Hurtigere, roligere, renere - Ny flymotor

Det viser sig, at for at ændre meget i luftfarten, behøver du ikke lede efter nye propeller, futuristiske designs eller rummaterialer. Det er nok at bruge en relativt simpel mekanisk transmission ...

Dette er en af ​​de vigtigste nyskabelser i de senere år. Gearede turbofanmotorer (GTF) tillader kompressoren og blæseren at rotere med forskellige hastigheder. Ventilatordrevet roterer med ventilatorakslen, men adskiller ventilatormotoren fra lavtrykskompressoren og turbinen. Ventilatoren roterer med en langsommere hastighed, mens kompressoren og lavtryksturbinen kører med en højere hastighed. Hvert motormodul kan arbejde med optimal effektivitet. Efter 20 års R&D og R&D-udgifter på omkring 1000 milliarder dollars, var Pratt & Whitney PurePower PW2016G turbofan-familien operationel for et par år siden og er blevet massivt introduceret i kommercielle fly siden XNUMX.

Moderne turbofanmotorer genererer fremdrift på to måder. Først er kompressorerne og forbrændingskammeret placeret i dets kerne. Forrest er der en ventilator, som drevet af kernen leder luft gennem bypass-kamrene rundt om motorkernen. Bypass-forholdet er forholdet mellem mængden af ​​luft, der passerer gennem kernen, og mængden af ​​luft, der passerer gennem den. Generelt betyder et højere bypass-forhold mere støjsvage, mere effektive og mere kraftfulde motorer. Konventionelle turbofanmotorer har et bypass-forhold på 9 til 1. Pratt PurePower GTF-motorer har et bypass-forhold på 12 til 1.

For at øge bypass-forholdet skal motorfabrikanterne øge længden af ​​blæserbladene. Men når den er forlænget, vil de opnåede omdrejningshastigheder for enden af ​​bladet være så høje, at der vil opstå uønskede vibrationer. Du skal bruge blæserblade for at sænke farten, og det er det, gearkassen er til. Sådan en motor kan være helt op til 16 procent, ifølge Pratt & Whitney. stor brændstoføkonomi og 50 pct. mindre udstødningsemission og er 75 pct. rolige. For nylig annoncerede SWISS og Air Baltic, at deres GTF C-serie jetmotorer bruger endnu mindre brændstof, end producenten lover.

PW1100G-JM motor på produktionslinjen

TIME magazine udnævnte PW1000G-motoren til en af ​​de 50 vigtigste opfindelser i 2011 og en af ​​de seks mest miljøvenlige opfindelser, da Pratt & Whitney PurePower er designet til at være renere, mere støjsvag, mere kraftfuld og bruge mindre brændstof end eksisterende jetmotorer. I 2016 kaldte Richard Anderson, daværende præsident for Delta Air Lines, motoren "den første sande innovation", siden Boeings Dreamliner revolutionerede kompositkonstruktionen.

Besparelser og reduktion af emissioner

Den kommercielle luftfartssektor udleder mere end 700 millioner tons kuldioxid årligt. Selvom det kun er omkring 2 pct. globale kuldioxidemissioner, er der tegn på, at drivhusgasser i jetbrændstof har en større indvirkning på atmosfæren, da de frigives i højere højder.

Store motorproducenter søger at spare brændstof og reducere emissioner. Pratt-konkurrenten CFM International introducerede for nylig sin egen avancerede motor kaldet LEAP, som firmaets embedsmænd siger leverer lignende resultater som en gearet turbofan på bekostning af andre løsninger. CFM hævder, at i en traditionel turbofan-arkitektur kan de samme fordele opnås uden den ekstra vægt og modstand fra drivlinjen. LEAP bruger lette kompositmaterialer og kulfiberventilatorblade for at opnå energieffektivitetsforbedringer, som virksomheden siger, er sammenlignelige med dem, der opnås med Pratt & Whitney-motoren.

Til dato er ordrer på Airbus-motorer til A320neo nogenlunde ligeligt fordelt mellem CFM og Pratt & Whitney. Desværre for sidstnævnte firma forårsager PurePower-motorer problemer for brugerne. Den første dukkede op i år, da ujævn køling af GTF-motorer blev registreret i Qatar Airways Airbus A320neo. Ujævn afkøling kan føre til deformation og friktion af dele, og samtidig øge tiden mellem flyvninger. Som følge heraf konkluderede flyselskabet, at motorerne ikke opfyldte driftskravene. Kort efter suspenderede de indiske luftfartsmyndigheder flyvningerne af 11 Airbus A320neo-fly drevet af PurePower GTF-motorer. Ifølge Economic Times kom beslutningen, efter at Airbus GTF-drevne fly har lidt tre motorfejl i løbet af to uger. Pratt & Whitney bagatelliserer disse vanskeligheder og siger, at de er nemme at overkomme.

Airbus elektronisk blæser

En anden gigant inden for flymotorer, Rolls-Royce, er ved at udvikle sin egen Power Gearbox, som i 2025 vil reducere brændstofforbruget i store turbofans med 25 %. sammenlignet med ældre modeller af det velkendte Trent-motorprogram. Dette betyder selvfølgelig en ny Pratt & Whitney designkonkurrence.

Briterne tænker også på andre former for innovation. Under det nylige Singapore Airshow lancerede Rolls-Royce initiativet IntelligentEngine, som har til formål at udvikle intelligente flymotorer, der er sikrere og mere effektive gennem evnen til at kommunikere med hinanden og gennem et supportnetværk. Ved at levere kontinuerlig tovejskommunikation med motoren og andre dele af serviceøkosystemet vil motoren være i stand til at løse problemer, før de opstår, og lære at forbedre ydeevnen. De ville også lære af historien om deres arbejde og andre motorer, og i det store og hele skulle de endda reparere sig selv på farten.

Drive har brug for bedre batterier

Europa-Kommissionens luftfartsvision for 2050 opfordrer til en reduktion af CO-udledningen.₂ med 75 procent, nitrogenoxider med 90 procent. og støj med 65 procent. De kan ikke opnås med eksisterende teknologier. Elektriske og hybrid-elektriske fremdriftssystemer ses i øjeblikket som en af ​​de mest lovende teknologier til at imødegå disse udfordringer.

Der er to-sæders elektriske lette fly på markedet. Fire-sæders hybrid-elbiler er i horisonten. NASA forudser, at i begyndelsen af ​​20'erne vil denne type kortdistancefly med ni sæder bringe luftfartstjenester tilbage til mindre samfund. Både i Europa og i USA mener forskere, at det i 2030 er muligt at bygge et hybrid-elektrisk fly med en kapacitet på op til 100 sæder. Der vil dog være behov for betydelige fremskridt inden for energilagring.

I øjeblikket er batteriernes energitæthed simpelthen ikke nok. Alt dette kan dog ændre sig. Tesla-chef Elon Musk sagde, at når batterierne er i stand til at producere 400 watt-timer pr. kilogram, og forholdet mellem cellekraft og totalvægt er 0,7-0,8, vil det elektriske transkontinentale passagerfly blive et "vanskeligt alternativ." I betragtning af, at lithium-ion-batterier var i stand til at nå en energitæthed på 113 Wh/kg i 1994, 202 Wh/kg i 2004 og nu er i stand til at nå omkring 300 Wh/kg, kan det antages, at de inden for det næste årti vil nå niveauet 400 Wh/kg.

Kitty Hawk elektrisk to-sæders lufttaxiprojekt

Airbus, Rolls-Royce og Siemens gik for nylig sammen om at udvikle E-Fan X flyvende demonstrator, som vil være et væsentligt skridt fremad inden for kommercielle flys hybrid-elektrisk fremdrift. E-Fan X hybrid elektrisk teknologi demonstration forventes at blive -Fan X vil flyve i 2020 efter en omfattende jordtestkampagne. I første fase vil BAe 146 erstatte en af ​​de fire motorer med en XNUMX MW elmotor. Efterfølgende er det planlagt at udskifte den anden turbine med en elektrisk motor efter demonstration af systemets modenhed.

Airbus vil være ansvarlig for den overordnede integration samt hybrid elektrisk fremdrift og batteristyringsarkitektur og dens integration med flyvekontrolsystemer. Rolls-Royce bliver ansvarlig for gasturbinemotoren, XNUMX-megawatt generatoren og kraftelektronikken. Sammen med Airbus vil Rolls-Royce også arbejde på at tilpasse blæserne til den eksisterende Siemens nacelle og elmotor. Siemens vil levere XNUMX MW elektriske motorer og en elektronisk strømstyring samt en inverter, konverter og strømfordelingssystem.

Mange forskningscentre rundt om i verden arbejder på elektriske fly, herunder NASA, som bygger X-57 Maxwell. Kitty Hawks elektriske tosædede lufttaxiprojekt og mange andre strukturer i store centre, virksomheder eller små nystartede virksomheder er også under udvikling.

I betragtning af, at den gennemsnitlige levetid for passager- og fragtfly er henholdsvis omkring 21 og 33 år, selvom alle nye fly, der produceres i morgen, er helt elektriske, ville det tage to til tre årtier at udfase fossilt brændstofdrevne fly.

Så det virker ikke hurtigt. I mellemtiden kan biobrændstoffer lette miljøet i luftfartssektoren. De hjælper med at reducere udledningen af ​​kuldioxid med 36-85 procent. På trods af at biobrændstofblandinger til jetmotorer blev certificeret tilbage i 2009, har luftfartsindustrien ikke travlt med at gennemføre ændringer. Der er få teknologiske forhindringer og udfordringer forbundet med at bringe biobrændstofproduktionen til industrielt niveau, men den vigtigste afskrækkende faktor er prisen - det tager yderligere ti år at opnå paritet med fossile brændstoffer.

Træd ind i fremtiden

Samtidig arbejder laboratorierne på noget mere futuristiske flymotorkoncepter. Indtil videre lyder for eksempel en plasmamotor ikke særlig realistisk, men det kan ikke udelukkes, at videnskabelige værker udvikler sig til noget interessant og brugbart. Plasma-thrustere bruger elektricitet til at skabe elektromagnetiske felter. De komprimerer og exciterer en gas, såsom luft eller argon, til et plasma - en varm, tæt, ioniseret tilstand. Deres forskning fører nu til ideen om at opsende satellitter i det ydre rum (ion-thrustere). Men Berkant Goeksel fra det tekniske universitet i Berlin og hans team ønsker at sætte plasma thrustere på fly.

Formålet med undersøgelsen er at udvikle en luftjet-plasmamotor, der kan bruges til både start og højhøjdeflyvninger. Plasmastråler er typisk designet til at fungere i et vakuum eller lavtryksatmosfære, hvor en gasforsyning er påkrævet. Göksels team testede dog en enhed, der kunne fungere i luft ved et tryk på én atmosfære. "Vores plasmadyser kan nå hastigheder på op til 20 kilometer i sekundet," siger Göckel i konferenceserien Journal of Physics.

SABRE-motor i fremtidens hypersoniske køretøj

Til at begynde med testede holdet miniature thrustere 80 millimeter lange. For et lille fly vil dette være op til tusind af, hvad holdet anser for muligt. Den største begrænsning er selvfølgelig manglen på lette batterier. Forskerne overvejer også hybridfly, hvor en plasmamotor vil blive kombineret med forbrændingsmotorer eller raketter.

Når vi taler om innovative jetmotorkoncepter, så lad os ikke glemme SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) udviklet af Reaction Engines Limited. Det antages, at dette vil være en motor, der kører både i atmosfæren og i vakuum, og som kører på flydende brint. I den indledende fase af flyvningen vil oxidationsmidlet være luft fra atmosfæren (som i konventionelle jetmotorer) og fra en højde på 26 km (hvor skibet når en hastighed på 5 millioner år) - flydende ilt. Efter at have skiftet til rakettilstand vil den nå hastigheder på op til 25 Mach.

HorizonX, Boeings investeringsarm involveret i projektet, har endnu ikke besluttet, hvordan SABER kunne bruge det, bortset fra at det forventer at "bruge revolutionerende teknologi til at hjælpe Boeing i sin søgen efter supersonisk flyvning."

RAMJET og scramjet (supersonisk jetmotor med forbrændingskammer) har længe været på læberne hos fans af højhastighedsflyvning. I øjeblikket udvikles de hovedsageligt til militære formål. Men som luftfartens historie lærer, vil det, der vil blive testet i hæren, gå til civil luftfart. Alt det kræver er lidt tålmodighed.

Rolls Royce Intelligent Engine Video:

Rolls-Royce | Innovation i IntelligentEngine