Nopeampi, hiljaisempi, puhtaampi - uusi lentokonemoottori

Osoittautuu, että muuttaakseen paljon ilmailussa, sinun ei tarvitse etsiä uusia potkureita, futuristisia malleja tai avaruusmateriaaleja. Riittää käyttää suhteellisen yksinkertaista mekaanista vaihteistoa ...

Tämä on yksi viime vuosien tärkeimmistä innovaatioista. Geared turbofan moottorit (GTF) mahdollistavat kompressorin ja tuulettimen pyörimisen eri nopeuksilla. Tuulettimen käyttövaihde pyörii puhaltimen akselin mukana, mutta erottaa puhaltimen moottorin matalapainekompressorista ja turbiinista. Puhallin pyörii hitaammin, kun taas kompressori ja matalapaineturbiini toimivat suuremmalla nopeudella. Jokainen moottorimoduuli voi toimia optimaalisella hyötysuhteella. 20 vuoden tutkimus- ja kehitystyön sekä noin 1000 2016 miljardin dollarin T&K-menojen jälkeen Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG -turbofaaniperhe oli toiminnassa muutama vuosi sitten, ja sitä on otettu massiivisesti käyttöön kaupallisissa lentokoneissa vuodesta XNUMX lähtien.

Nykyaikaiset turbomoottorit tuottavat työntövoimaa kahdella tavalla. Ensinnäkin kompressorit ja polttokammio sijaitsevat sen ytimessä. Edessä on tuuletin, joka ohjaa ilmaa ytimen ohjaamana ohituskammioiden läpi moottorin sydämen ympärillä. Ohitussuhde on sydämen läpi kulkevan ilman määrän ja sen läpi kulkevan ilman määrän suhde. Yleisesti ottaen korkeampi ohitussuhde tarkoittaa hiljaisempia, tehokkaampia ja tehokkaampia moottoreita. Perinteisten turbopuhaltimien ohitussuhde on 9:1. Pratt PurePower GTF -moottoreiden ohitussuhde on 12:1.

Ohitussuhteen lisäämiseksi moottorinvalmistajien on lisättävä puhaltimen siipien pituutta. Kuitenkin pidennettäessä terän päässä saadut pyörimisnopeudet ovat niin suuria, että syntyy ei-toivottuja tärinöitä. Tarvitset tuulettimen lapoja hidastaaksesi, ja sitä varten vaihteisto on tarkoitettu. Tällainen moottori voi olla jopa 16 prosenttia Pratt & Whitneyn mukaan. hyvä polttoainetalous ja 50 prosenttia. vähemmän pakokaasupäästöjä ja on 75 prosenttia. hiljainen. Äskettäin SWISS ja Air Baltic ilmoittivat, että heidän GTF C-sarjan suihkumoottorit kuluttavat jopa vähemmän polttoainetta kuin valmistaja lupaa.

PW1100G-JM moottori tuotantolinjalla

TIME-lehti nimesi PW1000G-moottorin yhdeksi vuoden 50 2011 tärkeimmästä keksinnöstä ja yhdeksi kuudesta ympäristöystävällisimmästä keksinnöstä, sillä Pratt & Whitney PurePower on suunniteltu puhtaammaksi, hiljaisemmaksi, tehokkaammaksi ja vähemmän polttoainetta käyttäväksi kuin nykyiset suihkumoottorit. Vuonna 2016 Richard Anderson, silloinen Delta Air Linesin puheenjohtaja, kutsui moottoria "ensimmäiseksi todelliseksi innovaatioksi" sen jälkeen, kun Boeingin Dreamliner mullisti komposiittirakentamisen.

Säästöjä ja päästöjen vähentämistä

Kaupallinen lentoliikenne tuottaa vuosittain yli 700 miljoonaa tonnia hiilidioksidia. Vaikka se on vain noin 2 prosenttia. maailmanlaajuisten hiilidioksidipäästöjen vuoksi on näyttöä siitä, että lentopetrolin kasvihuonekaasuilla on suurempi vaikutus ilmakehään, koska niitä vapautuu korkeammissa korkeuksissa.

Suuret moottorinvalmistajat haluavat säästää polttoainetta ja vähentää päästöjä. Prattin kilpailija CFM International esitteli äskettäin oman edistyneen moottorinsa nimeltä LEAP, joka yhtiön virkamiesten mukaan tuottaa samanlaisia ​​tuloksia kuin vaihdettu turbotuuletin muiden ratkaisujen kustannuksella. CFM väittää, että perinteisessä turbofaaniarkkitehtuurissa samat edut voidaan saavuttaa ilman voimansiirron lisäpainoa ja vastusta. LEAP käyttää kevyitä komposiittimateriaaleja ja hiilikuitutuulettimen lapoja saavuttaakseen energiatehokkuuden parannuksia, jotka yhtiön mukaan ovat verrattavissa Pratt & Whitney -moottorilla saavutettuihin parannuksiin.

Toistaiseksi Airbus-moottoreiden tilaukset A320neoon ovat jakautuneet suunnilleen tasaisesti CFM:n ja Pratt & Whitneyn kesken. Valitettavasti jälkimmäiselle yritykselle PurePower-moottorit aiheuttavat ongelmia käyttäjille. Ensimmäinen ilmestyi tänä vuonna, kun GTF-moottoreiden epätasainen jäähdytys havaittiin Qatar Airways Airbus A320neossa. Epätasainen jäähdytys voi aiheuttaa osien muodonmuutoksia ja kitkaa ja samalla pidentää lentojen välistä aikaa. Tämän seurauksena lentoyhtiö päätteli, että moottorit eivät vastanneet toiminnallisia vaatimuksia. Pian tämän jälkeen Intian ilmailuviranomaiset keskeyttivät 11 PurePower GTF -moottoreilla toimivan Airbus A320neo -koneen lennot. Talouslehden mukaan päätös tehtiin sen jälkeen, kun Airbusin GTF-moottorilla varustetut lentokoneet kärsivät kolmesta moottorihäiriöstä kahden viikon aikana. Pratt & Whitney vähättelee näitä vaikeuksia sanomalla, että ne on helppo voittaa.

Airbus elektroninen tuuletin

Toinen lentokoneiden moottoreiden alan jättiläinen, Rolls-Royce, kehittää omaa Power Gearboxiaan, joka vuoteen 2025 mennessä vähentää polttoaineenkulutusta suurissa turbopuhaltimissa 25 %. tunnetun Trent-moottorivalikoiman vanhempiin malleihin verrattuna. Tämä tarkoittaa tietysti uutta Pratt & Whitney -suunnittelukilpailua.

Britit ajattelevat myös muunlaisia ​​innovaatioita. Rolls-Royce lanseerasi äskettäin Singaporen lentonäytöksessä IntelligentEngine Initiativen, jonka tavoitteena on kehittää älykkäitä lentokoneiden moottoreita, jotka ovat turvallisempia ja tehokkaampia kommunikointikyvyn ja tukiverkoston kautta. Tarjoamalla jatkuvaa kaksisuuntaista viestintää moottorin ja muiden palveluekosysteemin osien kanssa, moottori pystyy ratkaisemaan ongelmat ennen niiden ilmenemistä ja oppimaan parantamaan suorituskykyä. He oppisivat myös työnsä ja muiden moottoreidensa historiasta, ja suurelta osin he joutuisivat jopa korjaamaan itsensä liikkeellä ollessaan.

Ajo vaatii parempia akkuja

Euroopan komission Aviation Vision 2050 -visio vaatii hiilidioksidipäästöjen vähentämistä.₂ 75 prosenttia, typen oksideja 90 prosenttia. ja melu 65 prosenttia. Niitä ei voida saavuttaa olemassa olevilla tekniikoilla. Sähköisiä ja hybridisähköisiä propulsiojärjestelmiä pidetään tällä hetkellä yhtenä lupaavimmista teknologioista näihin haasteisiin vastaamiseksi.

Markkinoilla on kaksipaikkaisia ​​sähkökevyitä lentokoneita. Horisontissa on nelipaikkaisia ​​sähkö-hybridiautoja. NASA ennustaa, että 20-luvun alussa tämäntyyppiset lyhyen matkan yhdeksänpaikkaiset lentokoneet tuovat ilmailupalvelut takaisin pienempiin yhteisöihin. Sekä Euroopassa että Yhdysvalloissa tiedemiehet uskovat, että vuoteen 2030 mennessä on mahdollista rakentaa hybridisähköinen lentokone, jonka kapasiteetti on jopa 100 istuinta. Energian varastoinnin alalla tarvitaan kuitenkin merkittävää edistystä.

Tällä hetkellä akkujen energiatiheys ei yksinkertaisesti riitä. Kaikki tämä voi kuitenkin muuttua. Teslan pomo Elon Musk sanoi, että kun akut pystyvät tuottamaan 400 wattituntia kiloa kohden ja kennojen tehon suhde kokonaispainoon on 0,7-0,8, sähköisestä mannertenvälisestä matkustajakoneesta tulee "vaikea vaihtoehto". Kun otetaan huomioon, että litiumioniakut kykenivät saavuttamaan energiatiheyden 113 Wh/kg vuonna 1994, 202 Wh/kg vuonna 2004 ja pystyvät nyt saavuttamaan noin 300 Wh/kg, voidaan olettaa, että ne seuraavan vuosikymmenen aikana saavuttaa tason 400 Wh/kg.

Kitty Hawk sähköinen kaksipaikkainen lentotaksiprojekti

Airbus, Rolls-Royce ja Siemens tekivät äskettäin yhteistyötä kehittääkseen E-Fan X lentävän demonstraattorin, joka on merkittävä edistysaskel kaupallisten lentokoneiden hybridisähkökäyttöisessä propulsiovoimassa. E-Fan X hybridisähkötekniikan esittelyn odotetaan olevan -Fan X lentää vuonna 2020 laajan maatestikampanjan jälkeen. Ensimmäisessä vaiheessa BAe 146 korvaa yhden neljästä moottorista XNUMX MW:n sähkömoottorilla. Myöhemmin toinen turbiini on tarkoitus korvata sähkömoottorilla sen jälkeen, kun järjestelmän kypsyys on osoitettu.

Airbus vastaa kokonaisintegraatiosta sekä hybridisähköpropulsio- ja akkuohjausarkkitehtuurista ja sen integroinnista lennonohjausjärjestelmiin. Rolls-Royce vastaa kaasuturbiinimoottorista, XNUMX megawatin generaattorista ja tehoelektroniikasta. Yhdessä Airbusin kanssa Rolls-Royce työskentelee myös puhaltimien sovittamiseksi olemassa olevaan Siemensin koneeseen ja sähkömoottoriin. Siemens toimittaa XNUMX MW:n sähkömoottorit ja elektronisen tehonsäätimen sekä invertterin, muuntimen ja tehonjakelujärjestelmän.

Monet tutkimuskeskukset ympäri maailmaa työskentelevät sähkölentokoneiden parissa, mukaan lukien NASA, joka rakentaa X-57 Maxwellia. Myös Kitty Hawk sähköinen kaksipaikkainen lentotaksiprojekti ja monet muut suurten keskusten, yritysten tai pienten start-up-yritysten rakenteet ovat kehitteillä.

Ottaen huomioon, että matkustaja- ja rahtikoneiden keskimääräinen elinikä on noin 21 vuotta ja rahtilentokoneiden keskimääräinen käyttöikä on noin 33 vuotta ja rahtilentokoneiden keskimääräinen käyttöikä on noin XNUMX vuotta ja rahtilentokoneiden keskimääräinen käyttöikä on noin XNUMX vuotta, vaikka kaikki huomenna valmistettavat uudet lentokoneet olisivat täysin sähköisiä, fossiilisia polttoaineita käyttävien lentokoneiden luopuminen kestäisi kahdesta kolmeen vuosikymmentä.

Joten se ei toimi nopeasti. Samaan aikaan biopolttoaineet voivat keventää ympäristöä ilmailualalla. Ne auttavat vähentämään hiilidioksidipäästöjä 36-85 prosenttia. Huolimatta siitä, että suihkumoottoreiden biopolttoaineseokset sertifioitiin vuonna 2009, ilmailualalla ei ole kiirettä muutosten toteuttamiseen. Biopolttoaineiden tuotannon nostamiseen teolliselle tasolle liittyy vähän teknisiä esteitä ja haasteita, mutta suurin pelote on hinta – kestää vielä kymmenen vuotta saavuttaa tasa-arvo fossiilisten polttoaineiden kanssa.

Astu tulevaisuuteen

Samaan aikaan laboratoriot työstävät hieman futuristisempia lentokonemoottorikonsepteja. Toistaiseksi esimerkiksi plasmamoottori ei kuulosta kovin realistiselta, mutta ei voida sulkea pois sitä mahdollisuutta, että tieteellisistä teoksista kehittyy jotain mielenkiintoista ja hyödyllistä. Plasmapotkurit käyttävät sähköä sähkömagneettisten kenttien luomiseen. Ne puristavat ja virittävät kaasun, kuten ilman tai argonin, plasmaksi - kuumaksi, tiheäksi, ionisoituneeksi tilaan. Heidän tutkimuksensa johtaa nyt ajatukseen satelliittien laukaisemisesta ulkoavaruudessa (ionipotkurit). Berkant Goeksel Berliinin teknisestä yliopistosta ja hänen tiiminsä haluavat kuitenkin laittaa plasmapotkurit lentokoneisiin.

Tutkimuksen tavoitteena on kehittää ilmasuihkuplasmamoottori, jota voitaisiin käyttää sekä lentoonlähtöön että korkean lentoon. Plasmasuihkut on tyypillisesti suunniteltu toimimaan tyhjiössä tai matalapaineisessa ilmakehässä, jossa tarvitaan kaasun syöttöä. Gökselin tiimi kuitenkin testasi laitetta, joka pystyi toimimaan ilmassa yhden ilmakehän paineessa. "Plasasuuttimemme voivat saavuttaa jopa 20 kilometrin nopeuden sekunnissa", Göckel sanoo Journal of Physics -konferenssisarjassa.

SABRE-moottori tulevaisuuden hypersonic-ajoneuvossa

Aluksi tiimi testasi 80 millimetriä pitkiä miniatyyripotkureita. Pienelle lentokoneelle tämä on jopa tuhat sitä, mitä tiimi pitää mahdollisena. Suurin rajoitus on tietysti kevyiden akkujen puute. Tutkijat harkitsevat myös hybridilentokoneita, joissa plasmamoottori yhdistettäisiin polttomoottoreihin tai raketteihin.

Kun puhumme innovatiivisista suihkumoottorikonsepteista, älkäämme unohtako Reaction Engines Limitedin kehittämää SABREä (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine). Tämän oletetaan olevan moottori, joka toimii sekä ilmakehässä että tyhjiössä ja toimii nestemäisellä vedyllä. Lennon alkuvaiheessa hapetin on ilmakehän ilmaa (kuten tavanomaisissa suihkumoottoreissa) ja 26 km:n korkeudelta (jossa alus saavuttaa 5 miljoonan vuoden nopeuden) - nestemäistä happea. Rakettitilaan vaihtamisen jälkeen se saavuttaa jopa 25 Machin nopeuden.

HorizonX, Boeingin hankkeeseen osallistuva sijoitusosasto, ei ole vielä päättänyt, kuinka SABRE voisi käyttää sitä, paitsi että se aikoo "käyttää vallankumouksellista teknologiaa auttamaan Boeingia sen pyrkiessä yliäänilentoihin".

RAMJET ja scramjet (yliääninen suihkumoottori polttokammiolla) ovat pitkään olleet nopean ilmailun fanien huulilla. Tällä hetkellä niitä kehitetään pääasiassa sotilaallisiin tarkoituksiin. Kuitenkin, kuten ilmailun historia opettaa, armeijassa testattava menee siviili-ilmailuun. Tarvitaan vain vähän kärsivällisyyttä.

Rolls Royce Intelligent Engine -video:

Rolls-Royce | Innovaatiot IntelligentEnginessä