Электрдик учак заманбап авиацияга альтернатива болобу?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-16 16:10

Лайнерлерди башкарган заманбап газ турбиналык (турбовентилятор) кыймылдаткычы, албетте, багбанчылык шаймандары үчүн эки такттуу шылдыратуучу эмес, жогорку эффективдүү жана абдан ишенимдүү машина. Бирок, самолет жасоочу-лардын пикири боюнча, ал мындан ары жакшыртуу учун резервдерди ту-зууге жакын.

Эмне үчүн кыймылдаткычтар бар - курулуп жаткан бардык авиалайнерлер бири-бирине ушунчалык окшош болгондуктан, авиациялык адис гана Boeing же Airbus менен Bombardier же MS-21ди дароо айырмалай алат. Канаттарынын астындагы эки газ турбиналык кыймылдаткычтары бар заманбап типтеги авиалайнерлер бизди ондогон жылдар бою асманда айланта турганына кымындай деле шек болбосо да, учактын жаңы макети жана жаңы аэродинамикасына болгон чоң үмүт электр кыймылдаткычы менен байланыштуу.

Тез, бирок көпкө эмес

Жакынкы убактарга чейин «электрдик учак» термини «көбүрөөк электрдик учак» - механикалык жана гидравликалык трансмиссиялары максималдуу түрдө электрдикине алмаштырылган, туруктуу канаты бар учак деп түшүнүлүп келген.

Мындан ары трубалар жана кабельдер - рульдерди айдоо, канатты механикалаштыруу сыяктуу механикалык жумуштардын бардыгын электр энергиясы жана башкаруу сигналы учун канал менен камсыз кылынган кичинекей электр кыймылдаткычтары-аткаруучулар аткарышат. Эми бул термин жаңы мааниге ээ болду: чыныгы электрдик учак өзү электр тартылуу күчү менен кыймылдашы керек.

Албетте, электрдик авиациянын перспективалары учак конструкторлоруна гана эмес, ошондой эле электротехника тармагындагы прогресске да көз каранды. Анткени, учактар, алар айткандай, "батареяда" бар. Жардамчы электр кыймылдаткычтары планерлерге мындан бир нече ондогон жылдар мурда орнотулган.

2016-жылы биринчи жолу учкан Extra 330LE буга чейин планерлерди көтөрүп, ылдамдык боюнча рекорд койгон. Бирок анын 14 кубаттуу литий-иондук батарейкалардан турган блогу жана Siemens компаниясынын электр кыймылдаткычы бул наристеге учкучту кошкондо эки гана адамды алып, абада 20 мүнөттөн ашык эмес болууга мүмкүндүк берет.

Кошумча 330LE

Албетте, алда канча таасирдүү көрсөткүчтөрү бар долбоорлор бар. Өткөн жылдын сентябрь айында британдык EasyJet арзан авиакомпаниясы он жылдан кийин 180 жүргүнчү сыйымдуулугу бар толугу менен электрдик аймактык лайнерди (аралыгы 540 км, бул ички европалык каттамдар үчүн абдан чоң) ишке киргизээрин жарыялаган.

Буга чейин эки орундуу учуучу демонстранттарды курган америкалык Wright Electric стартапы долбоордун өнөктөшү болуп калды. Бирок, бүгүнкү күндө эң мыкты литий-иондук батарейкалардын энергия тыгыздыгы углеводороддук отунга караганда бир эсе төмөн. 2030-жылга чейин батарейкалар эки эсеге чейин иштешин жакшыртат деп болжолдонууда.

Турбина, кал

Отун клеткалары менен кырдаал алда канча пайдалуу көрүнөт, мында отундун химиялык энергиясы күйүү процессин айланып өтүп, түздөн-түз электр энергиясына айландырылат.

Суутек мындай энергия булагы үчүн эң келечектүү отун болуп эсептелет. Электр учактары үчүн энергия булагы катары күйүүчү май клеткалары менен эксперименттер дүйнөнүн ар кайсы өлкөлөрүндө жүргүзүлүп жатат (Орусияда CIAM биринчи кезекте мындай учактарды түзүү боюнча долбоорлордун үстүндө иштеп жатат, ал эми алар үчүн күйүүчү май клеткалары РАСнын алдындагы IPCP RASда түзүлгөн. профессор Юрий Добровольскийдин жетекчилиги).

Учуучу жана башкарылган концепциялардан европалык ENFICA-FC Rapid 200FC демонстрациясын эстесе болот - ал бир эле учурда электр батарейкаларын да, күйүүчү май клеткаларын да колдонгон. Бирок бул технология да олуттуу жакшыртууга жана кошумча изилдөөгө муктаж.

Бүгүнкү күндө эң реалдуу перспективалар гибриддик схема боюнча курулган электр учактарынын перспективалары болуп көрүнөт. Бул учактын винти (винт же пропфан) электр кыймылдаткычы менен кыймылдаарын, бирок ал электр энергиясын газ турбиналык кыймылдаткыч (же башка ичтен күйүүчү кыймылдаткыч) менен айланган … генератордон алат дегенди билдирет. Бир караганда, мындай схема кызыктай көрүнөт: алар электр кыймылдаткычынын пайдасына GTEден баш тартууну каалашат, бирок алар муну жасашпайт.

Дүйнөдө буга чейин бир нече гибриддик долбоорлор бар, бирок биз биринчи кезекте Орусияга кызыкдарбыз. Электрдик учакта, атап айтканда, гибрид схемасы менен иштөө TsAGI же TsIAM сыяктуу авиациялык профилдеги ар кандай илимий институттарда жүргүзүлгөн.

Бүгүнкү күндө бул жана башка айрым институттар (2014-жылдан бери) тармактын бирдиктүү кубаттуу “мээ трести” болуу максатында иштелип чыккан “Н. Е. Жуковский атындагы институт” илимий-изилдөө борборунун алдында бириктирилген. Борбордун ичиндеги электрдик авиация боюнча бардык иштерди бириктирүү милдети биз макаланын башында келтирген Сергей Гальперинге жүктөлгөн.

Батарея менен иштөөчү учуу

«Авиацияда электр кыймылдаткычтарына өтүү көптөгөн кызыктуу перспективаларды ачат, - дейт Сергей Гальперин, - бирок таза химиялык энергия булактарында Россиянын шарттарына ылайыктуу диапазону бар коммерциялык электрдик учакты түзүүгө ишенүүгө эч кандай негиз жок (батареялар же күйүүчү элементтер) жакынкы келечекте: энергетикалык потенциал бир килограмм керосин менен бир килограмм батареянын өтө көп айырмаланат. Гибриддик дизайн акылга сыярлык компромисс болушу мүмкүн. Түздөн-түз күчтү пайда кылган газ турбиналык кыймылдаткыч менен генератордун валын кыймылга келтире турган газ турбиналык кыймылдаткычтын бир эле нерсе эмес экенин түшүнүү керек.

Чындыгында, учактын энергияга болгон талаптары учуу учурунда бир топ өзгөрөт. Учуп баратканда самолеттун кыймылдаткычы максималдуу кубаттуулукка жакын кубаттуулукту өнүктүрөт, ал эми круиз учурунда (башкача айтканда, учуунун көпчүлүк бөлүгүндө) учактын энергия керектөөсү 5-6 эсеге кыскарат.

Ошентип, салттуу электр станциясы кеңири диапазондо иштөөгө (экономикалык көз караштан алганда дайыма эле оптималдуу эмес) жана биринен экинчисине тез өтүүгө жөндөмдүү болушу керек. Гибриддик орнотууда газ турбиналык кыймылдаткычтан эч нерсе талап кылынбайт. Ал дайыма бирдей, экономикалык жактан абдан пайдалуу режимде иштеген электр станцияларынын газ турбиналарына окшош болот. Алар бир нече жылдан бери тынымсыз иштеп жатышат».

Се-лайнер

Генератордун жардамы менен ГТЭ электр кыймылдаткычтарын түз энергия менен камсыздоо үчүн, ошондой эле аккумуляторлордо резервди түзүү үчүн энергияны иштеп чыга алат. Батареянын жардамы учканда эле керек болот.

Бирок электр кыймылдаткычтарынын учуу режиминде иштөөсү бир нече мүнөткө созула тургандыктан, энергия запасы өтө чоң болбошу керек жана борттогу батарейкалар өлчөмү жана салмагы боюнча абдан алгылыктуу болушу мүмкүн. Ошол эле учурда, газ турбиналык кыймылдаткыч эч кандай учуу режимине ээ болбойт - анын иши тынч электр энергиясын өндүрүү болуп саналат.

Ошентип, аба кыймылдаткычынан айырмаланып, гибриддик электр учактагы газ турбиналык кыймылдаткыч азыраак кубаттуу, ишенимдүү жана экологиялык жактан таза, конструкциясы боюнча жөнөкөй, бул арзаныраак жана акырында чоң ресурска ээ болот.

Канатта согуу

Ошол эле учурда электр кыймылдаткычтарына өтүү келечектеги жарандык учактарды конструкциялоодо фундаменталдуу инновациялар үчүн перспективаларды ачат. Эң көп талкууланган темалардын бири - бөлүштүрүлгөн электр станцияларын түзүү.

Бүгүнкү күндө классикалык лайнердин макети эки түртүүчү колдонууну, башкача айтканда, канаттын астындагы мамыларга илинип турган эки, сейрек төрт кубаттуу кыймылдаткычты болжолдойт. Электрдик учактарда көп сандагы электр кыймылдаткычтарынын канатын бойлото, ошондой эле анын учунда жайгашуусу каралат. Бул эмне үчүн керек?

Кеп кайрадан учуу жана круиздик режимдердин ортосундагы айырмачылыкта. Окуя агымынын төмөн ылдамдыгы менен учуп баратканда, учак көтөргүчтү түзүү үчүн чоң канат аянтына муктаж. Круиздик ылдамдыкта кең канат жолго түшүп, ашыкча көтөрүүнү пайда кылат.

Маселе комплекстуу меха-низациялоонун эсебинен чечилди - тартылуучу клапандар жана шляпалар. Кичинекей аэродромдордон учуп чыккан жана бул үчүн чоң канаттары бар кичинекей учактар оптималдуу эмес чабуул бурчу менен круиз кылууга аргасыз болушат, бул кошумча күйүүчү майдын чыгымдалышына алып келет.

Бирок, учуп жатканда винттерге туташтырылган көптөгөн электр кыймылдаткычтары кошумча канатты үйлөп кетсе, анда аны өтө кенен кылуунун кажети жок. Самолет кыска учуу менен учуп чыгат, ал эми круиздик бөлүгүндө тар канаты көйгөй жаратпайт. Машина кыймылдаткыч кыймылдаткычтары менен башкарылуучу винттердин жардамы менен алдыга тартылат жана бул этапта канатты бойлото винттер конууга чейин бүктөлүп же артка тартылат.

Мисал НАСАнын X-57 Maxwell долбоору. Концепциянын демонстратору канатты бойлото жана учтарында жайгашкан 14 электр кыймылдаткычтары менен жабдылган. Алардын баары учуу жана конуу учурунда гана иштешет. Круиздик бөлүктө канаттын учу кыймылдаткычтары гана тартылган.

Моторлорду мындай жайгаштыруу бул жерлерде пайда болгон куюндардын терс таасирин азайтууга мумкундук берет. Башка жагынан алганда, электр станциясы татаал болуп чыгат, демек, аны тейлөө кымбатка турат жана иштен чыгуу ыктымалдыгы да жогору. Жалпысынан алганда, окумуштуулар менен конструкторлор ойлоно турган нерсе бар.

X-57 Максвелл

Суюк азот жардам берет

"Электрдик учак оптималдаштыруу үчүн көптөгөн мүмкүнчүлүктөрдү берет", - дейт Сергей Гальперин. - Сиз, мисалы, тартуу жана түртүү бурамалар айкалышы менен эксперимент болот. Электр кыймылдаткычтары конвертиппландардагы газ турбиналык кыймылдаткычтарга караганда алда канча пайдалуу, анткени электр кыймылдаткычын горизонталдык абалга коопсуз айландыруу салттуу кыймылдаткычтардагыдай татаал инженердик проблеманы жаратпайт.

Электрдик учакта сиз бардык системалардын толук интеграциясын камсыздай аласыз, жаңы башкаруу системасын түзө аласыз. Атүгүл гибриддик унаалар дагы азыраак ызы-чуу жана газдарды чыгарышат.

Батареялар сыяктуу эле, электр кыймылдаткычтары кубаттуулугу жогорулаган сайын массасы, көлөмү жана жылуулуктун таралышы көбөйөт. Аларды күчтүүрөөк жана жеңил кылуу үчүн жаңы технологиялар талап кылынат.

Гибриддик кыймылдаткыч системаларын ата мекендик иштеп чыгуучулар үчүн дүйнөдөгү жогорку температурадагы өтө өткөргүчтүк (HTSC) касиеттери бар материалдардын беш ири берүүчүнүн бири болгон орусиялык SuperOx компаниясы менен кызматташуу чыныгы ачылыш болду. Азыр SuperOx өтө өткөргүч материалдардан (суюк азот менен муздатылган) жасалган статору бар электр кыймылдаткычтарын иштеп чыгууда.

Жакшы авиациялык мүнөздөмөлөргө ээ болгон бул кыймылдаткычтар кийинки он жылдыктын ортосунда асманга көтөрүлүшү мүмкүн болгон аймактык учак үчүн гибриддик электр станциясынын негизин түзөт. Быйыл MAKS авиашоусунда CIAM адистери кубаттуулугу 10 кВт болгон мындай установканын демонстраторун көрсөтүштү. Пландаштырылган учак ар бири 500 кВт болгон эки кыймылдаткычы бар гибриддик электр станциясы менен жабдылат.

«Гибриддик электр самолёту женунде айтуудан мурда,- дейт Гальперин,- биздин установкабызды жерде, андан кийин учуучу лабораторияда сыноо керек. Бул Як-40 болот деп үмүттөнөбүз. Радардын ордуна 500 киловатт HTSC электр кыймылдаткычын машинанын мурдуна орнотуп алабыз.

Борбордук кыймылдаткычтын ордуна куйрукка турбогенератор орнотобуз. Калган эки топоз мотору биздин акылыбызды бийиктикте (8000 мге чейин) жана ылдамдыкта (500 км/саатка чейин) сыноо үчүн жетиштүү болот. Ал эми гибриддик орнотуу иштебей калса да, учак аман-эсен учуп, коно алат. Көргөзмө лаборатория 2019-жылы планга ылайык жабдылат. Сыноо цикли болжолдуу түрдө 2020-жылга пландаштырылган.

Акылдуу асман

Электрдик жана гибриддик кыймылдаткыч дүйнөдөгү эң ири учак өндүрүүчүлөрдүн пландарында олуттуу орунду ээлейт. AIRBUS компаниясынын Smarter Skies программасына ылайык, ушул кылымдын орто чениндеги жүргүнчүлөрдү ташуучу авиациянын негизги өзгөчөлүктөрү мына ушундай.

"Жашыл" учуу

Келечектеги учак атмосферадагы углеводороддун изин азайтуу үчүн иштелип чыгат. Суутек газ турбиналык кыймылдаткычтары, гибриддери жана аккумулятор менен иштеген толугу менен электрдик учактар популярдуулукка ээ болот.

Батареялар экологиялык жактан таза электр булактарынан толукталат деп болжолдонууда. Аэродромдордун аймагында ири шамал станцияларынын же күн электр станцияларынын пайда болушу мүмкүн.

Асманда эркиндик

Интеллектуалдык лайнерлер аба ырайы жана атмосфералык маалыматтардын анализинин негизинде экологиялык тазалыктын жана күйүүчү майдын үнөмдүү параметрлеринин негизинде өз алдынча маршруттарды түзүшөт. Алар ошондой эле канаттуулардын үйүрү сыяктуу түзүлүштөргө чогула алышат, бул формадагы жеке учактар үчүн сүйрөөнү азайтат жана учуу үчүн энергия керектөөнү азайтат.

Тескерисинче жерден

Жаңы кыймылдаткыч системалары жана учактын аэродинамикасы аэропорттун аймагындагы ызы-чууну азайтуу жана учак оптималдуу экономикалык мүнөздөмөлөрдү көрсөткөн крейсердик деңгээлге мүмкүн болушунча тезирээк жетүү үчүн аларга эң тик траектория боюнча учуп кетүүгө мүмкүндүк берет.

Моторсуз конуу

Келечектеги учактар планердик режимде коно алат. Бул күйүүчү майды үнөмдөп, аэропорттун аймагындагы ызы-чуунун деңгээлин азайтат. Конуу ылдамдыгы да төмөндөйт. Бул учуу тилкелеринин узундугун кыскартат.

Чыгаруу жок

Келечектин аэропорттору күйүүчү майды күйгүзгөн ичинен күйүүчү кыймылдаткычтарды колдонууну толугу менен жокко чыгарат. Таксиде журуу учун лайнерлер электр кыймылдаткычынын дөңгөлөктөрү менен жабдылат. Альтернатива катары – учактарды перрондон учуп-конуу тилкесине жана тескерисинче тез жеткире ала турган жогорку ылдамдыктагы учкучсуз электр тракторлору.