Lebih Pantas, Lebih Senyap, Lebih Bersih - Enjin Pesawat Baharu

Ternyata untuk mengubah banyak dalam penerbangan, anda tidak perlu mencari kipas baru, reka bentuk futuristik atau bahan angkasa. Ia cukup untuk menggunakan transmisi mekanikal yang agak mudah ...

Ini adalah salah satu inovasi paling penting dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Motor turbofan bergear (GTF) membenarkan pemampat dan kipas berputar pada kelajuan yang berbeza. Gear pemacu kipas berputar dengan aci kipas tetapi memisahkan motor kipas daripada pemampat tekanan rendah dan turbin. Kipas berputar pada kelajuan yang lebih perlahan, manakala pemampat dan turbin tekanan rendah beroperasi pada kelajuan yang lebih tinggi. Setiap modul enjin boleh beroperasi pada kecekapan optimum. Selepas 20 tahun R&D dan R&D membelanjakan sekitar $1000 bilion, keluarga turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G telah beroperasi beberapa tahun lalu dan telah diperkenalkan secara besar-besaran ke dalam pesawat komersial sejak XNUMX.

Enjin turbofan moden menghasilkan tujahan dalam dua cara. Pertama, pemampat dan kebuk pembakaran terletak pada terasnya. Di hadapan adalah kipas yang, didorong oleh teras, mengarahkan udara melalui ruang pintasan di sekeliling teras motor. Nisbah pintasan ialah nisbah jumlah udara yang melalui teras kepada jumlah udara yang melaluinya. Secara umum, nisbah pintasan yang lebih tinggi bermakna enjin yang lebih senyap, lebih cekap dan lebih berkuasa. Kipas turbo konvensional mempunyai nisbah pintasan 9 hingga 1. Enjin Pratt PurePower GTF mempunyai nisbah pintasan 12 hingga 1.

Untuk meningkatkan nisbah pintasan, pengeluar motor mesti menambah panjang bilah kipas. Walau bagaimanapun, apabila memanjang, kelajuan putaran yang diperoleh pada hujung bilah akan menjadi sangat tinggi sehingga getaran yang tidak diingini akan berlaku. Anda memerlukan bilah kipas untuk memperlahankan, dan itulah gunanya kotak gear. Enjin sedemikian boleh setinggi 16 peratus, menurut Pratt & Whitney. penjimatan bahan api yang hebat dan 50 peratus. kurang pelepasan ekzos dan 75 peratus. senyap. Baru-baru ini, SWISS dan Air Baltic mengumumkan bahawa enjin jet GTF C-series mereka menggunakan lebih sedikit bahan api daripada yang dijanjikan pengeluar.

Enjin PW1100G-JM pada barisan pengeluaran

Majalah TIME menamakan enjin PW1000G sebagai salah satu daripada 50 ciptaan paling penting pada tahun 2011 dan salah satu daripada enam ciptaan paling mesra alam, kerana Pratt & Whitney PurePower direka untuk menjadi lebih bersih, lebih senyap, lebih berkuasa dan menggunakan kurang bahan api berbanding enjin jet sedia ada. Pada 2016, Richard Anderson, presiden Delta Air Lines ketika itu, menggelar enjin itu "inovasi benar pertama" sejak Dreamliner Boeing merevolusikan pembinaan komposit.

Penjimatan dan pengurangan pelepasan

Sektor penerbangan komersial mengeluarkan lebih daripada 700 juta tan karbon dioksida setiap tahun. Walaupun ia hanya kira-kira 2 peratus. pelepasan karbon dioksida global, terdapat bukti bahawa gas rumah hijau dalam bahan api jet mempunyai kesan yang lebih besar ke atas atmosfera kerana ia dibebaskan pada ketinggian yang lebih tinggi.

Pengeluar enjin utama sedang mencari untuk menjimatkan bahan api dan mengurangkan pelepasan. Pesaing Pratt CFM International baru-baru ini memperkenalkan enjin canggihnya sendiri yang dipanggil LEAP, yang menurut pegawai syarikat memberikan hasil yang serupa kepada turbofan bergilir dengan mengorbankan penyelesaian lain. CFM mendakwa bahawa dalam seni bina turbofan tradisional, faedah yang sama boleh dicapai tanpa penambahan berat dan seretan powertrain. LEAP menggunakan bahan komposit ringan dan bilah kipas gentian karbon untuk mencapai peningkatan kecekapan tenaga yang dikatakan syarikat itu setanding dengan yang dicapai dengan enjin Pratt & Whitney.

Sehingga kini, tempahan untuk enjin Airbus untuk A320neo dibahagikan secara kasar antara CFM dan Pratt & Whitney. Malangnya bagi syarikat yang terakhir, motor PurePower menyebabkan masalah kepada pengguna. Yang pertama muncul tahun ini, apabila penyejukan tidak sekata enjin GTF dalam Qatar Airways Airbus A320neo direkodkan. Penyejukan yang tidak sekata boleh menyebabkan ubah bentuk dan geseran bahagian, dan pada masa yang sama meningkatkan masa antara penerbangan. Akibatnya, syarikat penerbangan itu membuat kesimpulan bahawa enjin tidak memenuhi keperluan operasi. Tidak lama selepas itu, pihak berkuasa penerbangan India menggantung penerbangan 11 pesawat Airbus A320neo yang dikuasakan oleh enjin PurePower GTF. Menurut Economic Times, keputusan itu dibuat selepas pesawat berkuasa Airbus GTF mengalami tiga kegagalan enjin dalam tempoh dua minggu. Pratt & Whitney meremehkan kesukaran ini, mengatakan ia mudah diatasi.

kipas elektronik Airbus

Satu lagi gergasi dalam bidang enjin pesawat, Rolls-Royce, sedang membangunkan Kotak Gear Kuasanya sendiri, yang menjelang 2025 akan mengurangkan penggunaan bahan api dalam kipas turbo besar sebanyak 25%. berbanding model lama rangkaian enjin Trent yang terkenal. Ini, sudah tentu, bermakna pertandingan reka bentuk Pratt & Whitney yang baharu.

British juga memikirkan jenis inovasi lain. Semasa Pertunjukan Udara Singapura baru-baru ini, Rolls-Royce melancarkan Inisiatif IntelligentEngine, yang bertujuan untuk membangunkan enjin pesawat pintar yang lebih selamat dan cekap melalui keupayaan untuk berkomunikasi antara satu sama lain dan melalui rangkaian sokongan. Dengan menyediakan komunikasi dua hala yang berterusan dengan enjin dan bahagian lain ekosistem perkhidmatan, enjin akan dapat menyelesaikan masalah sebelum ia berlaku dan belajar cara meningkatkan prestasi. Mereka juga akan belajar daripada sejarah kerja mereka dan enjin lain, dan pada umumnya mereka juga perlu membaiki diri mereka semasa dalam perjalanan.

Drive memerlukan bateri yang lebih baik

Visi penerbangan Suruhanjaya Eropah untuk 2050 memerlukan pengurangan pelepasan CO.₂ sebanyak 75 peratus, nitrogen oksida sebanyak 90 peratus. dan bunyi bising sebanyak 65 peratus. Mereka tidak boleh dicapai dengan teknologi sedia ada. Sistem pendorong elektrik dan hibrid-elektrik kini dilihat sebagai salah satu teknologi yang paling menjanjikan untuk menghadapi cabaran ini.

Terdapat pesawat ringan elektrik dua tempat duduk di pasaran. Kenderaan elektrik hibrid empat tempat duduk berada di kaki langit. NASA meramalkan bahawa pada awal 20-an, jenis pesawat jarak pendek sembilan tempat duduk ini akan membawa perkhidmatan penerbangan kembali kepada komuniti yang lebih kecil. Kedua-dua di Eropah dan di AS, saintis percaya bahawa menjelang 2030 adalah mungkin untuk membina pesawat elektrik hibrid dengan kapasiti sehingga 100 tempat duduk. Walau bagaimanapun, kemajuan yang ketara akan diperlukan dalam bidang penyimpanan tenaga.

Pada masa ini, ketumpatan tenaga bateri tidak mencukupi. Namun, semua ini boleh berubah. Bos Tesla, Elon Musk berkata bahawa apabila bateri mampu menghasilkan 400 watt-jam sekilogram, dan nisbah kuasa sel kepada jumlah berat ialah 0,7-0,8, pesawat rentas benua elektrik akan menjadi "alternatif yang sukar." Memandangkan bateri litium-ion mampu mencapai ketumpatan tenaga sebanyak 113 Wh/kg pada tahun 1994, 202 Wh/kg pada tahun 2004, dan kini mampu mencapai kira-kira 300 Wh/kg, boleh diandaikan bahawa dalam dekad yang akan datang mereka akan mencapai tahap 400 Wh/kg.

Projek teksi udara dua tempat duduk elektrik Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce dan Siemens baru-baru ini bekerjasama untuk membangunkan demonstrator terbang E-Fan X, yang akan menjadi satu langkah ke hadapan yang penting dalam pendorongan elektrik hibrid pesawat komersial. Demonstrasi teknologi elektrik hibrid E-Fan X dijangka -Fan X akan terbang pada 2020 selepas kempen ujian darat yang meluas. Pada fasa pertama, BAe 146 akan menggantikan salah satu daripada empat enjin dengan motor elektrik XNUMX MW. Selepas itu, ia dirancang untuk menggantikan turbin kedua dengan motor elektrik selepas menunjukkan kematangan sistem.

Airbus akan bertanggungjawab untuk penyepaduan keseluruhan serta seni bina kawalan elektrik hibrid dan kawalan bateri serta penyepaduannya dengan sistem kawalan penerbangan. Rolls-Royce akan bertanggungjawab untuk enjin turbin gas, penjana XNUMX megawatt dan elektronik kuasa. Bersama-sama dengan Airbus, Rolls-Royce juga akan berusaha untuk menyesuaikan kipas kepada nacelle dan motor elektrik Siemens sedia ada. Siemens akan membekalkan motor elektrik XNUMX MW dan pengawal kuasa elektronik, serta sistem penyongsang, penukar dan pengagihan kuasa.

Banyak pusat penyelidikan di seluruh dunia sedang mengusahakan pesawat elektrik, termasuk NASA, yang sedang membina X-57 Maxwell. Projek teksi udara dua tempat duduk elektrik Kitty Hawk dan banyak lagi struktur pusat besar, syarikat atau syarikat permulaan kecil juga sedang dibangunkan.

Memandangkan jangka hayat purata pesawat penumpang dan kargo masing-masing adalah sekitar 21 dan 33 tahun, walaupun semua pesawat baharu yang dihasilkan esok adalah elektrik semuanya, ia akan mengambil masa dua hingga tiga dekad untuk menghentikan pesawat berkuasa bahan api fosil secara berperingkat.

Jadi ia tidak akan berfungsi dengan cepat. Sementara itu, biofuel dapat mencerahkan alam sekitar dalam sektor penerbangan. Mereka membantu mengurangkan pelepasan karbon dioksida sebanyak 36-85 peratus. Walaupun fakta bahawa campuran biofuel untuk enjin jet telah diperakui pada tahun 2009, industri penerbangan tidak tergesa-gesa untuk melaksanakan perubahan. Terdapat beberapa halangan dan cabaran teknologi yang dikaitkan dengan membawa pengeluaran biofuel ke peringkat perindustrian, tetapi penghalang utama adalah harga - ia mengambil masa sepuluh tahun lagi untuk mencapai pariti dengan bahan api fosil.

Melangkah ke Masa Depan

Pada masa yang sama, makmal sedang mengusahakan konsep enjin pesawat yang agak futuristik. Setakat ini, sebagai contoh, enjin plasma tidak begitu realistik, tetapi tidak dapat diketepikan bahawa karya saintifik akan berkembang menjadi sesuatu yang menarik dan berguna. Pendorong plasma menggunakan elektrik untuk mencipta medan elektromagnet. Mereka memampatkan dan merangsang gas, seperti udara atau argon, ke dalam plasma—keadaan panas, padat, terion. Penyelidikan mereka kini membawa kepada idea untuk melancarkan satelit di angkasa lepas (ion thrusters). Bagaimanapun, Berkant Goeksel dari Universiti Teknikal Berlin dan pasukannya mahu meletakkan pendorong plasma pada pesawat.

Matlamat penyelidikan adalah untuk membangunkan enjin plasma jet udara yang boleh digunakan untuk penerbangan berlepas dan altitud tinggi. Pancutan plasma biasanya direka bentuk untuk beroperasi dalam vakum atau suasana tekanan rendah di mana bekalan gas diperlukan. Walau bagaimanapun, pasukan Göksel menguji peranti yang mampu beroperasi di udara pada tekanan satu atmosfera. "Muncung plasma kami boleh mencapai kelajuan sehingga 20 kilometer sesaat," kata Göckel dalam siri persidangan Journal of Physics.

Enjin SABER dalam kenderaan hipersonik masa hadapan

Sebagai permulaan, pasukan itu menguji pendorong kecil sepanjang 80 milimeter. Untuk pesawat kecil, ini akan mencecah sehingga seribu perkara yang dianggap mungkin oleh pasukan. Had terbesar, tentu saja, adalah kekurangan bateri ringan. Para saintis juga sedang mempertimbangkan pesawat hibrid, di mana enjin plasma akan digabungkan dengan enjin pembakaran dalaman atau roket.

Apabila kita bercakap tentang konsep enjin jet yang inovatif, jangan lupa SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) yang dibangunkan oleh Reaction Engines Limited. Diandaikan bahawa ini akan menjadi enjin yang beroperasi di atmosfera dan di dalam vakum, berjalan pada hidrogen cecair. Pada peringkat awal penerbangan, pengoksida akan menjadi udara dari atmosfera (seperti dalam enjin jet konvensional), dan dari ketinggian 26 km (di mana kapal mencapai kelajuan 5 juta tahun) - oksigen cecair. Selepas bertukar kepada mod roket, ia akan mencapai kelajuan sehingga 25 Mach.

HorizonX, cabang pelaburan Boeing yang terlibat dalam projek itu, masih belum memutuskan cara SABER boleh menggunakannya, kecuali ia menjangkakan "menggunakan teknologi revolusioner untuk membantu Boeing dalam usahanya untuk penerbangan supersonik."

RAMJET dan scramjet (enjin jet supersonik dengan kebuk pembakaran) telah lama meniti di bibir peminat penerbangan berkelajuan tinggi. Pada masa ini, ia dibangunkan terutamanya untuk tujuan ketenteraan. Walau bagaimanapun, seperti yang diajarkan oleh sejarah penerbangan, apa yang akan diuji dalam tentera akan pergi ke penerbangan awam. Apa yang diperlukan hanyalah sedikit kesabaran.

Video Enjin Pintar Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovasi dalam IntelligentEngine