Электрические двигатели в воздухе появятся так же, как появились на земле – сначала аккумуляторы будут использоваться в помощь двигателю, сжигающему топливо
31 мая 2018 года электросамолёт Magnus eFusion с двигателем Siemens разбился в Венгрии. Его пилот Януш Б., упомянутый в статье, и пассажир погибли. Siemens работает с местными властями над расследованием причин происшествия.
Я сижу в кабине одного из самых удивительных самолётов в мире. Это двухместный лёгкий самолёт eFusion, произведённый компанией Magnus Aircraft, оснащённый мотором от Siemens – огромной компании, знаменитой не своим вкладом в авиацию. Я убираю свои ступни от педалей управления как раз перед тем, как пилот включает свою машину.
Воздушный винт мгновенно начинает крутиться и становится почти не виден. Но при этом стоит такая тишина, что мы легко можем общаться без гарнитур. Это первый признак того, что самолёт питается электричеством.
Мы начинаем катиться по небольшой взлётной полосе на заросшем травой поле Будапешта. 10 утра, солнечное небо, вдалеке видны фермы. Внезапно мы подпрыгиваем в небо и начинаем круто карабкаться вверх, фермерские домики умильно сжимаются. Коровы внизу даже не смотрят вверх. Это быстрое ускорение, авиационный эквивалент режима работы Ludicrous автомобиля Tesla Model S – ещё один признак электродвигателя. Вы получаете все возможности мотора, и сразу.
Затем мы ныряем, отклоняемся в сторону и поднимаемся снова, оставляя где-то позади мой желудок. Неплохо для простого самолёта, способного на немногие фигуры высшего пилотажа, как описал его мне Гергель Джорджи Балаш [Gergely Gyorgy Balazs], глава будапештского исследовательского офиса Siemens, будто бы извиняясь, перед тем, как я забрался в самолёт. К счастью для меня, пилот модели, способной на все фигуры высшего пилотажа, был в отъезде по делам.
После 15 бодрящих минут аккумуляторы сели наполовину, до значения менее 10 кВт*ч, и уже настала пора приземляться. Это последний признак электрического двигателя. Хотя сегодня литий-ионные батареи, стойки с которыми упрятаны в корпус перед кабиной, хранят гораздо больше энергии, чем они могли всего несколько лет назад, они и близко не подбираются к баку бензина. Так что в ближайшие годы возможности всех электросамолётов будут ограничены короткими прыжками, в основном между соседними населёнными пунктами, а не между городами.
Авиация отвечает за 2-3% общемирового выброса парниковых газов. Но её эффективность на единицу объёма считается очень высокой, поскольку довольно много газов выбрасывается в стратосфере. Ожидается, что доля авиации в выбросах будет быстро расти в следующие пару десятилетий, с увеличением количества полётов и уменьшением выбросов из других источников – в частности, от генерации электричества и автомобилей.
В 2016 году 23 страны подписали соглашение об ограничении выбросов углерода, совершаемых воздушными судами, которое должно начаться в 2020, согласно стандартам, разработанным Международной организацией гражданской авиации, ИКАО (ICAO — International Civil Aviation Organization), агентством ООН. Поэтому исследователи всего мира работают над поисками способов удовлетворить этим ограничениям.
Но чем могут помочь электросамолёты, ограниченные до смешного малым расстоянием? Их считают критическим шагом технологической эволюции в авиации, которая повторит миграцию, начинающуюся только сейчас, автомобильной индустрии от двигателей внутреннего сгорания к электромоторам. Лет через 15 гибридные пассажирские самолёты, комбинирующие электричество и горючее, возможно, начнут работать на коротких и средних перелётах. Гибриды будут сжигать горючее, но делать это экономно.
Концепт Blue Sky. Способная на фигуры высшего пилотажа версия Extra 330LE, лёгкого самолёта, модифицированного компанией Siemens для работы от электричества. На ранних испытаниях конца 2016 года он установил рекорд высоты электрополётов, забравшись на 3000 метров за 4 минуты 22 секунды.
«Мы можем серьёзно изменить ситуацию на масштабах малых тренировочных самолётов, питающихся электричеством, поскольку там физика не работает против нас», — говорит Джордж Бай, директор Bye Aerospace, совместно с Siemens поставляющий электрические тренировочные самолёты. «Но для увеличения скоростей и масс, требующихся для лайнеров, необходимо переходить на гибридную установку. Индустрия активно работает над этим».
Пока что гибриды нужны потому, что, хотя авиационное горючее даёт 12 500 Вт*ч энергии на килограмм, литий-ионные батареи дают всего лишь 160 Вт*ч/кг, учитывая вес батарей и всего остального оборудования, обеспечивающего их безопасность.
Для поднятия гибридов в воздух потребуется множество технологических прорывов. Они, естественно, появятся в результате работы программ по исследованиям и разработке. Но также они появятся и благодаря попыткам, таким, какую делает Siemens, ввести в строй электрические тренировочные самолёты, и, что, вероятно, наиболее важно – попыткам создать индустрию городских авиатакси в чём-то вроде дронов-переростков. Сама Siemens работает с Airbus Helicopters над одним из таких полностью электрических проектов, CityAirbus. Параллельно Airbus работает над проектом Vahana, который разрабатывает его филиал в Кремниевой долине. Есть и множество других стартапов, включая китайский Ehang, первые демонстрации пассажирских полётов у которого прошли в этом году, когда инженера унёс в небо октокоптер компании.
В авиации большинство гибридов основано на последовательной архитектуре, в которой двигатель, сжигающий топливо – либо ДВС, либо турбина – питает генератор, питающий электромоторы, вращающие винты и заряжающие батарей. В такой схеме аккумуляторы обеспечивают краткосрочные всплески энергии, необходимые для взлёта, что позволяет техникам подстроить сжигающие топливо двигатели так, чтобы они работали на идеальных скоростях. Массивные реактивные двигатели, свисающие с крыльев вашего самолёта, работают на полную мощность только во время взлёта; всё остальное время они, грубо говоря, работают вхолостую и лишь увеличивают вес самолёта.
Есть и другие преимущества. Раздавая питание по проводу, при гибридном дизайне можно расположить винты ровно там, где нужно, не обустраивая всё, исходя только из местоположения огромных двигателей. Некоторые гибридные схемы пробуют располагать винты сзади самолёта или даже на вертикальном стабилизаторе.
Над гибридами работают два основных консорциума. В Европе Airbus скооперировался с Siemens и Rolls-Royce в альянсе, отдельном от проекта CityAirbus. В США Boeing и JetBlue являются частью конкурирующего проекта, управляемого стартапом Zunum Aero, расположенном в Киркланде, Вашингтон. Оба консорциума рассчитывают поднять гибриды в воздух к началу 2020-х.
Airbus планирует начать с изменённой версии существующего самолёта, British Aerospace 146 на 100 сидений, у которого одна из четырёх гондол на крыльях будет держать не двигатель, а двухмегаваттный электромотор. Он будет получать энергию от генератора, вращаемого небольшой газовой турбиной, расположенной в фюзеляже (благодаря чему она не испытывает сопротивления воздуха). Если электрическая система отказывает, самолёт сможет лететь на трёх винтах, движимых обычными моторами. Airbus готовит гибрид к демонстрации на следующей Международной Парижской авиавыставке.
Консорциум США практически ничего не сообщил о своих планах. В августе 2017 GE Aviation выдала описание концепции и огромной работы, которая, как она утверждает, проводится над созданием гибридных генераторов. В одном из наземных экспериментов GE Aviation использовала мотор мощностью в 1 МВт для вращения винта диаметром 3,3 м. В другом она использовала компрессор с двигателя GE F110 для питания генератора на 1 МВт, при этом двигатель продолжал выдавать тягу.
Батарейки вставлять сюда: этот Magnus eFusion покатал пилота Януша Б. и автора статьи в манёврах над полем близ Будапешта.
Хотя информации по работе обоих консорциумов крайне мало, из интервью явно следует, что они концентрируются на улучшениях в четырёх технологических категориях: ёмкость аккумуляторов, вес мотора и генератора, эффективность питающей электроники, материалы и дизайн рамы. В Европейском консорциуме Siemens занимается мотором, генератором и электроникой. Кроме этого компания модифицировала несколько малых самолётов, создав полностью электрические модели, считая, что по-настоящему оптимизировать все части можно, лишь используя их все вместе на самолёте.
«Мы приобретаем опыт использования всей системы электрической силовой установки, всего, что находится между пилотом и винтом», — говорит Фрэнк Энтон, глава департамента eAircraft компании Siemens. «Единственный способ обучиться этому – отправлять технологии в полёт».
Электромоторы могут быть относительно маленькими и лёгкими, что открывает много возможностей. Можно установить кучу малых винтов на крыльях, и поворачивать их для облегчения взлёта. НАСА даже изучает схему с кучей маленьких винтов, размещенных по всей длине крыла, которые нужным образом направляют поток воздуха по поверхности, и увеличивают отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению. В результате крылья можно делать короче и тоньше.
«Отделите генерацию от двигателя, — говорит Энтон, — и внезапно у вас появляется куча разных возможностей векторизации тяги».
Ключевая задача уменьшения веса электрической силовой установки зависит от двух вещей. Первое – необходимо повышать энергетическую плотность аккумуляторов, которая будет расти плавно, по крайней мере, пока современные литий-ионные аккумуляторы не уступят место совершенно новой технологии, вроде железо-воздушных аккумуляторов. Во-вторых, энергетическая плотность системы из мотора и генератора также должна расти. Это дело Siemens.
В носу самолёта от Siemens, способного на выполнение фигур высшего пилотажа, сидит их авиамотор SP260D, который при весе 50 кг и мощности в 260 КВт имеет удивительное соотношение КВт/кг в 5,2. У другого самолёта, не способного на все фигуры высшего пилотажа, мотор имеет то же соотношение, правда, его размер в полтора раза больше. Впервые Extra летал перед публикой в 2016 году в Германии. В 2017 он установил рекорд для электрических полётов, преодолев планку скорости в 340 км/ч. Инженеры Siemens активно работают над дальнейшим увеличением энергетической плотности мотора.
В исследовательском центре в Будапеште Балаш подводит меня к верстаку в лаборатории и вручает мне часть мотора, разрезанную пополам. Это часть статора – неподвижной части, вокруг которой вращается ротор – и в её разрезе видно перпендикулярные сечения медной обмотки, совпадающие друг с другом, как кирпичики. Такая прямолинейность – ключевой метод достижения высоких уровней энергии. Она не оставляет воздушной прослойки, которая могла бы помешать отводить тепло от проводов к корпусу с жидкостным охлаждением. Это тепло необходимо отводить от изоляции проводов, или она расплавится и произойдёт замыкание.
«Нам нужен более гомогенный теплообмен, который может обеспечить круглый провод, а ещё мы надеемся на улучшение электрической изоляции – всё это имеет значение для авиационного мотора», — заявляет Балаш. Siemens специально заказывает этот кабель у Furukawa Electric Co., японского поставщика.
Здесь инженеры осуществляют повседневные исследования, срезая лишний вес грамм за граммом. Такой трудоёмкий подход делает эти сделанные вручную «драгоценные камни» дороже любого Rolex. Когда я поднимаю запчасть, чтобы оценить её вес, Балаш ощутимо вздрагивает. Я осторожно кладу её обратно.
Он говорит, что через несколько лет тысячи этих моторов будут изготавливаться ежегодно для использования в воздушных такси, которые, как предсказывает Siemens и все его конкуренты по области, заполонят наши города на манер саранчи. Именно тогда стоимость производства моторов упадёт, возможно, даже ниже стоимости сравнимых сегодняшних ДВС, состоящих из сотен частей и осуществляющих бесчисленное количество сложных механических взаимодействий.
Но работа по устранению лишнего веса грамм за граммом в итоге уступает место революционным улучшениям. Одно из таких случилось в начале 1980-х, когда General Motors и Sumitomo Special Metals независимо представили сверхмощные неодимовые магниты в моторах. Следующая революция будет связана с электромагнитами, обмотка которых будет состоять из сверхпроводящих проводов.
С такой обмоткой мотор-генератор практически не будет терять энергии в виде паразитного тепла – но эту мечту удастся осуществить только после появления высокотемпературных сверхпроводников. Сейчас керамические материалы достигают сверхпроводимости при температурах в -135 °C, что на 100 °C теплее изначальных металлических. Так что, вместо охлаждения проводов жидким гелием, не сильно превышающим абсолютный ноль, дизайнеры могут полагаться на жидкий азот.
Siemens работает над этой концепцией почти два десятилетия. Изначально компания планировала помещать сверхпроводящие моторы на морские суда, где пространство и вес особо важны. И всё равно, текущая версия их двигателя (используемого в качестве генератора) – это такой шкаф, по высоте больше роста человека. Поэтому инженеры компании занимаются его миниатюризацией для использования в авиации. Цель плотности мощности – 10 Вт на грамм. Siemens не показала мне этих разработок – только изображение большей машины с охлаждением, и диаграммой будущей авиационной версии.
Другие компании тоже нацеливаются на это. GE Aviation работает над моторами с криогенным охлаждением для НАСА, но подробностей не разглашает. Все эти компании играют в молчанку; возможно, не хотят раскрывать карт, или же им просто нечего пока показать. В любом случае, НАСА оценивает, что пассажирские самолёты с криогенными системами мощностью от 30 ВМт не появятся по крайней мере до середины 2030-х.
Чтобы сполна воспользоваться преимуществами сверхпроводящего мотора – и генератора, в гибридной системе – необходимо создать и сверхпроводящие инверторы. НАСА работает с GE над производством такого, способного работать с 19 кВт/кг с эффективностью в 99%.
Интегрирование мотора в схему гибрида – вероятно, используя газовую турбину для вращения генератора – пока ещё находится в процессе. Инженеры Siemens сначала моделируют всё в компьютере, в интерактивной симуляции, из которой мне показали лишь пару кадров на экране. Это была часть симуляции обычным образом охлаждаемой машины. «Это последовательный гибрид, и симуляция показывает нам распределение мощностей», — говорит Балаш.
В настоящее время газотурбинные установки в основном используются в качестве запасного питания для электросетей, где вес компонентов не имеет значения. Однако
множество современных военных самолётов берут электроэнергию от турбин, питаемых либо компрессорами реактивных двигателей, либо потоком воздуха.
Может показаться, что слишком много усилий тратится на то, чтобы сэкономить несколько килограмм – но тут имеет значение каждая мелочь. Килограмм, сэкономленный на весе мотора, даёт драгоценные лишние килограммы для аккумуляторов. Когда United Airlines недавно начала распечатывать свой журнал для пассажиров на бумаге, весящей меньше обычной, экономя по 28 грамм на номер, или примерно по 5 кг на полёт, то по расчётам это должно сэкономить компании по 640 000 литров топлива ежегодно, или $290 000.
Именно поэтому новые авиалайнеры, например Boeing 787, используют такое количество полимеров, усиленных углеродным волокном. То же делает и Magnus eFusion – чтобы выкатить самолёт из ангара, достаточно усилий одного человека.
Давайте же перенесёмся к конечному продукту. Он появится лет через десять, и авиалинии будут использовать настолько тихие гибридные самолёты, что они смогут летать ночью над городом. Благодаря вращающимся винтам, они смогут взлетать с более коротких полос, возможно, расположенных прямо в годе. Они будут экономить энергию за счёт эффективности и малого веса. Это значит, их обслуживание и владение будет стоить дешевле – у сегодняшних самолётов ситуация обратная, поскольку стоимость их обслуживания многократно превышает стоимость покупки.
Один подвох: в ближайшие лет десять простые гибриды будут лишь немного экологичнее обычных самолётов. Ощутимое улучшение наступит в результате экономии на масштабе, когда гибриды позволят индустрии перейти на полностью электрические самолёты, возможно, уже в 2030-х. «Гибридизация позволит нам экономить от 4% до 20% энергии, — говорит Отто Олаф, глава отдела продаж и бизнес-развития мюнхенского офиса Siemens. – Если мы полностью электрифицируем самолёт, экономия будет ещё больше».
Точно так же авиаперевозчики заинтересованы в уменьшении выбросов парниковых газов. «Инициатива Евросоюза Flight Path 2050 пытается уменьшить выбросы более чем в 2 раза, — говорит Энтон из Siemens, — но к тому времени пассажиропоток должен будет удвоиться, поэтому нам нужно по меньшей мере четырёхкратное улучшение».
Неясно, как именно получаются эти цифры. Легче всего сравнивать выбросы с пассажиро-милями. Честнее будет учитывать ожидаемый источник электричества, которое можно будет генерировать на земле и хранить в аккумуляторах для последующего использования в воздухе. В подсчётах также необходимо учесть, сколько энергии используется на изготовление аккумуляторов, моторов, сверхлёгких углеродно-композитных частей самолёта и всего остального.
Та же инициатива Евросоюза нацелена на уменьшение шума работы самолётов в два раза к 2050 году. Оказывается, что сейчас это наибольшая мотивация для авиаиндустрии. Для того, чтобы удовлетворить ограничениям на ночные полёты, авиаперевозчики иногда тратятся на работы по приглушению старых, громких самолётов.
«Большим сюрпризом стал момент, когда Siemens начала общаться с авиаперевозчиками, — говорит Энтон. – Я всегда считал, что тихая работа двигателей по приоритету располагается на третьем месте, после энергии и выбросов. А теперь это первостепенное дело».
Это будет не первая технология, успешно внедрённая по причинам, не связанным с глобальным потеплением. Люди покупают гибридный Prius, чтобы сэкономить на бензине; они покупают Tesla, чтобы обгонять Porsche. Авиаперевозчики будут покупать гибридные самолёты из-за их тихой работы, а уменьшение выбросов парниковых газов окажется практически побочным эффектом. Но оно всё равно будет.
RicoScrewdriver
Круто. Не слышал что бы большие компании делали попытку электрификации полетов. А вот один умелец собирал электросамолет из подручных материалов:
Arxitektor
Какая-то колоссальная разница. При этом еще и вес топлива уменьшается а это вообще чит ).
А как сжигать топливо выгоднее всего? Турбина или как-то хитро окислять с переводом сразу в электричество?
Или перейти на сжиженный газ? Для него вроде сделали топливные элементы.
nafgne
Ну да.
У той же теслы аккумулятор больше 500 кг весит, а проезжает она меньше, чем обычный автомобиль на 50 литрах, раза в два.
Ну и у самолёта двигатели несколько эффективнее, чем.
Igor_O
Хоть я и не очень большой фанат электромобилей, справедливость — превыше всего.
Тесла проезжает на одном заряде — под 500 км, что довольно заметно больше расстояния, которое может проехать примерно любой чисто бензиновый или дизельный автомобиль с разгоном меньше 4 с до сотни на 50 литрах бензина. Но да, дизельный мерс на 50 литрах соляры проезжает больше 1000 км. Но там разгон до сотни — под 10 секунд…
bagamut
BMW M550d может 850 км проехать на 50 литрах, и может 4,4 сек.
И стоит дешевле.
Igor_O
Я не зря указал разгон меньше 4 с. Когда 4.4 до сотни — таких много. А вот именно чтобы меньше 4 — это очень большая разница. Именно по этой причине Маск сначала выпустил спортивный родстер, потом заряженный седан и только после них начал делать «дешевые» автомобили. Ибо все, что есть с разгоном меньше 4 с — имеет меньший запас хода и/или стоит дороже.
bagamut
ну скажем Porsche 911 Turbo S и Nissan GT-R R35 тоже проезжают 500км на 50 литрах,
а могут в менее 3 сек, и стоят сравнимо
Igor_O
Формально да, у Порша 9.8 литров на сотню… Но в таком режиме и у Теслы пробег 539 км номинальный, супротив 510 у Порша… Да и Ниссан всего 467.7 км на 50 литрах, при этом до сотни — на 2 десятых дольше Теслы разгоняется. А еще Тесла — «большая машина», а это Порш с Ниссаном — субкомпакты…
Ну это я так…
(и да, про запас хода я чуть-чуть погорячился. Если смотреть номинальные цифры, то бак и у Порша, и у Ниссана — больше 70, кажется, литров. Если на них тошнить по трассе, то да, можно уехать больше 700 км на одной заправке… Но разгон до 100, все одно, у Теслы быстрее)
bagamut
только у самой дорогой Теслы)
Igor_O
Я зануда. Начальная цена самой дорогой Теслы модель S, P100D — 135 килобаксов. Начальная цена Порш 911 Турбо S — 188 килобаксов. Начальная цена Ниссана в версии Nismo (3.5 секунды до 100) — 175 килобаксов…
bagamut
а начальная цена McLaren 650S — 250к$, но у кого есть лишних 150к$ у того и 250 найдется, это игрушки для богатых)
semmaxim
Вот уж самый бесполезный показатель для обычного потребительского автомобиля — это «разгон для сотни». Для города достаточно 10 с.
Popadanec
Для города не то что бесполезный, а скорее даже опасный.
holy_desman
Зато мотор Теслы весит в 2-5 раз меньше ДВС (в зависимости от ДВС). Ну так, для справедливости.
yarric
Плюсом электродвигателей является то, что можно достичь КПД ~90%.
arheops
Толку то. 200ваттчас с кпд 90 или 10000ватчас с кпд 60%. Что выберете?
lingvo
Если сконцентрироваться на электричестве, то можно значительно повысить КПД той же турбины. По идее можно выжать до 60%.
Да — топливные ячейки на метаноле уже испытываются — вот прямо на прошлой неделе в ВУЗе недалеко запустили метаноловую топливную ячейку на 5кВт на транспортном средстве. Правда она на режим выходит за 40 минут, но то поправимо — сначала едем на батареях, по пути топливный элемент потихоньку разогревается и начинает их заряжать.
bagamut
КПД турбины хуже поршневого ДВС. 60% это КПД парогазовых электростанций, с утилизацией тепла выхлопа газовой турбины в паровой турбине. Преимущество турбин в удельной мощности на вес.
akardapolov
>> При этом еще и вес топлива уменьшается а это вообще чит ).
Солнечным днем в полете можно подзаряжать батареи, при наличии солнечных панелей.
bagamut
выше облаков любой день солнечный, но это не поможет ) с панелей можно несколько киловатт снять, а нужны мегаватты
pasetchnik
И весят эти панели немало.
General_Failure
Ещё добавлю: самолёты и по ночам тоже летают, когда хоть выше хоть ниже облаков — солнца примерно одинаково
С нынешними панелями, выходит, вообще на гибридном самолёте делать нечего — масса большая, толку мало да ещё и не всегда его можно получить
Popadanec
del
Igor_O
Ну если учесть, что Аирбас А320 имеет площадь поверхности около 550 м2, можно считать, что чуть меньше половины с солнечной стороны, то в полдень можно снимать с солнечных батарей что-то типа 250 кВт пиково. Другое дело, что самые легкие солнечные панели весят около 10 кг на м2, т.е. они, не считая силовой электроники и проводов, добавят 2500 кг к массе самолета. Т.е. минус 25 человек пассажиров…
Но, конечно, больше всего массы добавит система автоматического сброса загоревшихся аккумуляторов…
bagamut
это он со всех сторон имеет поверхность, а допустим крыло только 122, где имеет смысл панели ставить, много не снять
black_semargl
Ну вообще говоря сама панель — может быть толщиной 0.1 мм и менее, итого вес сотня-другая грамм на м2. А всё остальное идёт как фюзеляж, который всё равно надо.
bagamut
может то она может, но без механической защиты, и от непогоды, и на земле самолет может быть +50С, а на высоте -50С, суровые условия для тонких панелей
black_semargl
Просто должна быть не отдельная панель, а интегрированная в фюзеляж. Т.е. полупроводник наносить прямо на алюминий и сверху чем-то прозрачным красить
CAJAX
Где-то на Википедии есть таблица сравнения плотности энергии для разных энергоносителей. У обычного бензина эта плотность примерно в 10 раз выше литий-ионной батареи.
none7
И в чём смысл авиа-гибридов? За каждый грамм удерживаемый в воздухе приходится платить. Ещё предлагается пропускать всё энергию через тяжёлый генератор и неэффективный инвертор. Насколько я знаю, в больших самолётах сейчас стоит тот же газотурбинный двигатель подключенный к большому вентилятору через простейший редуктор. Рассчитаны они кстати именно на крейсерский режим, а взлётный это, что то вроде форсажа и из него следует выйти как можно скорее. Даже если следует снизить шум ценой массы, то стоит поставить смеситель воздуха между контурами и выпрямить турбулентные потоки. Результат тот же, а масса этой конструкции будет ниже чем у батареек+редуктора+генератора+электродвителя. Это конструкция так же немного повысит КПД, но им осознано пожертвовали ради снижения массы. Если хочется большое количество маленьких пропеллеров на одном двигателе, то можно протянуть коленвал вдоль крыла. Но если диаметр пропеллера хотя бы половина метра то эффективнее всё же независимая турбина. Изменяемый вектор тяги реализовать с электродвигателем ни чуть не проще ибо проблема в размере/массе крепления и гидравлике. Истребители не просто так предпочитают шевелить лишь соплом. Боинги тоже могут отвести часть воздуха второго контура на создание подъёмной силы, но опять же за всё придётся платить массой.
Увеличение вместимости аккумуляторов и создание стабильных сверхпроводников не более чем фантастика не поддающаяся точному предсказанию. С тем же успехом можно делать ставку на изобретение к 2050 году двигателей питающихся теплотой прокачиваемого воздуха. Для этого всего лишь нужен более эффективный тепловой насос, который можно прикрутить к стирлингу. Очевидно же, что к 2050 году и те и другие улучшаться в разы.
holy_desman
Аргументов за аэрогибрид несколько, но почти все они довольно шаткие, по правде сказать, революционным прорывом не назвать.
1. Можно сильно уменьшить размер двигателей, сделав их с расчётом на крейсерский полёт, а набор высоты обеспечивать бустом на аккумуляторах. (было в статье)
2. Электрическая трансмиссия надёжнее механической и даёт значительно больше свободы для компоновки. (было в статье). Свобода в компоновке позволяет создавать более эффективные профиля, это влияет на лётные качества и на экономичность.
3. Они тише. (было в статье). Для Европы это очень важно, там плотность заселения высокая.
4. Можно использовать ДВС механически значительно более простой и рассчитанный только на маршевые нагрузки, но не на взлётные. Электрический движитель сам по себе тоже имеет большую надёжность и ресурс. Следовательно — упрощается и удешевляется обслуживание. Ну, и есть некоторый шанс на экономию топлива. Хотя, рекуперации как у наземных видов транспорта ожидать не приходится. Вся экономия только за счёт оптимальных режимов работы.
5. Электричество из ВИЭ мы получать уже научились, вопрос только масштабирования, а вот биотопливо хорошо подходящее для самолётов промышленно синтезировать ещё не научились. Следовательно, на повестке — использовать электричество в воздушном транспорте без промежуточных операций. Когда научимся делать керосин из водорослей относительно недорого, моё мнение, про электродвигатели на самолётах моментально забудут — принципиально разная энергоёмкость.
6. Это модно. Электросамолёты и гибриды это модно. Производители получают хороший пиар.
7. Учёные и инженеры в отделах НИОКР развлекаются. Это важно для поддержания их в тонусе до того момента когда поступят серьёзные задачи. Ну и вообще, на этих прикладных задачках придумываются и обкатываются новые технологии.
Как по мне, синтезировать топливо для самолётов проще чем переводить их на электротягу. Но как пойдёт посмотрим.
А, ну ещё про выхлоп забыл. У самолётов выхлоп гигантский. Просто потому что объёмы топлива большие, а стопроцентного сгорания достичь невозможно, особенно на форсаже, и систем очистки выхлопа на самолёты не ставят, потому что масса.
none7
1. Вместо балласта двигателя тащить балласт аккумов, да и в них основной вес это вентилятор и его кожух. Его не будут уменьшать ни при каких обстоятельствах ибо КПД. И ещё, масса пары двигателей boeing-777 14 тонн, взлётная тяга 80000кгс, что 40-80Мвт мощности. Допустим мы отдадим электрике 10% = 1400кг, 4-8Мвт = 1400кг * 160вт*ч * 3600 = 806Мвт/с. То есть аккумулятор должен отдать всю свою энергию за 100-200 секунд. Достаточно аккурат на то, чтобы оторваться от земли на 100-300 метров. И это при нулевом выигрыше по массе. При неудачном ветре есть риск разбиться из за нехватки тяги, уже за это подобные эксперименты стоит запретить.
2. Если бы всё было так прекрасно с электрической трансмиссией, то в автомобили никто не ставил бы шестерёнки или ремни вариатора.
3. Основной шум это именно пропеллер, он даже громче свиста турбины, как снизить шум турбовентиляторов до уровня импеллеров я уже писал, это всё турбулентности первого контура.
4. В двухконтурных турбинах упрощать нечего, чем меньше турбина, тем меньше у неё КПД, второй контур не наращивают лишь потому, что за полосу цепляться будет.
5. Уже сейчас со всеми ухищрениями самолёты поднимают только в два раза больше своего веса. Если брать пример с теслы, то не взлетит вообще. Спирт кстати прекрасно подходит турбинам и имеет половину энергоёмкости керосина. Но это всё таки не сравнить с отставанием аккумуляторов.
lingvo
Вы не до конца расписали про надежность. Электродвигатель — он не просто надежнее, он намного надежнее топливного. А еще он требует гораздо меньше обслуживания.
Вы не представляете, сколько в самолетостроении тратится времени и средств, чтобы получить те заветные девятки после запятой по надежности. Те испытания, которые вы не видите, все то межполетное обслуживание, огромное количество диагностических и дублирующих систем — все это сделано для того, чтобы тот двигатель не взорвался, не загорелся, не выключился в нужный момент, не запустился в нужный момент, в нем не образовались трещины, не оторвались лопатки и прочее и прочее. В авиаиндустрии тратятся миллиарды на это.
Упрощение конструкции вследствие гибридизации и соответственное уменьшение расходов на достижение той же надежности — это тоже то, за чем гонятся все авиапроизводители.
Diordna
насколько я знаю компоновка определяется в общем аэродинамическим качеством летательного аппарата Например можно расположить в двигателе сзади у хвоста или над крыльями и всегда будут какие-то преимущества и недостатки Так что банальный переход на электродвигатель не позволит расположить сами двигатели абы где.
black_semargl
Современные электродвигатели и генераторы сильно полегчали, на килограмм мощности.
Плюс такая схема позволяет подключить к генератору лёгкую высокооборотную турбину а не поршневой ДВС, для лёгких самолётов это большой выигрыш.
Ну и отсутствие механического редуктора повышает безопасность, провода от прохода электронов не изнашиваются.
bagamut
Они как раз на малые самолеты предлагают только аккумуляторы ставить. КПД турбины ниже чем поршневого ДВС, КПД маленькой турбины еще хуже, а большая избыточна. Плюс потери на преобразование, получается выгоднее на ДВС летать.
Выгода от гибридной схемы только для больших самолетов.
black_semargl
Ну если бы турбина была так невыгодна — её бы на вертолёты не ставили.
Так что несмотря на недостатки суммарно оно лучше.
bagamut
Так она выгодна в смысле удельной мощности, даже небольшая турбина выдает огромную мощность, поршневой такой же мощности весил бы тонны. Для вертолета это важно. А на суда ставят судовой поршневой дизель. Потому что КПД выше, расход меньше, вес не важен.
Nidellor
КПД турбореактивного двигателя — порядка 30%. Чтобы его немного поднять, можно ввести промежуточное охлаждение между компрессорами низкого и высокого давления и промежуточный подогрев между турбинами. Это помогает приблизиться к циклу Карно и поднять КПД на несколько процентов. На земле сложный цикл делают часто, а вот в авиации не очень, т.к. рост КПД не перекрывает увеличение массы двигателя.
А вот использование комбинированной, например, парогазовой, установки позволяет поднять КПД до 60-65% (после двух турбин срабатывается не весь теплоперепад и температура газа достаточна для того, чтобы нагреть теплоноситель для другой, низкотемпературной, установки). Только на крыло такое не поставить — занимает слишком много места, да и масса большая. А во фюзеляже такое разместить можно. И такая распределённые установка уже может дать существенный выигрыш даже с учетом увеличения массы.
black_semargl
В принципе, при температуре за бортом в -50 вполне можно сделать эффективный радиатор для рабочего тела паровой турбины.
Alter2
Эффективность гибридов на дороге определяется прежде всего рекуперацией, а в авиации такого нет. Самолеты редко тормозят интерцепторами, потому что каждый пилот знает что это потери горючего. Просто снижают тягу и разменивают высоту на скорость, медленно снижаясь.
BlackMokona
Ещё кпд двигателя сильно лучше
Diordna
Была новость об электро колесе установленном На пассажирском Airbus которая разгонялась самолет на впп
tvr
И не в лотерею, а в преферанс, и не «Волгу», а червонец, и не выиграл, а проиграл.
Для рулёжки его там собирались использовать, емнип.
arheops
Пока видно улучшение только за счет подключения сверхвысокоборотистой турбины на малые самолеты без редуктора, но для этого надо научится делать легкие сверхоборотистые электрогенераторы. Очень уж отличаются массы топлива и агрегатов.
Смысл пихать аккумуляторы есть только развечто в планеры с их сверхбольшим крылом(для подьема на горизонт без разгонщика). Ито сомнительный ибо вес. Проще электробуксирный модуль.
bagamut
гибрид с турбиной и генератором они как раз на большие самолеты предлагают, на малые невыгодно
arheops
На большие еще больше не выгодно. Там в штатном(без форсажа) нет резерва тяги на выроботку электричества, а необходимые по мощности батареи весят как все пассажиры.
bagamut
Смысл гибрида в том, что в штатном режиме во время полета работает генератор, а на взлетной тяге подключаются батареи на короткое время. И генератора хватает, и много батарей не надо.
www.airbus.com/newsroom/press-releases/en/2017/11/airbus--rolls-royce--and-siemens-team-up-for-electric-future-par.html
arheops
В случае с самолетом генератор — даже турбинный — не эффективнее турбин. А взлетают они на форсаже. Тоесть не особо то им большая мощность на взлете и надо.
Гибрид имеет смысл на малых, которые взлетают и садятся постоянно.
Да, я в курсе про исследования. Но в ближайшее время это не станет на серийный самолет.
bagamut
Часто взлетают и садятся как раз магистральные и региональные самолеты, они все достаточно большие. В гражданской авиации нет никакого форсажа, есть взлетный режим и крейсерский, необходимая мощность различается раза в 3-4 раза. Одна турбина вместо 2х или 4х будет и дешевле и экономичнее. А взлетный режим за счет батареек.
arheops
В гражданской авиации взлетный режим неэкономичный. Двигатели расчитаны на эшелон. Тот же самы форсаж. Магистральный самолет взлетает 20 минут из средних 4 часов.
Меньше двух турбин не дадут ибо надежность.
Фигня в том, что вы не можете батарейки скинуть после взлета, а масса батареек нужных магистральному самолету на 200 мест уж сильно высока. И ее надо нести весь маршрут. Они даже топлива то берут впритык для экономии.
Региональные имеют смысл, да. Ну так это и есть малые самолеты.
bagamut
Двигатели рассчитаны на эшелон, а сделаны на взлетный, со всеми вытекающими. Плюс резерв на случай выхода из строя другого двигателя, самолет должен мочь продолжать полет на одном двигателе. Это надо таскать с собой всю эту массу. И топлива берут с расчетом ухода на запасной аэродром, а иногда туда и обратно, если цена топлива решает. Батарейки это и резерв мощности и резерв топлива.
Региональные весят по 50 тонн. Не относятся к малой авиации.
Diordna
Я люблю авиацию но мне кажется что она Скоро(10-20) начнет вымирать из-за сильной конкуренции высокоскоростных поездов наподобие хайперлуп. Дайте 600-700 км ч на маршруте для поезда и многие люди согласятся путешествовать на таких поездах.
black_semargl
Поезд требует трассы на земле, т.е. стоимость поездки возрастает пропорционально расстоянию. Самолёт же требует только аэропорта.
Количество же пассажиров обратно пропорционально дистанции поездки.
Поэтому для США вполне возможно будет гиперлуп вдоль побережий и самолёты через континент.