سریع تر، ساکت تر، تمیزتر - موتور هواپیمای جدید

به نظر می رسد که برای تغییر زیادی در حمل و نقل هوایی، نیازی نیست به دنبال ملخ های جدید، طرح های آینده نگرانه یا مواد فضایی باشید. کافی است از یک گیربکس مکانیکی نسبتا ساده استفاده کنید ...

این یکی از مهم ترین نوآوری های سال های اخیر است. موتورهای توربوفن دنده ای (GTF) به کمپرسور و فن اجازه می دهند تا با سرعت های مختلف بچرخند. دنده محرک فن با محور فن می چرخد ​​اما موتور فن را از کمپرسور و توربین کم فشار جدا می کند. فن با سرعت کمتری می چرخد، در حالی که کمپرسور و توربین فشار پایین با سرعت بالاتری کار می کنند. هر ماژول موتور می تواند با راندمان بهینه کار کند. پس از 20 سال هزینه تحقیق و توسعه و تحقیق و توسعه در حدود 1000 میلیارد دلار، خانواده توربوفن Pratt & Whitney PurePower PW2016G چند سال پیش عملیاتی شد و از سال XNUMX به طور گسترده در هواپیماهای تجاری معرفی شد.

موتورهای توربوفن مدرن نیروی رانش را به دو صورت تولید می کنند. ابتدا کمپرسورها و محفظه احتراق در هسته آن قرار دارند. در قسمت جلو یک فن قرار دارد که توسط هسته هدایت می شود و هوا را از طریق محفظه های بای پس اطراف هسته موتور هدایت می کند. نسبت بای پس نسبت مقدار هوای عبوری از هسته به مقدار هوای عبوری از آن است. به طور کلی، نسبت بای پس بالاتر به معنای موتورهای ساکت تر، کارآمدتر و قدرتمندتر است. توربوفن های معمولی دارای نسبت بای پس 9 به 1 هستند. موتورهای Pratt PurePower GTF دارای نسبت بای پس 12 به 1 هستند.

برای افزایش نسبت بای پس، سازندگان موتور باید طول پره های فن را افزایش دهند. با این حال، هنگامی که کشیده می شود، سرعت چرخش به دست آمده در انتهای تیغه آنقدر زیاد خواهد بود که ارتعاشات ناخواسته ایجاد می شود. برای کاهش سرعت به پره های فن نیاز دارید و گیربکس هم برای همین است. به گفته پرت اند ویتنی، چنین موتوری می تواند به 16 درصد برسد. مصرف سوخت عالی و 50 درصد آلایندگی اگزوز کمتر و 75 درصد است. ساکت. اخیراً سوئیس و ایر بالتیک اعلام کردند که موتورهای جت سری C GTF آنها حتی کمتر از آنچه سازنده وعده داده سوخت مصرف می کنند.

موتور PW1100G-JM در خط تولید

مجله TIME موتور PW1000G را یکی از 50 اختراع مهم سال 2011 و یکی از شش اختراع دوستدار محیط زیست معرفی کرد، زیرا Pratt & Whitney PurePower به گونه ای طراحی شده است که تمیزتر، بی صداتر، قدرتمندتر و مصرف سوخت کمتری نسبت به موتورهای جت موجود داشته باشد. در سال 2016، ریچارد اندرسون، رئیس وقت خطوط هوایی دلتا، موتور را "اولین نوآوری واقعی" از زمانی که دریم لاینر بوئینگ انقلابی در ساخت کامپوزیت کرد، نامید.

صرفه جویی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای

بخش هوانوردی تجاری سالانه بیش از 700 میلیون تن دی اکسید کربن منتشر می کند. اگرچه فقط حدود 2 درصد است. انتشار جهانی دی اکسید کربن، شواهدی وجود دارد که نشان می دهد گازهای گلخانه ای موجود در سوخت جت تأثیر بیشتری بر جو دارند زیرا در ارتفاعات بالاتر منتشر می شوند.

سازندگان بزرگ موتور به دنبال صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش آلایندگی هستند. رقیب پرات، CFM International اخیراً موتور پیشرفته خود را به نام LEAP معرفی کرده است که به گفته مقامات شرکت، نتایج مشابهی را برای یک توربوفن دنده ای به قیمت سایر راه حل ها ارائه می دهد. CFM ادعا می کند که در معماری سنتی توربوفن، می توان به همان مزایا بدون اضافه وزن و کشش پیشرانه دست یافت. LEAP از مواد کامپوزیتی سبک و تیغه‌های فن فیبر کربنی برای دستیابی به پیشرفت‌هایی در بهره‌وری انرژی استفاده می‌کند که به گفته این شرکت، قابل مقایسه با موتور پرت اند ویتنی است.

تا به امروز، سفارشات موتورهای ایرباس برای A320neo تقریباً به طور مساوی بین CFM و Pratt & Whitney تقسیم شده است. متأسفانه برای شرکت اخیر، موتورهای PurePower مشکلاتی را برای کاربران ایجاد می کنند. اولین مورد در سال جاری ظاهر شد، زمانی که خنک شدن ناهموار موتورهای GTF در ایرباس A320neo قطر ایرویز ثبت شد. خنک کاری ناهموار می تواند منجر به تغییر شکل و اصطکاک قطعات شود و در عین حال زمان بین پروازها را افزایش دهد. در نتیجه، شرکت هواپیمایی به این نتیجه رسید که موتورها الزامات عملیاتی را برآورده نمی کنند. اندکی پس از آن، مقامات هوانوردی هند پروازهای 11 هواپیمای ایرباس A320neo با موتورهای PurePower GTF را به حالت تعلیق درآوردند. به گزارش اکونومیک تایمز، این تصمیم پس از آن اتخاذ شد که هواپیمای ایرباس GTF در طول دو هفته دچار سه نقص موتور شد. پرت اند ویتنی این مشکلات را کم اهمیت می داند و می گوید غلبه بر آنها آسان است.

فن الکترونیکی ایرباس

غول دیگری در زمینه موتورهای هواپیما، رولزرویس، در حال توسعه گیربکس پاور خود است که تا سال 2025 مصرف سوخت در توربوفن های بزرگ را تا 25 درصد کاهش می دهد. در مقایسه با مدل های قدیمی ترنت موتورهای شناخته شده. البته این به معنای رقابت جدید طراحی پرت اند ویتنی است.

بریتانیایی ها به انواع دیگر نوآوری نیز فکر می کنند. در جریان نمایشگاه هوایی اخیر سنگاپور، رولز رویس طرح IntelligentEngine Initiative را راه اندازی کرد که هدف آن توسعه موتورهای هواپیمای هوشمند است که از طریق توانایی برقراری ارتباط با یکدیگر و از طریق یک شبکه پشتیبانی، ایمن تر و کارآمدتر باشند. با برقراری ارتباط دو طرفه مستمر با موتور و سایر بخش‌های اکوسیستم خدمات، موتور قادر خواهد بود مشکلات را قبل از وقوع آنها حل کند و نحوه بهبود عملکرد را بیاموزد. آنها همچنین از تاریخچه کار خود و سایر موتورها درس می گرفتند و به طور کلی حتی باید در حال حرکت خود را تعمیر کنند.

درایو به باتری های بهتری نیاز دارد

چشم انداز هوانوردی کمیسیون اروپا برای سال 2050 خواستار کاهش انتشار CO است.₂ 75 درصد، اکسیدهای نیتروژن 90 درصد. و نویز 65 درصد با فناوری های موجود نمی توان به آنها دست یافت. پیشرانه های الکتریکی و هیبریدی-الکتریکی در حال حاضر به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین فناوری ها برای رویارویی با این چالش ها دیده می شوند.

هواپیماهای سبک برقی دو نفره در بازار وجود دارد. خودروهای برقی هیبریدی چهار صندلی در افق هستند. ناسا پیش بینی می کند که در اوایل دهه 20، این نوع هواپیمای مسافربری کوتاه 2030 صندلی، خدمات حمل و نقل هوایی را به جوامع کوچکتر بازگرداند. هم در اروپا و هم در ایالات متحده، دانشمندان بر این باورند که تا سال 100 امکان ساخت یک هواپیمای هیبریدی-الکتریکی با ظرفیت XNUMX صندلی وجود دارد. با این حال، پیشرفت قابل توجهی در زمینه ذخیره سازی انرژی مورد نیاز خواهد بود.

در حال حاضر، چگالی انرژی باتری ها به سادگی کافی نیست. با این حال، همه اینها می تواند تغییر کند. رئیس تسلا، ایلان ماسک، گفت که زمانی که باتری ها قادر به تولید 400 وات ساعت در هر کیلوگرم باشند و نسبت توان سلولی به وزن کل 0,7-0,8 باشد، هواپیمای برقی بین قاره ای به "جایگزین دشوار" تبدیل خواهد شد. با توجه به اینکه باتری‌های لیتیوم یونی توانستند در سال 113 به چگالی انرژی 1994 وات ساعت بر کیلوگرم، در سال 202 به 2004 وات ساعت بر کیلوگرم برسند و اکنون می‌توانند به حدود 300 وات ساعت بر کیلوگرم برسند، می‌توان فرض کرد که ظرف یک دهه آینده. به سطح 400 Wh/kg می رسد.

پروژه تاکسی هوایی دو نفره برقی کیتی هاوک

ایرباس، رولز رویس و زیمنس اخیراً برای توسعه نمایشگر پرنده E-Fan X شریک شدند که گام مهمی به جلو در پیشرانه هیبریدی-الکتریکی هواپیماهای تجاری خواهد بود. نمایش فناوری الکتریکی هیبریدی E-Fan X انتظار می‌رود -Fan X پس از یک کمپین گسترده آزمایش زمینی در سال 2020 پرواز خواهد کرد. در فاز اول، BAe 146 یکی از چهار موتور را با موتور الکتریکی XNUMX مگاواتی جایگزین خواهد کرد. متعاقباً برنامه ریزی شده است که پس از نشان دادن بلوغ سیستم، توربین دوم با موتور الکتریکی جایگزین شود.

ایرباس مسئولیت ادغام کلی و همچنین ساختار پیشرانه الکتریکی هیبریدی و کنترل باتری و ادغام آن با سیستم های کنترل پرواز را بر عهده خواهد داشت. رولزرویس مسئولیت موتور توربین گاز، ژنراتور XNUMX مگاواتی و الکترونیک قدرت را بر عهده خواهد داشت. رولزرویس به همراه ایرباس روی تطبیق فن ها با ناسل و موتور الکتریکی زیمنس کار خواهد کرد. زیمنس موتورهای الکتریکی XNUMX مگاواتی و کنترل کننده برق الکترونیکی و همچنین اینورتر، مبدل و سیستم توزیع برق را تامین خواهد کرد.

بسیاری از مراکز تحقیقاتی در سراسر جهان روی هواپیماهای الکتریکی کار می کنند، از جمله ناسا که در حال ساخت X-57 Maxwell است. پروژه تاکسی هوایی دو نفره برقی کیتی هاوک و بسیاری از ساختارهای دیگر مراکز بزرگ، شرکت ها یا استارت آپ های کوچک نیز در حال توسعه هستند.

با توجه به اینکه میانگین طول عمر هواپیماهای مسافربری و باری به ترتیب حدود 21 و 33 سال است، حتی اگر همه هواپیماهای جدید تولید شده فردا تماماً الکتریکی باشند، دو تا سه دهه طول می کشد تا هواپیماهای با سوخت فسیلی از بین بروند.

بنابراین به سرعت کار نخواهد کرد. در همین حال، سوخت های زیستی می تواند محیط زیست را در بخش هوانوردی سبک کند. آنها به کاهش انتشار دی اکسید کربن 36 تا 85 درصد کمک می کنند. علیرغم این واقعیت که ترکیب سوخت زیستی برای موتورهای جت در سال 2009 تأیید شد، صنعت هوانوردی عجله ای برای اعمال تغییرات ندارد. موانع و چالش‌های فن‌آوری کمی در ارتباط با رساندن تولید سوخت زیستی به سطوح صنعتی وجود دارد، اما عامل اصلی بازدارنده قیمت است - ده سال دیگر طول می‌کشد تا برابری با سوخت‌های فسیلی حاصل شود.

قدم به آینده

همزمان، آزمایشگاه‌ها روی مفاهیم آینده‌نگر موتور هواپیما کار می‌کنند. به عنوان مثال، تا کنون، یک موتور پلاسما چندان واقعی به نظر نمی رسد، اما نمی توان رد کرد که آثار علمی به چیزی جالب و مفید تبدیل شود. رانشگرهای پلاسما از الکتریسیته برای ایجاد میدان های الکترومغناطیسی استفاده می کنند. آنها گازی مانند هوا یا آرگون را فشرده و برانگیخته و به پلاسما تبدیل می کنند - حالتی داغ، متراکم و یونیزه. تحقیقات آنها اکنون به ایده پرتاب ماهواره در فضای بیرونی (پیش رانش یونی) منجر می شود. با این حال، Berkant Goeksel از دانشگاه فنی برلین و تیمش می‌خواهند رانشگرهای پلاسما را در هواپیماها نصب کنند.

هدف از این تحقیق توسعه یک موتور پلاسمای جت هوا است که می تواند هم برای برخاست و هم برای پرواز در ارتفاع بالا مورد استفاده قرار گیرد. جت‌های پلاسما معمولاً برای کار در فضای خلاء یا فشار کم که در آن گاز مورد نیاز است، طراحی می‌شوند. با این حال، تیم گوکسل دستگاهی را آزمایش کردند که قادر بود در هوا با فشار یک اتمسفر کار کند. گوکل در مجموعه کنفرانس های مجله فیزیک می گوید: "نازل های پلاسما ما می توانند به سرعت 20 کیلومتر در ثانیه برسند."

موتور SABER در خودروی مافوق صوت آینده

برای شروع، این تیم پیشران های مینیاتوری به طول 80 میلی متر را آزمایش کردند. برای یک هواپیمای کوچک، این تا هزار موردی است که تیم ممکن می‌داند. البته بزرگترین محدودیت، کمبود باتری های سبک وزن است. دانشمندان همچنین در حال بررسی هواپیماهای هیبریدی هستند که در آن یک موتور پلاسما با موتورهای احتراق داخلی یا موشک ترکیب می شود.

هنگامی که در مورد مفاهیم نوآورانه موتور جت صحبت می کنیم، بیایید SABRE (موتور موشکی تنفس کننده هوای هم افزایی) که توسط Reaction Engines Limited توسعه یافته است را فراموش نکنیم. فرض بر این است که این موتوری است که هم در جو و هم در خلاء کار می کند و با هیدروژن مایع کار می کند. در مرحله اولیه پرواز، اکسید کننده هوا از جو (مانند موتورهای جت معمولی) و از ارتفاع 26 کیلومتری (جایی که کشتی به سرعت 5 میلیون سال می رسد) - اکسیژن مایع خواهد بود. پس از تغییر به حالت موشک، سرعت آن تا 25 ماخ می رسد.

HorizonX، بازوی سرمایه گذاری بوئینگ که در این پروژه مشارکت دارد، هنوز تصمیم نگرفته است که SABER چگونه می تواند از آن استفاده کند، به جز اینکه انتظار دارد "از فناوری انقلابی برای کمک به بوئینگ در تلاش برای پرواز مافوق صوت استفاده کند."

RAMJET و scramjet (موتور جت مافوق صوت با محفظه احتراق) مدتهاست که بر لبان طرفداران هوانوردی پرسرعت بوده است. در حال حاضر، آنها عمدتا برای اهداف نظامی توسعه یافته اند. با این حال، همانطور که تاریخ هوانوردی نشان می دهد، آنچه در ارتش آزمایش می شود به هوانوردی غیرنظامی می رسد. تنها چیزی که لازم است کمی صبر است.

فیلم موتور هوشمند رولز رویس:

رولزرویس | نوآوری در IntelligentEngine