo povoljnije izgleda situacija s gorivnim ćelijama, u kojima se kemijska energija goriva izravno pretvara u električnu energiju, zaobilazeći proces izgaranja.

Vodik se smatra najperspektivnijim gorivom za takav izvor energije. Eksperimenti s gorivnim ćelijama kao izvorom energije za električni avion provode se u različitim zemljama svijeta (u Rusiji CIAM prvenstveno radi na projektima za stvaranje takvih zrakoplova, a gorive ćelije za njih izrađuju se u IPCP RAS pod vodstvo profesora Jurija Dobrovolskog).

Od koncepta letenja i s posadom može se prisjetiti europskog demonstratora ENFICA-FC Rapid 200FC - istovremeno je koristio i električne baterije i gorivne ćelije. Ali ova tehnologija također treba značajno poboljšanje i dodatna istraživanja.

Najrealniji izgledi za danas su izgledi za električne letjelice izgrađene prema hibridnoj shemi. To znači da će propeler zrakoplova (propeler ili propfan) pokretati elektromotor, ali će dobivati struju iz generatora kojeg rotira … plinskoturbinski motor (ili drugi motor s unutarnjim izgaranjem). Na prvi pogled takva se shema čini čudnom: žele napustiti GTE u korist elektromotora, ali to neće učiniti.

U svijetu već postoji dosta hibridnih projekata, ali nas prvenstveno zanima Rusija. Rad na električnom avionu, posebno s hibridnom shemom, izveden je u raznim znanstvenim institutima zrakoplovnog profila, kao što su TsAGI ili TsIAM.

Danas su ove i neke druge institucije ujedinjene (od 2014.) pod okriljem Istraživačkog centra "Institut imena N. Ye. Žukovskog", osmišljenog da postanu jedinstveno moćno "mozgansko povjerenstvo" industrije. Zadatak integriranja cjelokupnog rada na električnom zrakoplovstvu unutar centra dodijeljen je Sergeju Galperinu, kojeg smo već citirali na početku članka.

Polijetanje na baterije

"Prelazak na elektromotore u zrakoplovstvu otvara mnogo zanimljivih izgleda", kaže Sergej Halperin, "ali nema razloga računati na stvaranje komercijalnog električnog zrakoplova s pristojnim dometom za ruske uvjete na čisto kemijskim izvorima energije (baterije ili gorivne ćelije) u bliskoj budućnosti: energetski potencijal se previše razlikuje kilogram kerozina i kilogram baterija. Hibridni dizajn mogao bi biti razuman kompromis. Mora se shvatiti da plinskoturbinski motor koji izravno stvara potisak i plinskoturbinski motor koji će pokrenuti osovinu generatora uopće nisu ista stvar.

Činjenica je da se energetski zahtjevi zrakoplova značajno mijenjaju tijekom leta. Prilikom polijetanja, motor zrakoplova razvija snagu blizu maksimuma, a tijekom krstarenja (dakle, veći dio leta) potrošnja energije zrakoplova se smanjuje za 5-6 puta.

Dakle, tradicionalna elektrana mora biti sposobna raditi u širokom rasponu načina rada (ne uvijek optimalna s ekonomske točke gledišta) i brzo prelaziti s jednog na drugi. Ništa slično nije potrebno od plinskoturbinskog motora u hibridnoj instalaciji. Bit će slično plinskim turbinama elektrana koje uvijek rade u istom, ekonomski najisplativijem načinu rada. Oni rade godinama bez prestanka."

Ce-liner

Uz pomoć generatora GTE će moći generirati energiju za izravno napajanje elektromotora, kao i za stvaranje rezerve u baterijama. Pomoć za bateriju bit će potrebna tek pri polijetanja.

No, budući da će rad elektromotora u načinu polijetanja trajati samo nekoliko minuta, rezerva energije ne bi trebala biti jako velika, a baterije na brodu mogu biti sasvim prihvatljive veličine i težine. Istodobno, plinskoturbinski motor neće imati nikakav režim polijetanja - posao mu je tiho generirati električnu energiju.

Dakle, za razliku od zrakoplovnog motora, plinskoturbinski motor u hibridnom električnom zrakoplovu bit će manje snažan, pouzdaniji i ekološki prihvatljiviji, jednostavnijeg dizajna, što znači jeftiniji i, konačno, imat će veći resurs.

Puhanje u krilo

Istodobno, prijelaz na električne motore otvara izglede za temeljne inovacije u dizajnu civilnih zrakoplova budućnosti. Jedna od tema o kojima se najviše raspravlja je izgradnja distribuiranih elektrana.

Danas klasični raspored košuljice pretpostavlja dvije točke primjene potiska, odnosno dva, rijetko četiri, moćna motora koji vise na pilonima ispod krila. U električnim zrakoplovima razmatra se raspored velikog broja elektromotora duž krila, kao i na njegovim krajevima. Zašto je ovo potrebno?

Stvar je opet u razlici između načina polijetanja i krstarenja. Prilikom polijetanja pri maloj brzini incidentnog toka, zrakoplovu je potrebna velika površina krila za stvaranje uzgona. Pri krstarećoj brzini, široko krilo stane na put, stvarajući višak uzgona.

Problem je riješen zbog složene mehanizacije - uvlačivih zakrilaca i letvica. Manji zrakoplovi, koji polijeću s malih uzletišta i za to imaju velika krila, prisiljeni su krstariti s podoptimalnim napadnim kutom, što dovodi do dodatne potrošnje goriva.

No, ako će pri polijetanja mnogo elektromotora spojenih na propelere dodatno raspuhati krilo, neće ga se morati napraviti preširoko. Zrakoplov će poletjeti kratkim polijetanje, a na kruzeru usko krilo neće stvarati probleme. Automobil će naprijed vući propeleri koje pokreću pogonski motori, a propeleri duž krila u ovoj fazi bit će presavijeni ili uvučeni prije slijetanja.

Primjer je NASA-in projekt X-57 Maxwell. Demonstrator koncepta opremljen je s 14 elektromotora postavljenih duž krila i na vrhovima krila. Svi oni rade samo tijekom polijetanja i slijetanja. Na dijelu za krstarenje uključeni su samo motori na vrhu krila.

Takav smještaj motora omogućuje smanjenje negativnog utjecaja vrtloga koji nastaju na tim mjestima. S druge strane, elektrana se ispostavlja složenom, što znači da je skuplje za održavanje, a veća je i vjerojatnost kvarova. Općenito, znanstvenici i dizajneri imaju o čemu razmišljati.

X-57 Maxwell

Pomoći će tekući dušik

"Električni avion pruža mnoge mogućnosti za optimizaciju", kaže Sergej Halperin. - Možete eksperimentirati, na primjer, s kombinacijom vijaka za povlačenje i potiskivanje. Elektromotori su mnogo povoljniji u odnosu na plinskoturbinske motore u konvertiplanima, budući da sigurna rotacija elektromotora u horizontalni položaj ne predstavlja tako složen inženjerski problem kao u slučaju tradicionalnih motora.

U električnoj ravnini možete osigurati potpunu integraciju svih sustava, stvoriti novi sustav upravljanja. Čak će i hibridni automobili proizvoditi manje buke i emisija.

Kao i baterije, električni motori povećavaju masu, volumen i rasipanje topline kako se snaga povećava. Potrebne su nove tehnologije kako bi bili snažniji i lakši.

Za domaće proizvođače hibridnih pogonskih sustava pravi je iskorak suradnja s ruskom tvrtkom SuperOx, jednim od pet najvećih dobavljača materijala sa svojstvima visokotemperaturne supravodljivosti (HTSC) u svijetu. Sada SuperOx razvija elektromotore sa statorom od supravodljivih materijala (hlađenih tekućim dušikom).

Ovi motori s dobrim zrakoplovnim karakteristikama činit će osnovu hibridne elektrane za regionalni zrakoplov, koji bi mogao poletjeti u nebo sredinom sljedećeg desetljeća. Ove godine na aeromitingu MAKS stručnjaci CIAM-a predstavili su demonstrator takve instalacije snage 10 kW. Planirani zrakoplov će biti opremljen hibridnom elektranom s po dva motora od 500 kW.

“Prije nego što govorimo o hibridnom električnom zrakoplovu”, kaže Halperin, “neophodno je testirati našu instalaciju na zemlji, a zatim u letećem laboratoriju. Nadamo se da će to biti Yak-40. Umjesto radara, u nos automobila možemo staviti HTSC elektromotor od 500 kilovata.

Umjesto središnjeg motora u rep ćemo ugraditi turbogenerator. Dva preostala Yak motora bit će dovoljna za testiranje naše zamisli u širokom rasponu visina (do 8000 m) i brzina (do 500 km/h). Čak i ako hibridna instalacija ne uspije, zrakoplov može sigurno dovršiti let i sletjeti. Pokazni laboratorij će biti opremljen prema planu u 2019. godini. Testni ciklus je okvirno planiran za 2020.

Pametno nebo

Električni i hibridni pogon zauzimaju značajno mjesto u planovima najvećih svjetskih proizvođača zrakoplova. Ovako izgledaju glavne značajke putničkog zrakoplovstva sredine ovog stoljeća prema programu Smarter Skies tvrtke AIRBUS.

"Zeleni" let

Zrakoplov budućnosti bit će dizajniran tako da smanji otisak ugljikovodika u atmosferi. Vodikovi plinski turbinski motori, hibridi i potpuno električni zrakoplovi na baterije dobit će popularnost.

Pretpostavlja se da će se baterije puniti iz ekološki prihvatljivih izvora električne energije. Moguća je pojava velikih vjetroelektrana ili solarnih elektrana na području aerodroma.

Sloboda na nebu

Inteligentni linijski brodovi samostalno će iscrtati rute na temelju prihvatljivosti okoliša i parametara učinkovitosti goriva na temelju analize vremenskih i atmosferskih podataka. Također će se moći okupljati u formacije poput jata ptica, što će smanjiti otpor pojedinih zrakoplova u formaciji i smanjiti potrošnju energije za let.

Radije sa zemlje

Novi pogonski sustavi i aerodinamika zrakoplova omogućit će im polijetanje po što strmijoj putanji kako bi se smanjila buka u području zračne luke i što prije dosegla razinu krstarenja, gdje zrakoplov pokazuje optimalne ekonomske karakteristike.

Slijetanje bez motora

Zrakoplovi budućnosti moći će slijetati u kliznom načinu rada. To će uštedjeti gorivo i smanjiti razinu buke u području zračne luke. Smanjit će se i brzina slijetanja. To će skratiti duljinu piste.

Bez ispuha

Zračne luke budućnosti u potpunosti će eliminirati korištenje motora s unutarnjim izgaranjem koji sagorijevaju gorivo. Za taksiranje brodovi će biti opremljeni kotačima od elektromotora. Kao alternativa - brzi električni tegljači bez posade, koji će moći brzo isporučiti zrakoplove s perona na uzletno-sletnu stazu i obrnuto.