Швидше, тихіше, чистіше новий авіаційний двигун

Виявляється, щоб багато змінити в авіації, не потрібно шукати нові гвинти, футуристичні конструкції або космічні матеріали. Достатньо використовувати відносно просту механічну трансмісію.

Це одне з найважливіших нововведень останніх років. Турбовентиляторні двигуни з редуктором (GTF) дозволяють компресору та вентилятору обертатися з різною швидкістю. Шестерня приводу вентилятора обертається разом із валом вентилятора, але відокремлює двигун вентилятора від компресора низького тиску та турбіни. Вентилятор обертається з меншою швидкістю, а компресор та турбіна низького тиску працюють із більшою швидкістю. Кожен модуль двигуна може працювати з оптимальною ефективністю. Після 20 років досліджень та розробок та витрат на дослідження та розробки близько 1000 мільярдів доларів сімейство ТРДД Pratt & Whitney PurePower PW2016G було готове до експлуатації кілька років тому і з XNUMX року масово впроваджується у комерційні літаки.

Сучасні турбовентиляторні двигуни створюють потяг двома способами. По-перше, компресори та камера згоряння розташовані в його ядрі. У передній частині знаходиться вентилятор, який, що приводиться в дію осердям, спрямовує повітря через перепускні камери навколо осердя двигуна. Коефіцієнт байпаса є відношенням кількості повітря, що проходить через серцевину, до кількості повітря, що пройшло через нього. В цілому, більш високий коефіцієнт двоконтурності означає тихі, ефективніші і потужніші двигуни. Звичайні турбовентиляторні двигуни мають коефіцієнт двоконтурності від 9 до 1. Двигуни Pratt PurePower GTF мають коефіцієнт двоконтурності від 12 до 1.

Щоб збільшити коефіцієнт байпасу, виробники двигунів повинні збільшити довжину лопат вентилятора. Однак при подовженні швидкості обертання, що отримується на кінці лопаті, будуть настільки високими, що виникнуть небажані вібрації. Вам потрібні лопаті вентилятора, щоб уповільнити швидкість, і для цього призначено коробку передач. За даними Pratt&Whitney, такий двигун може досягати 16 відсотків. велика економія палива та 50 відсотків. менше викидів вихлопних газів та становить на 75 відсотків. тихіше. Нещодавно SWISS і Air Baltic оголосили, що їх реактивні двигуни GTF C-серії споживають навіть менше палива, ніж обіцяє виробник.

Двигун PW1100G-JM на виробничій лінії

Журнал TIME назвав двигун PW1000G одним з 50 найважливіших винаходів 2011 року та одним із шести найбільш екологічних винаходів, оскільки Pratt & Whitney PurePower розроблений, щоб бути чистішим, тихішим, потужнішим і споживати менше палива, ніж існуючі реактивні двигуни. У 2016 році Річард Андерсон, тодішній президент Delta Air Lines, назвав двигун «першою справжньою інновацією» з того часу, як Dreamliner від Boeing зробив революцію у композитній конструкції.

Економія та зниження викидів

Сектор комерційної авіації щорічно викидає понад 700 мільйонів тонн вуглекислого газу. Хоча це лише близько 2 відсотків. Світові викиди вуглекислого газу є свідченням того, що парникові гази в реактивному паливі мають більший вплив на атмосферу, оскільки вони вивільняються на великих висотах.

Великі виробники двигунів прагнуть заощаджувати паливо та скорочувати викиди. Конкурент Pratt – компанія CFM International нещодавно представила свій власний удосконалений двигун під назвою LEAP, який, за словами офіційних осіб компанії, забезпечує аналогічні результати із турбовентилятором із редуктором за рахунок інших рішень. CFM стверджує, що і в традиційній архітектурі турбовентилятора ті ж переваги можуть бути досягнуті без додаткової ваги та опору трансмісії. LEAP використовує легкі композитні матеріали та лопаті вентилятора з вуглецевого волокна для досягнення підвищення енергоефективності, яке, за словами компанії, можна порівняти з тим, що було досягнуто з двигуном Pratt & Whitney.

На сьогоднішній день замовлення на двигуни Airbus для A320neo приблизно порівну розподілені між CFM та Pratt & Whitney. На жаль, для останньої компанії, двигуни PurePower викликають проблеми у користувачів. Перші з'явилися цього року, коли було зафіксовано нерівномірне охолодження двигунів GTF у Airbus A320neo авіакомпанії Qatar Airways. Нерівномірне охолодження може призвести до деформації та тертя деталей, а заразом збільшити час між польотами. В результаті авіакомпанія дійшла висновку, що двигуни не відповідають експлуатаційним вимогам. Незабаром після цього індійська авіаційна влада призупинила польоти 11 літаків Airbus A320neo з двигунами PurePower GTF. Як повідомляє Economic Times, таке рішення було ухвалено після того, як протягом двох тижнів у літаків Airbus із двигунами GTF тричі відмовили двигуни. Pratt & Whitney применшує значення цих труднощів, говорячи, що їх легко подолати.

Електронний вентилятор Airbusa

Ще один гігант у галузі авіадвигунів, компанія Rolls-Royce, розробляє власну коробку передач Power Gearbox, яка до 2025 року дозволить знизити витрати пального у великих ТРДД на 25%. у порівнянні зі старшими моделями відомої лінійки двигунів Trent. Це, звичайно, означає новий конкурс дизайну Pratt&Whitney.

Британці гадають і про інші види інновацій. Під час недавнього авіашоу в Сінгапурі компанія Rolls-Royce виступила з ініціативою IntelligentEngine, метою якої є розробка інтелектуальних авіаційних двигунів, які будуть безпечнішими та ефективнішими завдяки можливості спілкуватися один з одним та через мережу технічної підтримки. Забезпечуючи безперервний двосторонній зв'язок з двигуном та іншими частинами сервісної екосистеми, двигун зможе вирішувати проблеми до їх виникнення і вчитися підвищувати продуктивність. Їм би теж повчитися на історії їхньої роботи та інших двигунів, а за великим рахунком їм навіть довелося б ремонтувати себе на ходу.

Електроприводу потрібні якісніші батареї

Авіаційне бачення Європейської комісії до 2050 року свідчить про скорочення викидів CO.₂ на 75 відсотків, оксидів азоту на 90 відсотків. та шум на 65 відсотків. Вони не можуть бути досягнуті за допомогою існуючих технологій. Електричні та гібридно-електричні силові установки в даний час розглядаються як одна з найбільш перспективних технологій для вирішення цих завдань.

На ринку є двомісні електричні легкі літаки. Чотирьохмісні гібридно-електричні машини вже на горизонті. НАСА прогнозує, що на початку 20-х років близькомагістральні дев'ятимісні авіалайнери цього типу повернуть авіаційні послуги до невеликих спільнот. І в Європі, і в США вчені вважають, що до 2030 можна побудувати гібридно-електричний літак місткістю до 100 місць. Проте значний прогрес знадобиться у сфері зберігання енергії.

В даний час щільність енергії акумуляторів просто не вистачає. Проте це може змінитися. Бос Tesla Ілон Маск сказав, що як тільки батареї будуть здатні виробляти 400 ват-годин на кілограм, а відношення потужності елемента до загальної ваги становитиме 0,7-0,8, електричний трансконтинентальний авіалайнер стане складною альтернативою. Враховуючи, що літій-іонні акумулятори змогли досягти щільності енергії 113 Втч/кг у 1994 р., 202 Втч/кг у 2004 р., а зараз здатні досягти близько 300 Втч/кг, можна припустити, що протягом наступного десятиліття вони досягнуть 400 Втч/кг.

Проект електричного двомісного аеротаксі Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce та Siemens нещодавно уклали партнерську угоду з розробки літаючого демонстратора E-Fan X, який стане значним кроком уперед у гібридно-електричній силовій установці для комерційних літаків. Очікується демонстрація гібридної електричної технології E-Fan X. щоб бути -Fan X полетить у 2020 році після всебічної кампанії з наземних випробувань. На першому етапі BAe 146 замінить один із чотирьох двигунів двомегаватним електродвигуном. Згодом планується замінити другу турбіну на електродвигун після демонстрації зрілості системи.

Airbus відповідатиме за загальну інтеграцію, а також за архітектуру управління гібридною електричною силовою установкою та батареями, а також за її інтеграцію із системами управління польотом. Rolls-Royce відповідатиме за газотурбінний двигун, двомегаватний генератор та силову електроніку. Разом з Airbus Rolls-Royce також працюватиме над адаптацією вентиляторів до існуючої гондоли Siemens та електродвигуна. Siemens поставить двомегаватні електродвигуни та електронний регулятор потужності, а також інвертор, перетворювач та систему розподілу електроенергії.

Багато дослідних центрів по всьому світу працюють над створенням електричних літаків, у тому числі NASA, яке будує X-57 Maxwell. Також розробляється проект електричного двомісного аеротаксі Kitty Hawk та багатьох інших структур великих центрів, компаній чи невеликих стартапів.

Враховуючи, що середній термін служби пасажирських та вантажних літаків становить близько 21 та 33 років відповідно, навіть якщо всі нові літаки, які будуть вироблятися завтра, будуть повністю електричними, потрібно від двох до трьох десятиліть, щоб відмовитися від літаків, що працюють на викопному паливі.

Тож швидко не вийде. Тим часом біопаливо може полегшити довкілля в авіаційному секторі. Вони сприяють зниженню викидів вуглекислого газу на 36-85 відсотків. Незважаючи на те, що біопаливні суміші для реактивних двигунів були сертифіковані ще у 2009 році, авіапром не поспішає запроваджувати зміни. Технологічних перешкод та проблем, пов'язаних із доведенням виробництва біопалива до промислового рівня, небагато, але головним стримуючим фактором є ціна — для досягнення рівності з викопним паливом потрібно ще десять років.

Крок у майбутнє

У той же час лабораторії працюють над більш футуристичними концепціями авіаційних двигунів. Поки що, наприклад, плазмовий двигун звучить не дуже реально, але не можна виключати, що наукові праці переростуть у щось цікаве та корисне. Плазмові двигуни використовують електроенергію для створення електромагнітних полів. Вони стискають і збуджують газ, наприклад повітря або аргон, у плазму – гарячий, щільний, іонізований стан. Їхні дослідження тепер призводять до ідеї запуску супутників у космічному просторі (іонні двигуни). Проте Беркант Гексель із Берлінського технічного університету та його команда хочуть встановити плазмові двигуни на літаки.

Завдання дослідження полягає в тому, щоб розробити повітряно-реактивний плазмовий двигун, який можна було використовувати як для зльоту, так і для висотних польотів. Плазмові реактивні двигуни призначені для роботи у вакуумі або атмосфері низького тиску, де потрібна подача газу. Проте команда Гьокселя випробувала пристрій, здатний працювати на повітрі при тиску в одну атмосферу. "Наші плазмові сопла можуть розвивати швидкість до 20 кілометрів на секунду", - говорить Гексель у серії конференцій Journal of Physics.

Двигун SABRE у гіперзвуковому транспортному засобі майбутнього

Для початку команда випробувала мініатюрні пристрої, що підрулюють, довжиною 80 міліметрів. Для невеликого літака це буде до тисячі від того, що команда вважає за можливе. Найбільшим обмеженням, звичайно, є відсутність легких акумуляторів. Вчені також розглядають гібридні літаки, в яких плазмовий двигун поєднуватиметься з двигунами внутрішнього згоряння або ракетами.

Коли ми говоримо про інноваційні концепції реактивних двигунів, не можна забувати про двигун SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), розроблений Reaction Engines Limited. Передбачається, що це буде двигун, який працює як в атмосфері, так і у вакуумі, що працює на рідкому водні. На початковому етапі польоту окислювачем буде повітря з атмосфери (як у звичайних реактивних двигунах), а з висоти 26 км (де корабель досягає швидкості 5 млн. років) - рідкий кисень. Після переходу в ракетний режим він розвиватиме швидкість до 25 Маха.

HorizonX, інвестиційний підрозділ Boeing, що бере участь у проекті, ще не визначилося, як SABRE може його використовувати, за винятком того, що він розраховує "використовувати революційну технологію, щоб допомогти Boeing у його прагненні до надзвукового польоту".

ПВРД та ГПВРД (надзвуковий реактивний двигун з камерою згоряння) вже давно на вустах любителів швидкісної авіації. Нині вони розробляються переважно для військових цілей. Проте, як вчить історія авіації, те, що буде перевірено в армії, то й йтиме у цивільну авіацію. Все, що потрібно, це трохи терпіння.

Відеоролик про інтелектуальний двигун Rolls Royce:

Rolls-Royce | Інновації в IntelligentEngine