Da li je električni avion alternativa modernoj avijaciji?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Savremeni gasnoturbinski (turboventilatorski) motor koji pokreće košuljice, naravno, nije dvotaktni zveket za baštenske alate, već visokoefikasna i vrlo pouzdana mašina. Međutim, prema proizvođačima aviona, blizu je iscrpljivanja rezervi za dalje unapređenje.

Zašto postoje motori - svi avioni u izgradnji toliko su slični jedni drugima da će samo zrakoplovni stručnjak odmah razlikovati Boeing ili Airbus od Bombardier-a ili MS-21. I iako nema ni najmanje sumnje da će nas moderni avioni sa dva gasnoturbinska motora ispod krila decenijama kotrljati nebom, velike nade u novi raspored i novu aerodinamiku aviona vezuju se za električni pogon.

Brzo, ali ne zadugo

Donedavno se pod pojmom "električna letjelica" podrazumijevala "električnija letjelica" - avion sa fiksnim krilom, u kojem su mehanički i hidraulički prijenosnici maksimalno zamijenjeni električnim.

Nema više cijevi i kablova - sve mehaničke poslove, 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 električnu avijaciju ne zavise (pa čak ni toliko) od konstruktora aviona koliko od napretka u oblasti elektrotehnike. Uostalom, avioni, kako kažu, "na baterije" postoje. Pomoćni elektromotori su ugrađeni na jedrilice prije nekoliko decenija.

Extra 330LE, koji je prvi put poletio 2016. godine, već nosi jedrilice i postavlja brzinske rekorde. Ali njegov blok od 14 snažnih litijum-jonskih baterija i električni motor iz Siemensa omogućavaju ovoj bebi da ukrca samo dve osobe, uključujući pilota, i da ostane u vazduhu ne duže od 20 minuta.

Extra 330LE

Naravno, postoje projekti sa mnogo impresivnijim pokazateljima. Britanski niskotarifni avioprevoznik EasyJet je u septembru prošle godine najavio da će za deset godina pokrenuti potpuno električnu regionalnu liniju (domet od 540 km, što je dosta za unutarevropske letove) kapaciteta 180 putnika.

Američki startup Wright Electric, koji je već napravio demonstrator letenja sa dva sjedišta, postao je partner u projektu. Međutim, danas je gustoća energije najboljih litijum-jonskih baterija više nego red veličine inferiorna u odnosu na ugljikovodična goriva. Pretpostavlja se da će do 2030. godine baterije poboljšati svoje performanse maksimalno dva puta.

Turbino, ostani

Mnogo povoljnije izgleda situacija sa gorivnim ćelijama, u kojima se hemijska energija goriva direktno pretvara u električnu energiju, zaobilazeći proces sagorevanja.

Vodik se smatra najperspektivnijim gorivom za takav izvor energije. Eksperimenti sa gorivnim ćelijama kao izvorom energije za električni avion izvode se u različitim zemljama sveta (u Rusiji CIAM prvenstveno radi na projektima za stvaranje takvih aviona, a gorive ćelije za njih se kreiraju u IPCP RAS u okviru pod vodstvom profesora Jurija Dobrovolskog).

Od koncepta letenja i sa posadom može se prisjetiti europskog demonstratora ENFICA-FC Rapid 200FC - istovremeno je koristio i električne baterije i gorivne ćelije. Ali i ovoj tehnologiji je potrebno značajno poboljšanje i dodatna istraživanja.

Najrealniji izgledi za danas su izgledi za električne letjelice izgrađene po hibridnoj shemi. To znači da će propeler aviona (propeler ili propfan) pokretati električni motor, ali će električnu energiju dobivati iz generatora koji rotira … plinskoturbinski motor (ili drugi motor s unutarnjim sagorijevanjem). Na prvi pogled, takva shema izgleda čudna: 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, obavljen je u različitim naučnim institutima zrakoplovnog profila, kao što su TsAGI ili TsIAM.

Danas su ove i neke druge institucije ujedinjene (od 2014. godine) pod okriljem Istraživačkog centra „Institut po imenu N. Ye. Žukovskog“, osmišljenog da postanu jedinstveni moćni „trust mozga“industrije. Zadatak integracije svih radova na električnoj avijaciji u okviru centra dodijeljen je Sergeju Galperinu, kojeg smo već citirali na početku članka.

Polijetanje na baterije

„Prelazak na elektromotore u avijaciji otvara mnogo zanimljivih izgleda“, kaže Sergej Halperin, „ali nema razloga da se računa na stvaranje komercijalnog električnog aviona sa pristojnim dometom za ruske uslove na čisto hemijskim 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 direktno stvara potisak i plinskoturbinski motor koji će pokrenuti osovinu generatora uopće nisu ista stvar.

Činjenica je da se energetski zahtjevi aviona značajno mijenjaju tokom leta. Prilikom polijetanja, motor aviona razvija snagu blizu maksimuma, a tokom krstarenja (odnosno tokom većeg dijela leta) potrošnja energije aviona se smanjuje za 5-6 puta.

Dakle, tradicionalna elektrana mora biti sposobna da radi u širokom rasponu načina rada (koji nije uvijek optimalan sa ekonomske tačke gledišta) i da se brzo prebacuje s jednog na drugi. Ništa slično nije potrebno od gasnoturbinskog motora u hibridnoj instalaciji. To će biti 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 da generiše energiju za direktno napajanje elektromotora, kao i za stvaranje rezerve u baterijama. Pomoć za bateriju će biti potrebna tek prilikom polijetanja.

No, budući da će rad elektromotora u režimu polijetanja trajati samo nekoliko minuta, rezerva energije ne bi trebala biti velika, a baterije na brodu mogu biti sasvim prihvatljive veličine i težine. Istovremeno, gasnoturbinski motor neće imati nikakav režim poletanja - njegov posao je da tiho proizvodi električnu energiju.

Dakle, za razliku od avionskog motora, gasnoturbinski motor u hibridnom električnom avionu će biti manje moćan, pouzdaniji i ekološki prihvatljiviji, jednostavnijeg dizajna, što znači jeftiniji i, konačno, imat će veći resurs.

Duva u krilo

Istovremeno, prelazak na električne motore otvara izglede za fundamentalne inovacije u dizajnu civilnih aviona budućnosti. Jedna od tema o kojima se najviše raspravlja je stvaranje distribuiranih elektrana.

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

Poenta je opet u razlici između režima poletanja i krstarenja. Prilikom polijetanja pri maloj brzini incidentnog toka, avionu je potrebna velika površina krila da bi stvorio uzgon. Pri brzini krstarenja, široko krilo staje na put, stvarajući višak uzgona.

Problem je riješen složenom mehanizacijom - uvlačivim zakrilcima i letvicama. Manji avioni, koji polijeću sa malih aerodroma i imaju za to velika krila, prinuđeni su da krstare sa suboptimalnim napadnim uglom, što dovodi do dodatne potrošnje goriva.

Ali, ako će pri polijetanja mnogo elektromotora spojenih na elise dodatno raznijeti krilo, ono neće morati biti preširoko. Avion će poletjeti kratkim uzlijetanjem, a na krstarećem dijelu usko krilo neće stvarati probleme. Automobil će biti povučen naprijed pomoću propelera koje pokreću pogonski motori, a propeleri duž krila u ovoj fazi će se sklopiti ili uvući prije slijetanja.

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

Takav smještaj motora omogućava 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 vjerovatnoća kvarova. Generalno, naučnici i dizajneri imaju o čemu razmišljati.

X-57 Maxwell

Pomoći će tečnom dušiku

„Električni avion pruža mnogo 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, jer sigurna rotacija elektromotora u horizontalni položaj ne predstavlja tako složen inženjerski problem kao u slučaju tradicionalnih motora.

U električnom avionu možete osigurati potpunu integraciju svih sistema, kreirati novi sistem upravljanja. Čak će i hibridni automobili proizvoditi manje buke i emisije štetnih plinova.”

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

Za domaće proizvođače hibridnih pogonskih sistema pravi je iskorak bila saradnja sa ruskom kompanijom SuperOx, jednim od pet najvećih dobavljača materijala sa svojstvima visokotemperaturne superprovodljivosti (HTSC) u svetu. Sada SuperOx razvija elektromotore sa statorom napravljenim od supravodljivih materijala (hlađenih tekućim dušikom).

Ovi motori sa dobrim vazduhoplovnim karakteristikama činiće osnovu hibridne elektrane za regionalni avion, koji bi mogao da poleti u nebo sredinom sledeće decenije. Ove godine, na aeromitingu MAKS, stručnjaci CIAM-a predstavili su demonstrator takve instalacije snage 10 kW. Planirani avion će biti opremljen hibridnom elektranom sa dva motora od po 500 kW.

„Prije nego što govorimo o hibridnoj električnoj letjelici“, kaže Halperin, „neophodno je testirati našu instalaciju na zemlji, a zatim u letećoj laboratoriji. Nadamo se da će to biti Yak-40. Umjesto radara, u nos automobila možemo staviti HTSC elektromotor od 500 kilovata.

Turbo generator ćemo ugraditi u rep umjesto centralnog motora. 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, avion može sigurno završiti let i sletjeti. Demonstraciona laboratorija će biti opremljena prema planu u 2019. godini. Testni ciklus je okvirno zakazan za 2020.

Pametno nebo

Električni i hibridni pogoni zauzimaju značajno mjesto u planovima najvećih svjetskih proizvođača aviona. Ovako izgledaju glavne karakteristike putničkog vazduhoplovstva sredine ovog veka prema programu Smarter Skies kompanije AIRBUS.

"Zeleni" let

Avion budućnosti će biti dizajniran da minimizira otisak ugljikovodika u atmosferi. Turbinski motori na vodik, hibridi i potpuno električni avioni na baterije će steći 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 brodovi će samostalno iscrtati rute na osnovu ekoloških parametara i parametara efikasnosti goriva na osnovu analize vremenskih i atmosferskih podataka. Oni će također moći da se okupljaju u formacije poput jata ptica, što će smanjiti otpor pojedinačnih aviona u formaciji i smanjiti potrošnju energije za let.

Radije sa zemlje

Novi pogonski sistemi i aerodinamika aviona omogućiće im da polete po što strmijoj putanji kako bi se smanjila buka u zoni aerodroma i što pre dostigli nivo krstarenja, gde letelica pokazuje optimalne ekonomske karakteristike.

Sletanje bez motora

Avioni budućnosti moći će da slijeću u kliznom režimu. Ovo će uštedjeti gorivo i smanjiti nivo buke u području aerodroma. Brzina slijetanja će se također smanjiti. Ovo će skratiti dužinu piste.

Nema auspuha

Aerodromi budućnosti u potpunosti će eliminirati upotrebu motora s unutrašnjim sagorijevanjem koji sagorijevaju gorivo. Za taksiranje brodovi će biti opremljeni točkovima od elektromotora. Kao alternativa - brzi bespilotni električni tegljači, koji će moći brzo da isporuče avione od perona do piste i obrnuto.