Is een elektrisch vliegtuig een alternatief voor de moderne luchtvaart?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

De moderne gasturbinemotor (turbofan) die de voeringen aandrijft, is natuurlijk geen tweetaktratel voor tuingereedschap, maar een zeer efficiënte en zeer betrouwbare machine. Volgens vliegtuigfabrikanten zijn de reserves voor verdere verbetering echter bijna uitgeput.

Waarom zijn er motoren - alle vliegtuigen in aanbouw lijken zo op elkaar dat alleen een luchtvaartexpert Boeing of Airbus onmiddellijk kan onderscheiden van Bombardier of MS-21. En hoewel er niet de minste twijfel over bestaat dat moderne lijnvliegtuigen met twee gasturbinemotoren onder de vleugels ons tientallen jaren door de lucht zullen rollen, worden hoge verwachtingen van een nieuwe lay-out en nieuwe aerodynamica van vliegtuigen geassocieerd met elektrische voortstuwing.

Snel, maar niet voor lang

Tot voor kort werd de term "elektrisch vliegtuig" opgevat als een "meer elektrisch vliegtuig" - een vliegtuig met een vaste vleugel, waarbij de mechanische en hydraulische transmissies maximaal werden vervangen door de elektrische.

Geen leidingen en kabels meer - alle mechanische werkzaamheden, zoals het aandrijven van de roeren en het mechaniseren van de vleugel, worden uitgevoerd door kleine elektromotoren-actuatoren, die worden voorzien van stroom en een kanaal voor het stuursignaal. Nu heeft de term een nieuwe betekenis gekregen: een echt elektrisch vliegtuig moet zelf op elektrische tractie bewegen.

Natuurlijk zijn de vooruitzichten voor elektrische luchtvaart niet alleen (en niet eens zozeer) afhankelijk van vliegtuigontwerpers, maar ook van vooruitgang op het gebied van elektrotechniek. Vliegtuigen, zoals ze zeggen, "op batterijen" bestaan immers. Enkele decennia geleden werden er elektrische hulpmotoren op zweefvliegtuigen geïnstalleerd.

De Extra 330LE, die in 2016 voor het eerst vloog, vervoert al zweefvliegtuigen en vestigt snelheidsrecords. Maar dankzij het blok van 14 krachtige lithium-ionbatterijen en een elektromotor van Siemens kan deze baby slechts twee mensen aan boord nemen, inclusief de piloot, en niet langer dan 20 minuten in de lucht blijven.

Extra 330LE

Natuurlijk zijn er projecten met veel indrukwekkendere indicatoren. In september vorig jaar maakte de Britse low-cost luchtvaartmaatschappij EasyJet bekend dat ze over tien jaar een volledig elektrische regionale lijnvaartlijn (bereik van 540 km, wat best veel is voor intra-Europese vluchten) zal lanceren met een capaciteit van 180 passagiers.

De Amerikaanse startup Wright Electric, die al een tweezits vliegende demonstrator heeft gebouwd, is partner in het project geworden. Tegenwoordig is de energiedichtheid van de beste lithium-ionbatterijen echter meer dan een orde van grootte inferieur aan koolwaterstofbrandstoffen. Aangenomen wordt dat in 2030 batterijen hun prestaties maximaal twee keer zullen verbeteren.

Turbine, blijf

De situatie met brandstofcellen lijkt veel gunstiger, waarbij de chemische energie van de brandstof direct wordt omgezet in elektrische energie, waarbij het verbrandingsproces wordt omzeild.

Waterstof wordt beschouwd als de meest veelbelovende brandstof voor een dergelijke krachtbron. In verschillende landen van de wereld worden experimenten uitgevoerd met brandstofcellen als energiebron voor een elektrisch vliegtuig (in Rusland werkt CIAM voornamelijk aan projecten om dergelijke vliegtuigen te maken, en brandstofcellen voor hen worden gemaakt op de IPCP RAS onder de onder leiding van professor Yuri Dobrovolsky).

Van de vliegende en bemande concepten kan men zich de Europese demonstrator ENFIA-FC Rapid 200FC herinneren - hij gebruikte tegelijkertijd zowel elektrische batterijen als brandstofcellen. Maar deze technologie heeft ook aanzienlijke verbetering en aanvullend onderzoek nodig.

De meest realistische vooruitzichten voor vandaag lijken de vooruitzichten te zijn voor elektrische vliegtuigen gebouwd volgens het hybride schema. Dit betekent dat de propeller van het vliegtuig (propeller of propfan) wordt aangedreven door een elektromotor, maar elektriciteit krijgt van een generator die wordt rondgedraaid door een gasturbinemotor (of een andere verbrandingsmotor). Zo'n schema lijkt op het eerste gezicht vreemd: ze willen af van de GTE ten gunste van de elektromotor, maar gaan dit niet doen.

Er zijn al aardig wat hybride projecten in de wereld, maar we zijn vooral geïnteresseerd in Rusland. Werk aan een elektrisch vliegtuig, met name met een hybride schema, werd uitgevoerd in verschillende wetenschappelijke instituten van het luchtvaartprofiel, zoals TsAGI of TsIAM.

Tegenwoordig zijn deze en enkele andere instellingen verenigd (sinds 2014) onder auspiciën van het onderzoekscentrum "Instituut vernoemd naar N. Ye. Zhukovsky", ontworpen om één krachtig "brain trust" van de industrie te worden. De taak om alle werkzaamheden op het gebied van elektrische luchtvaart in het centrum te integreren, is toegewezen aan Sergei Galperin, die we al aan het begin van het artikel citeerden.

Opstijgen op batterijen

"De overgang naar elektromotoren in de luchtvaart biedt veel interessante perspectieven", zegt Sergei Halperin, "maar er is geen reden om te rekenen op de creatie van een commercieel elektrisch vliegtuig met een behoorlijk bereik voor Russische omstandigheden op puur chemische energiebronnen (batterijen of brandstofcellen) in de nabije toekomst: het energiepotentieel verschilt te veel een kilogram kerosine en een kilogram batterijen. Een hybride ontwerp zou een redelijk compromis kunnen zijn. Het moet duidelijk zijn dat een gasturbinemotor die direct stuwkracht creëert en een gasturbinemotor die de generatoras in beweging zet helemaal niet hetzelfde zijn.

Feit is dat de energiebehoefte van het vliegtuig tijdens de vlucht aanzienlijk verandert. Bij het opstijgen ontwikkelt de vliegtuigmotor een vermogen dat dicht bij zijn maximum ligt en tijdens het cruisen (dat wil zeggen, voor het grootste deel van de vlucht) wordt het energieverbruik van het vliegtuig 5-6 keer verminderd.

Een traditionele energiecentrale moet dus in een breed scala aan modi kunnen werken (niet altijd optimaal vanuit economisch oogpunt) en snel van de ene naar de andere kunnen overschakelen. Niets van dien aard is vereist van een gasturbinemotor in een hybride installatie. Het zal vergelijkbaar zijn met gasturbines van elektriciteitscentrales, die altijd in dezelfde, economisch meest voordelige modus werken. Ze werken al jaren zonder te stoppen."

Ce-liner

Met behulp van een generator zal de GTE zowel energie kunnen opwekken voor directe stroomvoorziening van elektromotoren als voor het aanleggen van een reserve in batterijen. Hulp bij het opstijgen is alleen nodig bij het opstijgen.

Maar aangezien de werking van elektromotoren in de startmodus slechts een paar minuten zal duren, zou de energiereserve niet erg groot moeten zijn en kunnen de batterijen aan boord behoorlijk acceptabel zijn qua grootte en gewicht. Tegelijkertijd zal de gasturbinemotor geen startregime hebben - het is zijn taak om stilletjes elektriciteit op te wekken.

Dus, in tegenstelling tot een vliegtuigmotor, zal een gasturbinemotor in een hybride elektrisch vliegtuig minder krachtig, betrouwbaarder en milieuvriendelijker zijn, eenvoudiger van ontwerp, wat betekent dat het goedkoper is en uiteindelijk over meer hulpbronnen zal beschikken.

Blazen op de vleugel

Tegelijkertijd opent de overgang naar elektromotoren perspectieven voor fundamentele innovaties in het ontwerp van burgervliegtuigen van de toekomst. Een van de meest besproken onderwerpen is de oprichting van gedistribueerde energiecentrales.

Tegenwoordig gaat de klassieke lay-out van de voering uit van twee punten van stuwkracht, dat wil zeggen twee, zelden vier, krachtige motoren die aan pylonen onder de vleugel hangen. In elektrische vliegtuigen wordt rekening gehouden met de lay-out van een groot aantal elektromotoren langs de vleugel, evenals aan de uiteinden. Waarom is dit nodig?

Het punt zit opnieuw in het verschil tussen de start- en cruise-modi. Bij het opstijgen met een lage snelheid van de invallende stroom heeft een vliegtuig een groot vleugeloppervlak nodig om lift te creëren. Op kruissnelheid zit de brede vleugel in de weg, waardoor er overmatige lift ontstaat.

Het probleem is opgelost dankzij complexe mechanisatie - intrekbare kleppen en lamellen. Kleinere vliegtuigen, die opstijgen vanaf kleine vliegvelden en daarvoor grote vleugels hebben, worden gedwongen te kruisen met een suboptimale invalshoek, wat leidt tot extra brandstofverbruik.

Maar als bij het opstijgen veel elektromotoren die op de propellers zijn aangesloten bovendien de vleugel zullen opblazen, hoeft deze niet te breed te worden gemaakt. Het vliegtuig zal met een korte start opstijgen en op het kruisgedeelte zal een smalle vleugel geen problemen opleveren. De auto wordt voortgetrokken door propellers die worden aangedreven door de voortstuwingsmotoren, en de propellers langs de vleugel worden in dit stadium voor de landing opgevouwen of ingetrokken.

Een voorbeeld is NASA's X-57 Maxwell-project. De conceptdemonstrator is uitgerust met 14 elektromotoren die langs de vleugel en op de vleugeltips zijn geplaatst. Ze werken allemaal alleen tijdens het opstijgen en landen. Op het vaargedeelte zijn alleen vleugeltipmotoren betrokken.

Een dergelijke plaatsing van motoren maakt het mogelijk om de negatieve invloed van wervelingen die op deze plaatsen ontstaan, te verminderen. Anderzijds blijkt de centrale complex te zijn, waardoor het onderhoud duurder is en de kans op storingen ook groter is. Over het algemeen hebben wetenschappers en ontwerpers iets om over na te denken.

X-57 Maxwell

Helpt vloeibare stikstof

“Een elektrisch vliegtuig biedt veel mogelijkheden voor optimalisatie”, zegt Sergei Halperin. - Je kunt experimenteren met bijvoorbeeld een combinatie van trek- en drukschroeven. Elektromotoren zijn veel voordeliger in vergelijking met gasturbinemotoren in convertiplanes, aangezien de veilige rotatie van de elektromotor naar een horizontale positie niet zo'n ingewikkeld technisch probleem vormt als in het geval van traditionele motoren.

In een elektrisch vliegtuig kunt u zorgen voor de volledige integratie van alle systemen, een nieuw besturingssysteem creëren. Zelfs hybride auto’s zullen minder geluid en uitstoot produceren.”

Net als batterijen nemen elektromotoren toe in massa, volume en warmteafvoer naarmate het vermogen toeneemt. Er zijn nieuwe technologieën nodig om ze krachtiger en lichter te maken.

Voor binnenlandse ontwikkelaars van hybride aandrijfsystemen was een echte doorbraak de samenwerking met het Russische bedrijf SuperOx, een van de vijf grootste leveranciers van materialen met hoge-temperatuur-supergeleiding (HTSC)-eigenschappen ter wereld. Nu ontwikkelt SuperOx elektromotoren met een stator van supergeleidende materialen (gekoeld met vloeibare stikstof).

Deze motoren met goede luchtvaarteigenschappen zullen de basis vormen van een hybride krachtcentrale voor een regionaal vliegtuig, dat halverwege het volgende decennium de lucht in kan. Dit jaar presenteerden CIAM-specialisten op de MAKS-vliegshow een demonstratiemodel van een dergelijke installatie met een vermogen van 10 kW. Het geplande vliegtuig zal worden uitgerust met een hybride krachtcentrale met elk twee 500 kW-motoren.

“Voordat we het hebben over een hybride elektrisch vliegtuig”, zegt Halperin, “moeten we onze installatie eerst op de grond testen en daarna in een vliegend laboratorium. We hopen dat het de Yak-40 wordt. In plaats van een radar kunnen we een HTSC-elektromotor van 500 kilowatt in de neus van de auto plaatsen.

We zullen een turbogenerator in de staart plaatsen in plaats van de centrale motor. De twee resterende Yak-motoren zullen voldoende zijn om ons geesteskind te testen in een breed scala aan hoogtes (tot 8000 m) en snelheden (tot 500 km / u). En ook als de hybride installatie uitvalt, kan het vliegtuig de vlucht veilig afmaken en landen. In 2019 wordt het demonstratielaboratorium ingericht volgens plan. De testcyclus is voorlopig gepland voor 2020.

Slimme luchten

Elektrische en hybride voortstuwing nemen een belangrijke plaats in in de plannen van 's werelds grootste vliegtuigbouwers. Zo zien de hoofdlijnen van de passagiersluchtvaart van het midden van deze eeuw eruit volgens het Smarter Skies-programma van de firma AIRBUS.

"Groene" vlucht

Het vliegtuig van de toekomst zal worden ontworpen om de voetafdruk van koolwaterstoffen in de atmosfeer te minimaliseren. Waterstofgasturbinemotoren, hybrides en volledig elektrische vliegtuigen op batterijen zullen aan populariteit winnen.

Aangenomen wordt dat de batterijen zullen worden opgeladen uit milieuvriendelijke bronnen van elektriciteit. Het verschijnen van grote windparken of zonne-energiecentrales in de omgeving van vliegvelden is mogelijk.

Vrijheid in de lucht

Intelligente voeringen zullen onafhankelijk routes uitzetten op basis van milieuvriendelijkheid en brandstofefficiëntieparameters op basis van de analyse van weers- en atmosferische gegevens. Ze zullen zich ook kunnen verzamelen in formaties zoals zwermen vogels, wat de luchtweerstand voor individuele vliegtuigen in de formatie zal verminderen en het energieverbruik voor de vlucht zal verminderen.

Liever vanaf de grond

Nieuwe voortstuwingssystemen en vliegtuigaerodynamica zullen hen in staat stellen langs een zo steil mogelijk traject op te stijgen om het geluid in het luchthavengebied te verminderen en zo snel mogelijk het kruisniveau te bereiken, waar het vliegtuig optimale economische kenmerken vertoont.

Landen zonder motor

De vliegtuigen van de toekomst zullen in een glijdende modus kunnen landen. Dit bespaart brandstof en vermindert het geluidsniveau in het luchthavengebied. Ook de landingssnelheid zal afnemen. Dit zal de lengte van de landingsbanen verkorten.

Geen uitlaat

Luchthavens van de toekomst zullen het gebruik van verbrandingsmotoren die brandstof verbranden volledig elimineren. Voor het taxiën worden de liners uitgerust met elektromotorwielen. Als alternatief - snelle onbemande elektrische tractoren, die vliegtuigen snel van het platform naar de startbaan kunnen brengen en vice versa.