Rýchlejší, tichší, čistejší – nový letecký motor

Ukazuje sa, že na to, aby sa v letectve veľa zmenilo, nepotrebujete hľadať nové vrtule, futuristický dizajn ani vesmírne materiály. Stačí použiť relatívne jednoduchú mechanickú prevodovku ...

Ide o jednu z najdôležitejších inovácií posledných rokov. Prevodové turboventilátorové motory (GTF) umožňujú, aby sa kompresor a ventilátor otáčali rôznymi rýchlosťami. Ozubené koleso pohonu ventilátora sa otáča spolu s hriadeľom ventilátora, ale oddeľuje motor ventilátora od nízkotlakového kompresora a turbíny. Ventilátor sa otáča nižšou rýchlosťou, zatiaľ čo kompresor a nízkotlaková turbína pracujú pri vyšších otáčkach. Každý modul motora môže pracovať s optimálnou účinnosťou. Po 20 rokoch výdavkov na výskum a vývoj a výskum a vývoj vo výške približne 1000 2016 miliárd dolárov bola rodina turbodúchadiel Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG v prevádzke pred niekoľkými rokmi a od roku XNUMX sa masívne zavádza do komerčných lietadiel.

Moderné turboventilátorové motory generujú ťah dvoma spôsobmi. Po prvé, kompresory a spaľovacia komora sú umiestnené v jeho jadre. Vpredu je ventilátor, ktorý poháňaný jadrom smeruje vzduch cez obtokové komory okolo jadra motora. Obtokový pomer je pomer množstva vzduchu prechádzajúceho cez jadro k množstvu vzduchu, ktorý ním prechádza. Vo všeobecnosti platí, že vyšší obtokový pomer znamená tichšie, efektívnejšie a výkonnejšie motory. Bežné turboventilátorové motory majú obtokový pomer 9 ku 1. Motory Pratt PurePower GTF majú obtokový pomer 12 ku 1.

Na zvýšenie obtokového pomeru musia výrobcovia motorov zväčšiť dĺžku lopatiek ventilátora. Avšak pri predĺžení budú rýchlosti otáčania získané na konci čepele také vysoké, že dôjde k nežiaducim vibráciám. Na spomalenie potrebujete lopatky ventilátora a na to je prevodovka. Takýto motor môže mať podľa Pratt & Whitney až 16 percent. skvelá spotreba paliva a 50 percent. menej výfukových emisií a je 75 percent. ticho. Nedávno SWISS a Air Baltic oznámili, že ich prúdové motory GTF série C spotrebujú ešte menej paliva, ako sľubuje výrobca.

Motor PW1100G-JM na výrobnej linke

Časopis TIME označil motor PW1000G za jeden z 50 najdôležitejších vynálezov roku 2011 a jeden zo šiestich najekologickejších vynálezov, pretože Pratt & Whitney PurePower je navrhnutý tak, aby bol čistejší, tichší, výkonnejší a využíval menej paliva ako existujúce prúdové motory. V roku 2016 Richard Anderson, vtedajší prezident Delta Air Lines, nazval motor „prvou skutočnou inováciou“, odkedy Boeing Dreamliner spôsobil revolúciu v kompozitnej konštrukcii.

Úspory a zníženie emisií

Sektor komerčného letectva emituje ročne viac ako 700 miliónov ton oxidu uhličitého. Hoci ide len o 2 percentá. globálnych emisií oxidu uhličitého existujú dôkazy, že skleníkové plyny v leteckom palive majú väčší vplyv na atmosféru, keďže sa uvoľňujú vo vyšších nadmorských výškach.

Významní výrobcovia motorov sa snažia šetriť palivo a znižovať emisie. Konkurent spoločnosti Pratt CFM International nedávno predstavil svoj vlastný pokročilý motor s názvom LEAP, ktorý podľa predstaviteľov spoločnosti poskytuje podobné výsledky ako prevodový turboventilátor na úkor iných riešení. CFM tvrdí, že v tradičnej architektúre turboventilátora možno dosiahnuť rovnaké výhody bez pridanej hmotnosti a odporu hnacieho ústrojenstva. LEAP používa ľahké kompozitné materiály a lopatky ventilátora z uhlíkových vlákien na dosiahnutie zlepšení energetickej účinnosti, ktoré sú podľa spoločnosti porovnateľné s tými, ktoré sa dosiahli s motorom Pratt & Whitney.

K dnešnému dňu sú objednávky na motory Airbus pre A320neo rozdelené medzi CFM a Pratt & Whitney zhruba rovnomerne. Nanešťastie pre druhú spoločnosť spôsobujú motory PurePower používateľom problémy. Prvý sa objavil tento rok, keď bolo zaznamenané nerovnomerné chladenie motorov GTF v Qatar Airways Airbus A320neo. Nerovnomerné chladenie môže viesť k deformácii a treniu dielov a zároveň predĺžiť čas medzi letmi. V dôsledku toho letecká spoločnosť dospela k záveru, že motory nespĺňajú prevádzkové požiadavky. Krátko nato indické letecké úrady pozastavili lety 11 lietadiel Airbus A320neo poháňaných motormi PurePower GTF. Podľa Economic Times rozhodnutie prišlo po tom, čo lietadlá s pohonom Airbus GTF utrpeli tri poruchy motora v priebehu dvoch týždňov. Pratt & Whitney bagatelizuje tieto ťažkosti a tvrdí, že sa dajú ľahko prekonať.

Elektronický ventilátor Airbus

Ďalší gigant v oblasti leteckých motorov, Rolls-Royce, vyvíja vlastnú Power Gearbox, ktorá do roku 2025 zníži spotrebu paliva vo veľkých turboventilátoroch o 25 %. v porovnaní so staršími modelmi známeho motorového radu Trent. To, samozrejme, znamená novú dizajnovú súťaž Pratt & Whitney.

Briti uvažujú aj o iných druhoch inovácií. Počas nedávnej singapurskej leteckej šou Rolls-Royce spustil iniciatívu IntelligentEngine, ktorej cieľom je vyvinúť inteligentné letecké motory, ktoré sú bezpečnejšie a efektívnejšie vďaka schopnosti vzájomnej komunikácie a podpornej siete. Poskytovaním nepretržitej obojsmernej komunikácie s motorom a ostatnými časťami ekosystému služieb bude motor schopný riešiť problémy skôr, ako nastanú, a naučí sa, ako zlepšiť výkon. Poučili by sa aj z histórie svojej práce a iných motorov a celkovo by sa museli opravovať aj za pochodu.

Disk potrebuje lepšie batérie

Vízia letectva 2050 Európskej komisie požaduje zníženie emisií CO.₂ o 75 percent, oxidy dusíka o 90 percent. a hluk o 65 percent. Nie je možné ich dosiahnuť existujúcimi technológiami. Elektrické a hybridno-elektrické pohonné systémy sa v súčasnosti považujú za jednu z najsľubnejších technológií na splnenie týchto výziev.

Na trhu sú dvojmiestne elektrické ľahké lietadlá. Na obzore sú štvormiestne hybridno-elektrické vozidlá. NASA predpovedá, že začiatkom 20. rokov tento typ deväťmiestneho lietadla na krátke vzdialenosti prinesie letecké služby späť do menších komunít. V Európe aj v USA vedci veria, že do roku 2030 je možné postaviť hybridno-elektrické lietadlo s kapacitou až 100 miest na sedenie. V oblasti skladovania energie však bude potrebný výrazný pokrok.

V súčasnosti energetická hustota batérií jednoducho nestačí. Toto všetko by sa však mohlo zmeniť. Šéf Tesly Elon Musk uviedol, že akonáhle budú batérie schopné produkovať 400 watthodín na kilogram a pomer výkonu článku k celkovej hmotnosti bude 0,7 – 0,8, stane sa elektrické transkontinentálne dopravné lietadlo „náročnou alternatívou“. Vzhľadom na to, že lítium-iónové batérie boli schopné dosiahnuť hustotu energie 113 Wh/kg v roku 1994, 202 Wh/kg v roku 2004 a teraz sú schopné dosiahnuť približne 300 Wh/kg, možno predpokladať, že v priebehu nasledujúceho desaťročia dosiahne úroveň 400 Wh/kg.

Projekt elektrického dvojmiestneho aerotaxi Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce a Siemens nedávno spolupracovali na vývoji lietajúceho demonštrátora E-Fan X, ktorý bude významným krokom vpred v oblasti hybridného elektrického pohonu komerčných lietadiel. Očakáva sa, že demonštrácia hybridnej elektrickej technológie E-Fan X bude – Fan X bude lietať v roku 2020 po rozsiahlej pozemnej testovacej kampani. V prvej fáze BAe 146 nahradí jeden zo štyroch motorov XNUMX-megawattovým elektromotorom. Následne sa po preukázaní vyspelosti systému plánuje výmena druhej turbíny za elektromotor.

Airbus bude zodpovedný za celkovú integráciu, ako aj architektúru hybridného elektrického pohonu a riadenia batérie a jej integráciu so systémami riadenia letu. Rolls-Royce bude zodpovedný za motor s plynovou turbínou, XNUMX-megawattový generátor a výkonovú elektroniku. Spolu s Airbusom bude Rolls-Royce pracovať aj na prispôsobení ventilátorov existujúcej gondole Siemens a elektromotoru. Siemens dodá elektromotory s výkonom XNUMX MW a elektronický regulátor výkonu, ako aj invertor, menič a systém distribúcie energie.

Mnoho výskumných centier po celom svete pracuje na elektrických lietadlách, vrátane NASA, ktorá vyrába X-57 Maxwell. Rozvíja sa aj projekt elektrického dvojmiestneho aerotaxi Kitty Hawk a mnohé ďalšie štruktúry veľkých centier, firiem či malých start-upov.

Vzhľadom na to, že priemerná životnosť osobných a nákladných lietadiel je približne 21 a 33 rokov, aj keby všetky nové lietadlá vyrobené zajtra boli čisto elektrické, vyradenie lietadiel na fosílne palivá by trvalo dve až tri desaťročia.

Takže to nepôjde rýchlo. Medzitým môžu biopalivá odľahčiť životné prostredie v odvetví letectva. Pomáhajú znižovať emisie oxidu uhličitého o 36-85 percent. Napriek tomu, že zmesi biopalív pre prúdové motory boli certifikované už v roku 2009, letecký priemysel sa so zavádzaním zmien neponáhľa. Existuje len málo technologických prekážok a výziev spojených so zavedením výroby biopalív na priemyselnú úroveň, ale hlavným odstrašujúcim prostriedkom je cena – dosiahnutie parity s fosílnymi palivami trvá ďalších desať rokov.

Vykročte do budúcnosti

Laboratóriá zároveň pracujú na o niečo futuristickejších konceptoch leteckých motorov. Zatiaľ napríklad plazmový motor neznie príliš realisticky, no nedá sa vylúčiť, že sa vedecké práce vyvinú do niečoho zaujímavého a užitočného. Plazmové trysky využívajú elektrinu na vytváranie elektromagnetických polí. Stláčajú a excitujú plyn, ako je vzduch alebo argón, do plazmy – horúceho, hustého, ionizovaného stavu. Ich výskum teraz vedie k myšlienke vypustiť satelity vo vesmíre (iónové trysky). Berkant Goeksel z Technickej univerzity v Berlíne a jeho tím však chcú do lietadiel umiestniť plazmové trysky.

Cieľom výskumu je vyvinúť prúdový plazmový motor, ktorý by sa dal použiť na vzlety aj lety vo veľkých výškach. Plazmové trysky sú zvyčajne navrhnuté tak, aby fungovali vo vákuovej alebo nízkotlakovej atmosfére, kde je potrebný prívod plynu. Gökselov tím však testoval zariadenie schopné fungovať vo vzduchu pri tlaku jednej atmosféry. „Naše plazmové dýzy môžu dosiahnuť rýchlosť až 20 kilometrov za sekundu,“ hovorí Göckel v sérii konferencií Journal of Physics.

Motor SABRE v hypersonickom vozidle budúcnosti

Na začiatok tím testoval miniatúrne trysky dlhé 80 milimetrov. Pre malé lietadlo to bude až tisíc z toho, čo tím považuje za možné. Najväčším obmedzením je samozrejme nedostatok ľahkých batérií. Vedci uvažujú aj o hybridných lietadlách, v ktorých bude plazmový motor kombinovaný so spaľovacími motormi či raketami.

Keď hovoríme o inovatívnych koncepciách prúdových motorov, nezabudnime na SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) vyvinutý spoločnosťou Reaction Engines Limited. Predpokladá sa, že pôjde o motor pracujúci v atmosfére aj vo vákuu na kvapalný vodík. V počiatočnej fáze letu bude okysličovadlom vzduch z atmosféry (ako v konvenčných prúdových motoroch) a z výšky 26 km (kde loď dosiahne rýchlosť 5 miliónov rokov) - kvapalný kyslík. Po prepnutí do raketového režimu dosiahne rýchlosť až 25 Mach.

HorizonX, investičná odnož Boeingu zapojená do projektu, sa ešte musí rozhodnúť, ako by ho SABRE mohol použiť, okrem toho, že očakáva, že „použije revolučnú technológiu, aby pomohla Boeingu v jeho úsilí o nadzvukový let“.

RAMJET a scramjet (nadzvukový prúdový motor so spaľovacou komorou) sú už dlho na perách fanúšikov vysokorýchlostného letectva. V súčasnosti sú vyvinuté najmä na vojenské účely. Ako však učia dejiny letectva, to, čo sa preverí v armáde, pôjde do civilného letectva. Chce to len trochu trpezlivosti.

Video inteligentného motora Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovácia v IntelligentEngine