Gyorsabb, csendesebb, tisztább – új repülőgépmotor

Kiderült, hogy ahhoz, hogy sokat változtassunk a repülésben, nem kell új légcsavarokat, futurisztikus dizájnt vagy űranyagokat keresni. Elég egy viszonylag egyszerű mechanikus sebességváltót használni ...

Ez az elmúlt évek egyik legfontosabb újítása. A hajtóműves turbóventilátor-motorok (GTF) lehetővé teszik, hogy a kompresszor és a ventilátor különböző sebességgel forogjon. A ventilátor hajtóműve a ventilátor tengelyével együtt forog, de elválasztja a ventilátormotort az alacsony nyomású kompresszortól és a turbinától. A ventilátor lassabban forog, míg a kompresszor és az alacsony nyomású turbina nagyobb sebességgel működik. Mindegyik motormodul optimális hatékonysággal tud működni. 20 évnyi K+F és K+F kiadások közel 1000 milliárd dollárja után a Pratt & Whitney PurePower PW2016G turbóventilátorcsalád néhány éve működött, és XNUMX óta tömegesen bevezették a kereskedelmi repülőgépekbe.

A modern turbóventilátoros motorok kétféleképpen hoznak létre tolóerőt. Először is, a kompresszorok és az égéstér a magjában találhatók. Elöl van egy ventilátor, amely a mag által hajtott levegőt a megkerülő kamrákon keresztül vezeti a motormag körül. A bypass arány a magon áthaladó levegő mennyiségének és a rajta áthaladó levegő mennyiségének az aránya. Általában a magasabb bypass arány csendesebb, hatékonyabb és erősebb motorokat jelent. A hagyományos turbóventilátoros motorok bypass aránya 9:1. A Pratt PurePower GTF motorok bypass aránya 12:1.

A bypass arány növelése érdekében a motorgyártóknak növelniük kell a ventilátorlapátok hosszát. Megnyújtáskor azonban a penge végén elért forgási sebességek olyan nagyok lesznek, hogy nemkívánatos rezgések lépnek fel. A lassításhoz ventilátorlapátok kellenek, erre való a sebességváltó. A Pratt & Whitney szerint egy ilyen motor akár 16 százalékos is lehet. nagy üzemanyag-fogyasztás és 50 százalék. kisebb a kipufogógáz-kibocsátás és 75 százalékos. csendes. A közelmúltban a SWISS és az Air Baltic bejelentette, hogy GTF C-sorozatú sugárhajtóműveik még kevesebb üzemanyagot fogyasztanak, mint amennyit a gyártó ígér.

PW1100G-JM motor a gyártósoron

A TIME magazin a PW1000G motort 50 2011 legfontosabb találmánya közé, valamint a hat legkörnyezetbarátabb találmány közé sorolta, mivel a Pratt & Whitney PurePowert úgy tervezték, hogy tisztább, csendesebb, erősebb és kevesebb üzemanyagot használjon fel, mint a meglévő sugárhajtóművek. 2016-ban Richard Anderson, a Delta Air Lines akkori elnöke „az első igazi innovációnak” nevezte a motort, mióta a Boeing Dreamliner forradalmasította a kompozit konstrukciót.

Megtakarítás és a károsanyag-kibocsátás csökkentése

A kereskedelmi repülési ágazat több mint 700 millió tonna szén-dioxidot bocsát ki évente. Bár ez csak körülbelül 2 százalék. A globális szén-dioxid-kibocsátás tekintetében bizonyíték van arra, hogy a repülőgép-üzemanyagban lévő üvegházhatású gázok nagyobb hatást gyakorolnak a légkörre, mivel nagyobb magasságban szabadulnak fel.

A nagy motorgyártók az üzemanyag-megtakarításra és a károsanyag-kibocsátás csökkentésére törekednek. A Pratt versenytársa, a CFM International a közelmúltban bemutatta saját, LEAP nevű, fejlett motorját, amely a vállalat illetékesei szerint hasonló eredményeket hoz a hajtóműves turbóventilátorokhoz, más megoldások rovására. A CFM azt állítja, hogy a hagyományos turbóventilátoros architektúrában ugyanazok az előnyök érhetők el a hajtáslánc súlyának és ellenállásának növelése nélkül. A LEAP könnyű kompozit anyagokat és szénszálas ventilátorlapátokat használ, hogy olyan energiahatékonysági javulást érjen el, amely a vállalat szerint összehasonlítható a Pratt & Whitney motorral elértekkel.

A mai napig az A320neo Airbus hajtóműveire vonatkozó megrendelések nagyjából egyenlő arányban oszlanak meg a CFM és a Pratt & Whitney között. Ez utóbbi cégnél sajnos a PurePower motorok okoznak gondokat a felhasználóknak. Az első ebben az évben jelent meg, amikor a Qatar Airways Airbus A320neo GTF-motorjainak egyenetlen hűtését észlelték. Az egyenetlen hűtés az alkatrészek deformálódásához és súrlódásához vezethet, ugyanakkor megnövelheti a repülések közötti időt. Ennek eredményeként a légitársaság arra a következtetésre jutott, hogy a hajtóművek nem felelnek meg az üzemeltetési követelményeknek. Nem sokkal ezután az indiai légügyi hatóságok felfüggesztették 11, PurePower GTF hajtóművel hajtott Airbus A320neo repülőgép repülését. Az Economic Times szerint a döntés azután született, hogy az Airbus GTF-motoros repülőgépei két hét alatt három hajtóműhibát szenvedtek. Pratt & Whitney lekicsinyli ezeket a nehézségeket, mondván, hogy könnyen leküzdhetők.

Airbus elektronikus ventilátor

A repülőgépmotorok területén egy másik óriás, a Rolls-Royce saját Power Gearboxot fejleszt, amely 2025-re 25%-kal csökkenti a nagy turbóventilátorok üzemanyag-fogyasztását. a jól ismert Trent motorpaletta régebbi modelljeihez képest. Ez természetesen egy új Pratt & Whitney tervpályázatot jelent.

A britek másfajta innovációkban is gondolkodnak. A közelmúltban megrendezett szingapúri légibemutató során a Rolls-Royce elindította az IntelligentEngine Initiative nevű kezdeményezést, amelynek célja olyan intelligens repülőgép-hajtóművek kifejlesztése, amelyek biztonságosabbak és hatékonyabbak az egymással való kommunikáció és a támogató hálózat révén. Azáltal, hogy folyamatos kétirányú kommunikációt biztosít a motorral és a szolgáltatási ökoszisztéma más részeivel, a motor képes lesz megoldani a problémákat, mielőtt azok előfordulnának, és megtanulják, hogyan javítsák a teljesítményt. Tanulnának a munkájuk és más motorjaik történetéből is, és nagyjából még saját magukat is meg kellene javítgatniuk útközben.

A hajtáshoz jobb akkumulátorok kellenek

Az Európai Bizottság 2050-re szóló légiközlekedési jövőképe a CO-kibocsátás csökkentését szorgalmazza.₂ 75 százalékkal, nitrogén-oxidok 90 százalékkal. a zaj pedig 65 százalékkal. Ezeket a meglévő technológiákkal nem lehet elérni. Az elektromos és hibrid-elektromos meghajtórendszereket jelenleg az egyik legígéretesebb technológiának tekintik ezeknek a kihívásoknak a megoldására.

Vannak kétüléses elektromos könnyű repülőgépek a piacon. Négyüléses hibrid-elektromos járművek vannak a láthatáron. A NASA előrejelzése szerint a 20-as évek elején az ilyen típusú, rövid távú, kilencüléses utasszállító repülőgépek visszahozzák a légiközlekedési szolgáltatásokat a kisebb közösségekbe. A tudósok Európában és az Egyesült Államokban is úgy vélik, hogy 2030-ra akár 100 ülőhelyes hibrid-elektromos repülőgépet is meg lehet építeni. Az energiatárolás terén azonban jelentős előrelépésre lesz szükség.

Jelenleg az akkumulátorok energiasűrűsége egyszerűen nem elegendő. Mindez azonban változhat. A Tesla főnöke, Elon Musk elmondta, hogy miután az akkumulátorok kilogrammonként 400 wattóra leadására képesek, és a cella teljesítményének aránya a teljes tömeghez viszonyítva 0,7-0,8, az elektromos transzkontinentális utasszállító "nehéz alternatívává" válik. Tekintettel arra, hogy a lítium-ion akkumulátorok 113-ben 1994 Wh/kg, 202-ben 2004 Wh/kg energiasűrűséget tudtak elérni, most pedig körülbelül 300 Wh/kg energiasűrűséget tudtak elérni, feltételezhető, hogy a következő évtizedben eléri a 400 Wh/kg szintet.

Kitty Hawk elektromos kétüléses légi taxi projekt

Az Airbus, a Rolls-Royce és a Siemens a közelmúltban együttműködtek az E-Fan X repülő demonstrátor fejlesztésében, amely jelentős előrelépést jelent majd a kereskedelmi repülőgépek hibrid-elektromos meghajtásában. Az E-Fan X hibrid elektromos technológia bemutatója várhatóan a -Fan X 2020-ban repül majd egy kiterjedt földi teszt kampány után. Az első fázisban a BAe 146 a négy motor egyikét XNUMX MW-os villanymotorra cseréli. A tervek szerint ezt követően a második turbinát villanymotorra cserélik, miután bizonyították a rendszer érettségét.

Az Airbus lesz felelős az átfogó integrációért, valamint a hibrid elektromos meghajtás és akkumulátorvezérlés architektúrájáért, valamint annak repülésirányító rendszerekkel való integrációjáért. A Rolls-Royce lesz a felelős a gázturbinás motorért, a XNUMX megawattos generátorért és a teljesítményelektronikáért. Az Airbusszal együtt a Rolls-Royce azon is dolgozik, hogy a ventilátorokat a meglévő Siemens gondolához és villanymotorhoz igazítsa. A Siemens XNUMX MW-os villanymotort és egy elektronikus teljesítményszabályozót, valamint invertert, átalakítót és áramelosztó rendszert szállít majd.

Világszerte számos kutatóközpont dolgozik elektromos repülőgépeken, köztük a NASA, amely az X-57 Maxwellt építi. Fejlesztés alatt áll a Kitty Hawk elektromos kétüléses légitaxi projekt és sok más nagy központ, cég vagy kis start-up struktúra is.

Tekintettel arra, hogy az utasszállító és teherszállító repülőgépek átlagos élettartama 21, illetve 33 év körüli, még ha minden holnap gyártott új repülőgép teljesen elektromos lesz, két-három évtizedbe telne a fosszilis tüzelőanyaggal hajtott repülőgépek kivonása.

Tehát nem fog gyorsan működni. Eközben a bioüzemanyagok könnyíthetik a környezetet a légiközlekedési ágazatban. Segítenek 36-85 százalékkal csökkenteni a szén-dioxid-kibocsátást. Annak ellenére, hogy a sugárhajtóművekhez készült bioüzemanyag-keverékeket 2009-ben tanúsították, a légiközlekedési ágazat nem siet a változtatások végrehajtásával. Kevés technológiai akadály és kihívás jár a bioüzemanyag-termelés ipari szintre emelésével, de a fő elrettentő tényező az ár – további tíz évbe telik, hogy a fosszilis tüzelőanyagokkal egyenlő arányt érjünk el.

Lépjen be a jövőbe

Ugyanakkor a laboratóriumok valamivel futurisztikusabb repülőgép-motor-koncepciókon dolgoznak. Egyelőre például nem hangzik túl realisztikusan egy plazmamotor, de nem zárható ki, hogy a tudományos munkákból valami érdekes és hasznos dolog fejlődjön ki. A plazmahajtóművek elektromosságot használnak elektromágneses mezők létrehozására. Összenyomnak és gerjesztenek egy gázt, például levegőt vagy argont, plazmává - forró, sűrű, ionizált állapotba. Kutatásaik most ahhoz az ötlethez vezetnek, hogy műholdakat indítsanak a világűrben (ionhajtóművek). Berkant Goeksel, a Berlini Műszaki Egyetem munkatársa és csapata azonban plazmahajtóműveket akarnak elhelyezni a repülőgépeken.

A kutatás célja egy olyan légsugaras plazmamotor kifejlesztése, amely felszálláshoz és magaslati repülésekhez egyaránt használható. A plazmasugarak általában vákuumban vagy alacsony nyomású atmoszférában működnek, ahol gázellátásra van szükség. Göksel csapata azonban tesztelt egy olyan eszközt, amely egy atmoszféra nyomású levegőben képes működni. „Plamafúvókáink akár 20 kilométer/s sebességet is elérhetnek” – mondja Göckel a Journal of Physics konferenciasorozatban.

SABRE motor a jövő hiperszonikus járművében

Kezdetben a csapat 80 milliméter hosszú miniatűr tolómotorokat tesztelt. Egy kisrepülőgép esetében ez akár ezret is elérhet abból, amit a csapat lehetségesnek tart. A legnagyobb korlát természetesen a könnyű akkumulátorok hiánya. A tudósok hibrid repülőgépeken is gondolkodnak, amelyekben a plazmamotort belső égésű motorokkal vagy rakétákkal kombinálják.

Ha innovatív sugárhajtómű-koncepciókról beszélünk, ne feledkezzünk meg a Reaction Engines Limited által kifejlesztett SABRE-ről (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine). Feltételezhető, hogy ez egy légkörben és vákuumban is működő, folyékony hidrogénnel működő motor lesz. A repülés kezdeti szakaszában az oxidálószer a légkörből származó levegő (mint a hagyományos sugárhajtóművekben), és 26 km magasságból (ahol a hajó eléri az 5 millió éves sebességet) - folyékony oxigén. Rakéta üzemmódra váltás után akár 25 Mach sebességet is elérhet.

A HorizonX, a Boeing projektben részt vevő befektetési részlege még nem döntötte el, hogy a SABRE hogyan használhatja fel, kivéve, hogy "forradalmi technológiával segíti a Boeinget a szuperszonikus repülésre való törekvésében".

A RAMJET és a scramjet (égéskamrával rendelkező szuperszonikus sugárhajtómű) régóta a nagysebességű repülés rajongóinak ajkán szerepel. Jelenleg elsősorban katonai célokra fejlesztik őket. Amint azonban a repülés története tanítja, amit a hadseregben tesztelnek, az a polgári repülésbe kerül. Csak egy kis türelem kell hozzá.

Rolls Royce intelligens motor videó:

Rolls-Royce | Innováció az IntelligentEngine-ben