Kiirem, vaiksem, puhtam – uus lennukimootor

Selgub, et selleks, et lennunduses palju muuta, pole vaja otsida uusi propellereid, futuristlikke kujundusi ega kosmosematerjale. Piisab suhteliselt lihtsa mehaanilise jõuülekande kasutamisest ...

See on viimaste aastate üks olulisemaid uuendusi. Käigukastiga turboventilaatormootorid (GTF) võimaldavad kompressori ja ventilaatori pöörlemist erinevatel kiirustel. Ventilaatori ajam pöörleb koos ventilaatori võlliga, kuid eraldab ventilaatori mootori madalrõhukompressorist ja turbiinist. Ventilaator pöörleb aeglasemalt, kompressor ja madalrõhuturbiin aga suuremal kiirusel. Iga mootorimoodul võib töötada optimaalse efektiivsusega. Pärast 20 aastat kestnud uurimis- ja arendustegevust ning ligikaudu 1000 miljardi dollari suurust teadus- ja arendustegevuse kulutust alustas Pratt & Whitney PurePower PW2016G turboventilaatorite perekond paar aastat tagasi ja seda on alates XNUMX. aastast massiliselt kommertslennukites kasutusele võetud.

Kaasaegsed turboventilaatormootorid tekitavad tõukejõudu kahel viisil. Esiteks asuvad selle südamikus kompressorid ja põlemiskamber. Ees on ventilaator, mis juhib südamikust käitatuna õhku läbi mootori südamiku ümber asuvate möödaviigukambrite. Möödavoolu suhe on südamikku läbiva õhu ja seda läbiva õhu hulga suhe. Üldiselt tähendab suurem möödaviiguaste vaiksemaid, tõhusamaid ja võimsamaid mootoreid. Tavalistel turboventilaatormootoritel on möödaviigu suhe 9:1. Pratt PurePower GTF mootorite möödaviigu suhe on 12:1.

Möödaviigu suurendamiseks peavad mootoritootjad suurendama ventilaatori labade pikkust. Pikendamisel on aga tera otsas saadavad pöörlemiskiirused nii suured, et tekivad soovimatud vibratsioonid. Aeglustamiseks on vaja ventilaatori labasid ja selleks on käigukast. Pratt & Whitney andmetel võib selline mootor olla kuni 16 protsenti. suur kütusesäästlikkus ja 50 protsenti. vähem heitgaase ja on 75 protsenti. vaikne. Hiljuti teatasid SWISS ja Air Baltic, et nende GTF C-seeria reaktiivmootorid tarbivad isegi vähem kütust, kui tootja lubab.

PW1100G-JM mootor tootmisliinil

Ajakiri TIME nimetas mootori PW1000G 50. aasta 2011 kõige olulisema leiutise hulka ja kuue kõige keskkonnasõbralikuma leiutise hulka, kuna Pratt & Whitney PurePower on loodud olema puhtam, vaiksem, võimsam ja vähem kütust kasutav kui olemasolevad reaktiivmootorid. 2016. aastal nimetas tollane Delta Air Linesi president Richard Anderson mootorit "esimeseks tõeliseks uuenduseks" pärast seda, kui Boeingi Dreamliner muutis komposiitehituse revolutsiooni.

Kokkuhoid ja heitkoguste vähendamine

Ärilise lennunduse sektor paiskab aastas õhku üle 700 miljoni tonni süsinikdioksiidi. Kuigi see on ainult umbes 2 protsenti. ülemaailmse süsinikdioksiidi heitkoguse tõttu on tõendeid selle kohta, et lennukikütuses sisalduvatel kasvuhoonegaasidel on suurem mõju atmosfäärile, kuna need eralduvad kõrgemal.

Suured mootoritootjad soovivad säästa kütust ja vähendada heitgaase. Pratti konkurent CFM International tutvustas hiljuti oma täiustatud mootorit nimega LEAP, mis ettevõtte ametnike sõnul annab käigukastiga turboventilaatoriga sarnaseid tulemusi muude lahenduste arvelt. CFM väidab, et traditsioonilises turboventilaatoriarhitektuuris on samad eelised saavutatavad ilma jõuülekande lisaraskuseta ja takistuseta. LEAP kasutab kergeid komposiitmaterjale ja süsinikkiust ventilaatori labasid, et saavutada energiatõhususe paranemine, mis ettevõtte sõnul on võrreldav Pratt & Whitney mootoriga saavutatuga.

Praeguseks on A320neo Airbusi mootorite tellimused CFM-i ja Pratt & Whitney vahel ligikaudu võrdselt jagatud. Viimase ettevõtte kahjuks põhjustavad PurePoweri mootorid kasutajatele probleeme. Esimene ilmus sel aastal, kui Qatar Airwaysi Airbus A320neo GTF-i mootorite ebaühtlane jahutus registreeriti. Ebaühtlane jahutus võib põhjustada detailide deformeerumist ja hõõrdumist ning samal ajal pikendada lendude vahelist aega. Selle tulemusena jõudis lennufirma järeldusele, et mootorid ei vastanud töönõuetele. Varsti pärast seda peatasid India lennuametid 11 PurePower GTF mootoritega Airbus A320neo lennuki lennud. Ajalehe Economic Timesi andmetel sündis otsus pärast seda, kui Airbusi GTF-mootoriga lennukitel tekkis kahe nädala jooksul kolm mootoririket. Pratt & Whitney vähendavad neid raskusi, öeldes, et neid on lihtne ületada.

Airbusi elektrooniline ventilaator

Teine lennukimootorite valdkonna hiiglane Rolls-Royce arendab oma Power Gearboxi, mis 2025. aastaks vähendab kütusekulu suurtes turboventilaatorites 25%. võrreldes tuntud Trenti mootorivaliku vanemate mudelitega. See tähendab muidugi uut Pratt & Whitney disainivõistlust.

Britid mõtlevad ka muudele uuendustele. Hiljuti toimunud Singapuri lennunäitusel käivitas Rolls-Royce IntelligentEngine Initiative'i, mille eesmärk on arendada intelligentseid lennukimootoreid, mis on omavahel suhtlemise ja tugivõrgustiku kaudu turvalisemad ja tõhusamad. Mootori ja muude teenindusökosüsteemi osadega pidevat kahepoolset sidet pakkudes suudab mootor lahendada probleemid enne nende tekkimist ja õppida jõudlust parandama. Samuti õpiksid nad oma töö ajaloost ja muudest mootoritest ning suures plaanis peaksid nad end isegi liikvel olles remontima.

Sõit vajab paremaid akusid

Euroopa Komisjoni lennundusvisioon 2050 nõuab CO heitkoguste vähendamist.₂ 75 protsenti, lämmastikoksiidid 90 protsenti. ja müra 65 protsenti. Neid ei ole võimalik saavutada olemasoleva tehnoloogiaga. Elektrilisi ja hübriid-elektri jõuseadmeid peetakse praegu üheks kõige lootustandvamaks tehnoloogiaks nende väljakutsetega toimetulemiseks.

Turul on kahekohalised elektrilised kerged lennukid. Silmapiiril on neljaistmelised hübriid-elektrisõidukid. NASA ennustab, et 20. aastate alguses toovad seda tüüpi lühilendudega üheksakohalised reisilennukid lennundusteenused tagasi väiksematesse kogukondadesse. Nii Euroopas kui USAs usuvad teadlased, et aastaks 2030 on võimalik ehitada kuni 100 istekohaga hübriid-elektrilennuk. Siiski on vaja olulisi edusamme energia salvestamise valdkonnas.

Praegu pole akude energiatihedusest lihtsalt piisav. See kõik võib aga muutuda. Tesla boss Elon Musk ütles, et kui akud on suutelised tootma 400 vatt-tundi kilogrammi kohta ja elemendi võimsuse suhe kogumassi on 0,7-0,8, saab elektrilisest kontinentidevahelisest reisilennukist "raske alternatiiv". Arvestades, et liitiumioonakud suutsid 113. aastal saavutada energiatiheduse 1994 Wh/kg, 202. aastal 2004 Wh/kg ja on nüüd võimelised jõudma umbes 300 Wh/kg, võib eeldada, et järgmise kümnendi jooksul jõuab tasemeni 400 Wh/kg.

Kitty Hawki elektrilise kahekohalise õhutakso projekt

Airbus, Rolls-Royce ja Siemens tegid hiljuti koostööd E-Fan X lendava demonstraatori väljatöötamiseks, mis on märkimisväärne samm edasi kommertslennukite hübriid-elektri jõul. E-Fan X hübriidelektritehnoloogia tutvustus peaks olema -Fan X lendab 2020. aastal pärast ulatuslikku maapealset katsetamiskampaaniat. Esimeses etapis asendab BAe 146 ühe neljast mootorist XNUMX MW elektrimootoriga. Edaspidi on kavas pärast süsteemi küpsuse demonstreerimist teine ​​turbiin asendada elektrimootoriga.

Airbus vastutab nii üldise integratsiooni kui ka hübriidse elektriajami ja aku juhtimise arhitektuuri ning selle integreerimise eest lennujuhtimissüsteemidega. Rolls-Royce hakkab vastutama gaasiturbiinmootori, XNUMX-megavatise generaatori ja jõuelektroonika eest. Koos Airbusiga tegeleb Rolls-Royce ka ventilaatorite kohandamisega olemasoleva Siemensi gondli ja elektrimootoriga. Siemens hakkab tarnima XNUMX MW elektrimootoreid ja elektroonilist võimsuskontrollerit, samuti inverterit, muundurit ja toitejaotussüsteemi.

Paljud uurimiskeskused üle maailma töötavad elektrilennukite kallal, sealhulgas NASA, mis ehitab X-57 Maxwelli. Arendamisel on ka elektrilise kahekohalise õhutakso projekt Kitty Hawk ja paljud teised suurte keskuste, ettevõtete või väikeste idufirmade struktuurid.

Arvestades, et reisi- ja kaubalennukite keskmine eluiga on vastavalt 21 ja 33 aastat, isegi kui kõik homme toodetavad uued lennukid on täiselektrilised, kuluks fossiilkütustel töötavate lennukite järkjärguliseks kasutuselt kõrvaldamiseks kaks kuni kolm aastakümmet.

Nii et see ei tööta kiiresti. Samal ajal võivad biokütused lennundussektoris keskkonda kergendada. Need aitavad vähendada süsinikdioksiidi heitkoguseid 36-85 protsenti. Hoolimata asjaolust, et reaktiivmootorite biokütuse segud sertifitseeriti juba 2009. aastal, ei kiirusta lennutööstus muudatusi ellu viima. Biokütuste tootmise tööstuslikule tasemele viimisega on seotud vähe tehnoloogilisi takistusi ja väljakutseid, kuid peamine heidutaja on hind – fossiilkütustega võrdsuse saavutamiseks kulub veel kümme aastat.

Astu tulevikku

Samal ajal töötavad laborid mõnevõrra futuristlikumate lennukimootorite kontseptsioonide kallal. Seni ei kõla näiteks plasmamootor kuigi realistlikult, kuid ei saa välistada, et teadustöödest areneb midagi huvitavat ja kasulikku. Plasmatõukurid kasutavad elektromagnetväljade loomiseks elektrit. Nad suruvad kokku ja ergastavad gaasi, näiteks õhu või argooni, plasmaks – kuumaks, tihedaks, ioniseeritud olekuks. Nende uurimistöö viib nüüd ideeni saata kosmoses satelliite (ioontõukurid). Berkant Goeksel Berliini tehnikaülikoolist ja tema meeskond tahavad aga lennukitesse plasmatõukejõude panna.

Uurimistöö eesmärk on välja töötada õhujoaga plasmamootor, mida saaks kasutada nii õhkutõusmiseks kui ka kõrglennudeks. Plasma reaktiivmootorid on tavaliselt kavandatud töötama vaakumis või madala rõhuga atmosfääris, kus on vaja gaasivarustust. Gökseli töörühm katsetas aga seadet, mis on võimeline töötama õhus ühe atmosfääri rõhul. "Meie plasmapihustid võivad jõuda kiiruseni kuni 20 kilomeetrit sekundis, " ütleb Göckel ajakirjas Journal of Physics konverentsisarjas.

SABRE mootor tuleviku hüperhelisõidukis

Alustuseks katsetas meeskond 80 millimeetri pikkuseid miniatuurseid tõukejõude. Väikese lennuki puhul on see kuni tuhat, mida meeskond võimalikuks peab. Suurim piirang on loomulikult kergete patareide puudumine. Teadlased kaaluvad ka hübriidlennukeid, milles plasmamootorit kombineeritakse sisepõlemismootorite või rakettidega.

Kui räägime uuenduslikest reaktiivmootorite kontseptsioonidest, siis ärgem unustagem Reaction Engines Limitedi poolt välja töötatud SABRE-d (synergistic Air-Breathing Rocket Engine). Eeldatakse, et see on nii atmosfääris kui ka vaakumis töötav mootor, mis töötab vedelal vesinikul. Lennu algfaasis on oksüdeerijaks atmosfääriõhk (nagu tavalistel reaktiivmootoritel) ja 26 km kõrguselt (kus laev saavutab kiiruse 5 miljonit aastat) - vedel hapnik. Pärast raketirežiimile lülitumist saavutab see kiiruse kuni 25 Machi.

HorizonX, projektiga seotud Boeingi investeerimisharu, ei ole veel otsustanud, kuidas SABRE seda kasutada saaks, välja arvatud see, et ta loodab "kasutada revolutsioonilist tehnoloogiat, et aidata Boeingul ülehelikiirusega lende".

RAMJET ja scramjet (põlemiskambriga ülehelikiirusega reaktiivmootor) on kiirlennunduse fännide huultel olnud pikka aega. Praegu arendatakse neid peamiselt sõjalistel eesmärkidel. Kuid nagu lennunduse ajalugu õpetab, läheb sõjaväes proovile panetu tsiviillennundusse. Vaja on vaid veidi kannatust.

Rolls Royce'i intelligentse mootori video:

Rolls-Royce | Innovatsioon intelligentses mootoris