Szybciej, ciszej, czyściej — nowy silnik lotniczy

Okazuje się, że aby dużo zmienić w lotnictwie, wcale nie trzeba szukać nowych śmigieł, futurystycznych konstrukcji czy kosmicznych materiałów. Wystarczy zastosować stosunkowo prostą przekładnię mechaniczną...

To jedna z najważniejszych innowacji ostatnich lat. Silniki turbowentylatorowe z przekładnią (GTF) umożliwiają obracanie się sprężarki i wentylatora z różnymi prędkościami. Koło zębate napędu wentylatora obraca się wraz z wałem wentylatora, ale oddziela silnik wentylatora od sprężarki niskiego ciśnienia i turbiny. Wentylator obraca się z mniejszą prędkością, podczas gdy sprężarka i turbina niskiego ciśnienia pracują z większą prędkością. Każdy moduł silnika może pracować z optymalną wydajnością. Po 20 latach badań i rozwoju oraz wydatkach na badania i rozwój rzędu 1000 miliardów dolarów, rodzina turbowentylatorów Pratt & Whitney PurePower PW2016G zaczęła działać kilka lat temu i jest masowo wprowadzana do samolotów komercyjnych od XNUMX roku.

Nowoczesne silniki turbowentylatorowe generują ciąg na dwa sposoby. Po pierwsze, w jego rdzeniu znajdują się sprężarki i komora spalania. Z przodu znajduje się wentylator, który napędzany przez rdzeń kieruje powietrze przez komory obejściowe wokół rdzenia silnika. Współczynnik obejścia to stosunek ilości powietrza przechodzącego przez rdzeń do ilości powietrza przechodzącego przez niego. Ogólnie rzecz biorąc, wyższy stopień obejścia oznacza cichsze, wydajniejsze i mocniejsze silniki. Konwencjonalne turbowentylatory mają współczynnik obejścia 9 do 1. Silniki Pratt PurePower GTF mają współczynnik obejścia 12 do 1.

Aby zwiększyć współczynnik obejścia, producenci silników muszą zwiększyć długość łopatek wentylatora. Jednak po wydłużeniu prędkości obrotowe uzyskiwane na końcu łopaty będą na tyle duże, że wystąpią niepożądane wibracje. Do zwolnienia potrzebne są łopatki wentylatora, a do tego służy skrzynia biegów. Według Pratt & Whitney taki silnik może mieć nawet 16 procent. duża oszczędność paliwa i 50 proc. mniej emisji spalin i wynosi 75 proc. cichy. Niedawno SWISS i Air Baltic ogłosiły, że ich silniki odrzutowe GTF serii C zużywają jeszcze mniej paliwa, niż obiecuje producent.

Silnik PW1100G-JM na linii produkcyjnej

Magazyn TIME uznał silnik PW1000G za jeden z 50 najważniejszych wynalazków 2011 roku i jeden z sześciu najbardziej przyjaznych dla środowiska wynalazków, ponieważ Pratt & Whitney PurePower został zaprojektowany tak, aby był czystszy, cichszy, mocniejszy i zużywał mniej paliwa niż istniejące silniki odrzutowe. W 2016 roku Richard Anderson, ówczesny prezes Delta Air Lines, nazwał ten silnik „pierwszą prawdziwą innowacją” od czasu, gdy Dreamliner Boeinga zrewolucjonizował konstrukcje kompozytowe.

Oszczędności i redukcja emisji

Sektor lotnictwa komercyjnego emituje rocznie ponad 700 milionów ton dwutlenku węgla. Choć to tylko około 2 proc. globalnych emisji dwutlenku węgla, istnieją dowody na to, że gazy cieplarniane w paliwie do silników odrzutowych mają większy wpływ na atmosferę, ponieważ są uwalniane na wyższych wysokościach.

Główni producenci silników starają się oszczędzać paliwo i ograniczać emisje. Konkurent firmy Pratt, firma CFM International, wprowadziła niedawno własny, zaawansowany silnik o nazwie LEAP, który według przedstawicieli firmy zapewnia podobne wyniki do turbowentylatora z przekładnią kosztem innych rozwiązań. CFM twierdzi, że w tradycyjnej architekturze turbowentylatorowej te same korzyści można osiągnąć bez dodatkowego ciężaru i oporu układu napędowego. LEAP wykorzystuje lekkie materiały kompozytowe i łopatki wentylatora z włókna węglowego, aby osiągnąć poprawę efektywności energetycznej, która według firmy jest porównywalna z osiąganą w silniku Pratt & Whitney.

Do tej pory zamówienia na silniki Airbusa do A320neo są mniej więcej równo podzielone między CFM i Pratt & Whitney. Niestety dla tej ostatniej firmy silniki PurePower sprawiają użytkownikom problemy. Pierwszy pojawił się w tym roku, kiedy to w Qatar Airways Airbus A320neo odnotowano nierównomierne chłodzenie silników GTF. Nierównomierne chłodzenie może prowadzić do deformacji i tarcia części, a jednocześnie wydłużyć czas między lotami. W rezultacie linia lotnicza stwierdziła, że ​​silniki nie spełniają wymagań operacyjnych. Wkrótce potem indyjskie władze lotnicze zawiesiły loty 11 samolotów Airbus A320neo napędzanych silnikami PurePower GTF. Według Economic Times decyzja została podjęta po tym, jak w samolocie Airbus GTF doszło do trzech awarii silnika w ciągu dwóch tygodni. Pratt & Whitney bagatelizuje te trudności, mówiąc, że łatwo je pokonać.

Elektroniczny wentylator Airbusa

Inny gigant w dziedzinie silników lotniczych, Rolls-Royce, opracowuje własny Power Gearbox, który do 2025 roku zmniejszy zużycie paliwa w dużych turbowentylatorach o 25%. w porównaniu ze starszymi modelami znanej gamy silników Trent. To oczywiście oznacza nowy konkurs projektowy Pratt & Whitney.

Brytyjczycy myślą też o innych rodzajach innowacji. Podczas niedawnego Singapore Airshow firma Rolls-Royce uruchomiła inicjatywę IntelligentEngine, której celem jest opracowanie inteligentnych silników lotniczych, które będą bezpieczniejsze i wydajniejsze dzięki możliwości komunikowania się ze sobą i poprzez sieć wsparcia. Zapewniając ciągłą dwukierunkową komunikację z silnikiem i innymi częściami ekosystemu usług, silnik będzie w stanie rozwiązywać problemy, zanim się pojawią, i uczyć się, jak poprawić wydajność. Uczyliby się też z historii swojej pracy i innych silników, aw zasadzie musieliby nawet naprawiać się w drodze.

Napęd potrzebuje lepszych baterii

Wizja lotnicza Komisji Europejskiej na rok 2050 wzywa do redukcji emisji COXNUMX.₂ o 75 procent, tlenki azotu o 90 procent. i hałasu o 65 proc. Nie można ich osiągnąć za pomocą istniejących technologii. Elektryczne i hybrydowo-elektryczne układy napędowe są obecnie postrzegane jako jedna z najbardziej obiecujących technologii pozwalających sprostać tym wyzwaniom.

Na rynku dostępne są dwumiejscowe lekkie samoloty elektryczne. Czteromiejscowe pojazdy hybrydowo-elektryczne są już na horyzoncie. NASA przewiduje, że na początku lat 20. tego typu dziewięciomiejscowy samolot pasażerski krótkodystansowy przywróci usługi lotnicze mniejszym społecznościom. Zarówno w Europie, jak iw USA naukowcy uważają, że do 2030 roku możliwe jest zbudowanie samolotu hybrydowo-elektrycznego o pojemności do 100 miejsc. Niezbędny będzie jednak znaczny postęp w dziedzinie magazynowania energii.

Obecnie gęstość energetyczna akumulatorów jest po prostu niewystarczająca. Wszystko to może się jednak zmienić. Szef Tesli, Elon Musk, powiedział, że gdy akumulatory będą w stanie wyprodukować 400 watogodzin na kilogram, a stosunek mocy ogniwa do całkowitej masy wyniesie 0,7-0,8, elektryczny samolot transkontynentalny stanie się „trudną alternatywą”. Biorąc pod uwagę, że akumulatory litowo-jonowe były w stanie osiągnąć gęstość energii 113 Wh/kg w 1994 r., 202 Wh/kg w 2004 r., a obecnie są w stanie osiągnąć około 300 Wh/kg, można założyć, że w ciągu najbliższej dekady osiągnie poziom 400 Wh/kg.

Projekt elektrycznej dwumiejscowej taksówki powietrznej Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce i Siemens niedawno nawiązały współpracę w celu opracowania latającego demonstratora E-Fan X, który będzie znaczącym krokiem naprzód w dziedzinie hybrydowo-elektrycznego napędu samolotów komercyjnych. Oczekuje się, że demonstracja hybrydowej technologii elektrycznej E-Fan X będzie -Fan X będzie latał w 2020 roku po szeroko zakrojonej kampanii testów naziemnych. W pierwszej fazie BAe 146 zastąpi jeden z czterech silników silnikiem elektrycznym o mocy XNUMX MW. W dalszej kolejności planowana jest wymiana drugiej turbiny na silnik elektryczny po wykazaniu dojrzałości układu.

Airbus będzie odpowiedzialny za ogólną integrację, a także hybrydową architekturę napędu elektrycznego i sterowania baterią oraz jej integrację z systemami sterowania lotem. Rolls-Royce będzie odpowiedzialny za silnik z turbiną gazową, XNUMX-megawatowy generator i energoelektronikę. Wraz z Airbusem Rolls-Royce będzie również pracował nad przystosowaniem wentylatorów do istniejącej gondoli i silnika elektrycznego Siemensa. Siemens dostarczy silniki elektryczne o mocy XNUMX MW i elektroniczny sterownik mocy, a także falownik, przetwornicę i system dystrybucji energii.

Nad samolotami elektrycznymi pracuje wiele ośrodków badawczych na całym świecie, w tym NASA, która buduje X-57 Maxwell. Rozwijany jest także projekt elektrycznej dwumiejscowej taksówki powietrznej Kitty Hawk oraz wiele innych struktur dużych centrów, firm czy małych start-upów.

Biorąc pod uwagę, że średnia żywotność samolotów pasażerskich i towarowych wynosi odpowiednio około 21 i 33 lat, nawet jeśli wszystkie nowe samoloty produkowane w przyszłości będą w pełni elektryczne, wycofanie samolotów napędzanych paliwami kopalnymi zajęłoby dwie do trzech dekad.

Więc to nie zadziała szybko. Tymczasem biopaliwa mogą odciążyć środowisko w sektorze lotniczym. Pomagają zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 36-85 proc. Mimo, że mieszanki biopaliw do silników odrzutowych zostały certyfikowane jeszcze w 2009 roku, branża lotnicza nie spieszy się z wprowadzaniem zmian. Istnieje niewiele przeszkód technologicznych i wyzwań związanych z doprowadzeniem produkcji biopaliw do poziomu przemysłowego, ale głównym czynnikiem odstraszającym jest cena — osiągnięcie parytetu z paliwami kopalnymi zajmuje kolejne dziesięć lat.

Wkrocz w przyszłość

W tym samym czasie laboratoria pracują nad nieco bardziej futurystycznymi koncepcjami silników lotniczych. Na razie np. silnik plazmowy nie brzmi zbyt realistycznie, ale nie można wykluczyć, że prace naukowe rozwiną się w coś ciekawego i pożytecznego. Silniki plazmowe wykorzystują energię elektryczną do tworzenia pól elektromagnetycznych. Sprężają i wzbudzają gaz, taki jak powietrze lub argon, do postaci plazmy — gorącego, gęstego, zjonizowanego stanu. Ich badania prowadzą teraz do pomysłu wystrzelenia satelitów w kosmos (silniki jonowe). Jednak Berkant Goeksel z Politechniki Berlińskiej i jego zespół chcą umieścić silniki plazmowe w samolotach.

Celem badań jest opracowanie powietrznego silnika plazmowego, który mógłby być używany zarówno do startów, jak i lotów na dużych wysokościach. Dysze plazmowe są zwykle zaprojektowane do pracy w próżni lub atmosferze o niskim ciśnieniu, gdzie wymagane jest zasilanie gazem. Jednak zespół Göksela przetestował urządzenie zdolne do działania w powietrzu pod ciśnieniem jednej atmosfery. „Nasze dysze plazmowe mogą osiągać prędkość do 20 kilometrów na sekundę”, mówi Göckel w serii konferencji Journal of Physics.

Silnik SABRE w naddźwiękowym pojeździe przyszłości

Na początek zespół przetestował miniaturowe silniki odrzutowe o długości 80 milimetrów. W przypadku małego samolotu będzie to nawet tysiąc tego, co zespół uważa za możliwe. Największym ograniczeniem jest oczywiście brak lekkich akumulatorów. Naukowcy rozważają też samoloty hybrydowe, w których silnik plazmowy byłby połączony z silnikami spalinowymi lub rakietami.

Kiedy mówimy o innowacyjnych koncepcjach silnika odrzutowego, nie zapominajmy o SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) opracowanym przez Reaction Engines Limited. Zakłada się, że będzie to silnik pracujący zarówno w atmosferze, jak iw próżni, zasilany ciekłym wodorem. W początkowej fazie lotu utleniaczem będzie powietrze z atmosfery (jak w konwencjonalnych silnikach odrzutowych), a z wysokości 26 km (gdzie statek osiąga prędkość 5 mln lat) - ciekły tlen. Po przejściu w tryb rakietowy będzie osiągał prędkość do 25 Machów.

HorizonX, ramię inwestycyjne Boeinga zaangażowane w projekt, nie zdecydowało jeszcze, w jaki sposób SABRE może go wykorzystać, poza tym, że spodziewa się „wykorzystania rewolucyjnej technologii, aby pomóc Boeingowi w dążeniu do lotów naddźwiękowych”.

RAMJET i scramjet (naddźwiękowy silnik odrzutowy z komorą spalania) od dawna są na ustach fanów szybkiego lotnictwa. Obecnie rozwijane są głównie do celów wojskowych. Jednak, jak uczy historia lotnictwa, to, co sprawdzi się w wojsku, trafi do lotnictwa cywilnego. Wystarczy trochę cierpliwości.

Film o inteligentnym silniku Rolls Royce:

Rolls-Royce | Innowacje w IntelligentEngine