เครื่องบินไฟฟ้าเป็นทางเลือกแทนการบินสมัยใหม่หรือไม่?

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

แน่นอนว่าเครื่องยนต์กังหันก๊าซ (เทอร์โบแฟน) สมัยใหม่ที่ขับเคลื่อนขอบล้อนั้นไม่ใช่เครื่องเขย่าแบบสองจังหวะสำหรับเครื่องมือทำสวน แต่เป็นเครื่องจักรที่มีประสิทธิภาพสูงและเชื่อถือได้มาก อย่างไรก็ตาม ตามรายงานของผู้ผลิตเครื่องบิน เงินสำรองดังกล่าวใกล้จะหมดแล้วสำหรับการปรับปรุงต่อไป

เหตุใดจึงมีเครื่องยนต์ - สายการบินทั้งหมดที่อยู่ระหว่างการก่อสร้างมีความคล้ายคลึงกันมากจนมีเพียงผู้เชี่ยวชาญด้านการบินเท่านั้นที่จะแยกแยะโบอิ้งหรือแอร์บัสออกจากบอมบาร์เดียร์หรือ MS-21 ได้ทันที และถึงแม้จะไม่มีข้อสงสัยเลยแม้แต่น้อยว่าเครื่องบินโดยสารสมัยใหม่ที่มีเครื่องยนต์กังหันก๊าซสองเครื่องอยู่ใต้ปีกจะกลิ้งเราข้ามฟากฟ้าเป็นเวลาหลายสิบปี ความหวังที่สูงสำหรับรูปแบบใหม่และแอโรไดนามิกใหม่ของเครื่องบินนั้นสัมพันธ์กับการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

เร็วแต่ไม่นาน

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ คำว่า "เครื่องบินไฟฟ้า" เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็น "เครื่องบินไฟฟ้าที่มากกว่า" ซึ่งเป็นเครื่องบินที่มีปีกคงที่ ซึ่งระบบส่งกำลังทางกลและไฮดรอลิกถูกแทนที่ด้วยกลไกไฟฟ้าสูงสุด

ไม่มีท่อและสายเคเบิลอีกต่อไป งานด้านกลไกทั้งหมด เช่น การขับหางเสือและการใช้กลไกของปีก ดำเนินการโดยมอเตอร์ไฟฟ้า-แอคทูเอเตอร์ขนาดเล็ก ซึ่งจ่ายไฟและช่องสัญญาณสำหรับสัญญาณควบคุม ตอนนี้คำนี้เต็มไปด้วยความหมายใหม่: เครื่องบินไฟฟ้าที่แท้จริงจะต้องเคลื่อนที่ด้วยแรงฉุดไฟฟ้า

แน่นอนว่าโอกาสสำหรับการบินด้วยไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับนักออกแบบเครื่องบินเท่านั้น (และไม่มากด้วยซ้ำ) เช่นเดียวกับความก้าวหน้าในด้านวิศวกรรมไฟฟ้า ท้ายที่สุดแล้วเครื่องบินอย่างที่พวกเขาพูดว่า "ใช้แบตเตอรี่" มีอยู่จริง มอเตอร์ไฟฟ้าเสริมได้รับการติดตั้งบนเครื่องร่อนเมื่อหลายสิบปีก่อน

Extra 330LE ซึ่งบินครั้งแรกในปี 2559 มีเครื่องร่อนและบันทึกความเร็วแล้ว แต่บล็อกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทรงพลัง 14 ก้อนและมอเตอร์ไฟฟ้าจากซีเมนส์ อนุญาตให้ทารกคนนี้ขึ้นเครื่องได้เพียงสองคน รวมทั้งนักบิน และอยู่ในอากาศได้ไม่เกิน 20 นาที

พิเศษ 330LE

แน่นอนว่ายังมีโครงการที่มีตัวชี้วัดที่น่าประทับใจอีกมากมาย ในเดือนกันยายนปีที่แล้ว EasyJet สายการบินราคาประหยัดของอังกฤษได้ประกาศว่าในอีก 10 ปีข้างหน้า จะเปิดตัวสายการบินระดับภูมิภาคที่ใช้ไฟฟ้าทั้งหมด (ระยะทาง 540 กม. ซึ่งค่อนข้างมากสำหรับเที่ยวบินภายในยุโรป) พร้อมรองรับผู้โดยสารได้ 180 คน

Wright Electric สตาร์ทอัพสัญชาติอเมริกัน ซึ่งได้สร้างเครื่องสาธิตการบินแบบสองที่นั่งแล้ว ได้กลายเป็นหุ้นส่วนในโครงการนี้ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ดีที่สุดมีมากกว่าลำดับความสำคัญที่ด้อยกว่าเชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน สันนิษฐานว่าภายในปี 2030 แบตเตอรี่จะเพิ่มประสิทธิภาพได้สูงสุดสองเท่า

กังหัน อยู่

สถานการณ์ที่มีเซลล์เชื้อเพลิงดูมีข้อได้เปรียบกว่ามาก ซึ่งพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง โดยไม่ผ่านกระบวนการเผาไหม้

ไฮโดรเจนถือเป็นเชื้อเพลิงที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับแหล่งพลังงานดังกล่าว การทดลองกับเซลล์เชื้อเพลิงเป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครื่องบินไฟฟ้ากำลังดำเนินการในประเทศต่างๆ ของโลก (ในรัสเซีย CIAM กำลังทำงานในโครงการเพื่อสร้างเครื่องบินดังกล่าวเป็นหลัก และเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับพวกมันจะถูกสร้างขึ้นที่ IPCP RAS ภายใต้ คำแนะนำของศาสตราจารย์ยูริ Dobrovolsky)

จากแนวคิดเรื่องการบินและการควบคุมรถ เราสามารถเรียกคืนเครื่องสาธิตของยุโรป ENFICA-FC Rapid 200FC ซึ่งใช้ทั้งแบตเตอรี่ไฟฟ้าและเซลล์เชื้อเพลิงในเวลาเดียวกัน แต่เทคโนโลยีนี้ยังต้องการการปรับปรุงที่สำคัญและการวิจัยเพิ่มเติม

แนวโน้มที่สมจริงที่สุดสำหรับวันนี้ดูเหมือนจะเป็นโอกาสสำหรับเครื่องบินไฟฟ้าที่สร้างขึ้นตามโครงการไฮบริด ซึ่งหมายความว่าใบพัดของเครื่องบิน (ใบพัดหรือ propfan) จะถูกขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า แต่จะได้รับกระแสไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่หมุน … โดยเครื่องยนต์กังหันก๊าซ (หรือเครื่องยนต์สันดาปภายในอื่น ๆ) เมื่อมองแวบแรก โครงการดังกล่าวดูแปลก: พวกเขาต้องการละทิ้ง GTE เพื่อสนับสนุนมอเตอร์ไฟฟ้า แต่พวกเขาจะไม่ทำเช่นนี้

มีโครงการไฮบริดอยู่ไม่กี่โครงการในโลก แต่เราสนใจรัสเซียเป็นหลักงานบนเครื่องบินไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับโครงการไฮบริด ดำเนินการในสถาบันวิทยาศาสตร์ต่างๆ เกี่ยวกับโปรไฟล์การบิน เช่น TsAGI หรือ TsIAM

ทุกวันนี้ สถาบันเหล่านี้และสถาบันอื่นๆ บางส่วนได้รวมกันเป็นหนึ่ง (ตั้งแต่ปี 2014) ภายใต้การอุปถัมภ์ของศูนย์วิจัย "สถาบันตั้งชื่อตาม N. Ye. Zhukovsky" ซึ่งได้รับการออกแบบมาให้กลายเป็น "ความไว้วางใจในสมอง" อันทรงพลังของอุตสาหกรรม งานของการรวมงานทั้งหมดเกี่ยวกับการบินไฟฟ้าภายในศูนย์ได้รับมอบหมายให้ Sergei Galperin ซึ่งเราได้ยกมาที่ตอนต้นของบทความแล้ว

การขึ้นเครื่องด้วยแบตเตอรี่

Sergei Halperin กล่าวว่า การเปลี่ยนไปใช้มอเตอร์ไฟฟ้าในการบินทำให้เกิดโอกาสที่น่าสนใจมากมาย แต่ไม่มีเหตุผลที่จะต้องพึ่งพาการสร้างเครื่องบินไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ที่มีช่วงที่เหมาะสมสำหรับเงื่อนไขของรัสเซียเกี่ยวกับแหล่งพลังงานเคมีล้วนๆ (แบตเตอรีหรือเซลล์เชื้อเพลิง) ในอนาคตอันใกล้: ศักย์พลังงานระหว่างน้ำมันก๊าด 1 กิโลกรัมกับแบตเตอรี 1 กิโลกรัมแตกต่างกันมากเกินไป การออกแบบไฮบริดอาจเป็นการประนีประนอมที่สมเหตุสมผล ต้องเข้าใจว่าเครื่องยนต์กังหันก๊าซที่สร้างแรงขับโดยตรงและเครื่องยนต์กังหันก๊าซที่จะตั้งเพลาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้เคลื่อนที่นั้นไม่เหมือนกันเลย

ความจริงก็คือความต้องการพลังงานของเครื่องบินเปลี่ยนไปอย่างมากระหว่างการบิน ขณะบินขึ้น เครื่องยนต์ของเครื่องบินจะพัฒนากำลังใกล้เคียงกับระดับสูงสุด และในระหว่างการล่องเรือ (ซึ่งก็คือสำหรับเที่ยวบินส่วนใหญ่) การใช้พลังงานของเครื่องบินจะลดลง 5-6 เท่า

ดังนั้น โรงไฟฟ้าแบบดั้งเดิมจะต้องสามารถทำงานในโหมดต่างๆ ได้หลากหลาย (อาจไม่ดีที่สุดเสมอไปจากมุมมองทางเศรษฐกิจ) และเปลี่ยนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งอย่างรวดเร็ว เครื่องยนต์กังหันก๊าซไม่ต้องการสิ่งใดในการติดตั้งแบบไฮบริด มันจะคล้ายกับกังหันก๊าซของโรงไฟฟ้าซึ่งมักจะทำงานในโหมดเดียวกันและเป็นประโยชน์ทางเศรษฐกิจมากที่สุด พวกเขาทำงานมาหลายปีโดยไม่หยุด"

Ce-liner

ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า GTE จะสามารถสร้างพลังงานสำหรับการจ่ายไฟโดยตรงของมอเตอร์ไฟฟ้า รวมถึงการสร้างพลังงานสำรองในแบตเตอรี่ จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่เมื่อเครื่องขึ้น

แต่เนื่องจากการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าในโหมด takeoff จะใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที การสำรองพลังงานไม่ควรมาก และแบตเตอรี่บนเครื่องบินก็ค่อนข้างยอมรับได้ในขนาดและน้ำหนัก ในเวลาเดียวกัน เครื่องยนต์กังหันก๊าซจะไม่มีระบบการขึ้น - ลง - ธุรกิจของมันคือการผลิตไฟฟ้าอย่างเงียบ ๆ

ดังนั้น ไม่เหมือนกับเครื่องยนต์อากาศยาน เครื่องยนต์กังหันก๊าซในเครื่องบินไฟฟ้าแบบไฮบริดจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่า เชื่อถือได้มากกว่า และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ออกแบบง่ายกว่า ซึ่งหมายความว่าราคาถูกลง และสุดท้ายจะมีทรัพยากรมากขึ้น

เป่าปีก

ในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนไปใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเปิดโอกาสให้มีนวัตกรรมพื้นฐานในการออกแบบเครื่องบินพลเรือนแห่งอนาคต หนึ่งในหัวข้อที่กล่าวถึงมากที่สุดคือการสร้างโรงไฟฟ้าแบบกระจาย

ทุกวันนี้ เลย์เอาต์ไลเนอร์แบบคลาสสิกใช้แรงขับสองจุด นั่นคือ เครื่องยนต์ทรงพลังสองหรือสี่เครื่องที่แขวนอยู่บนเสาใต้ปีก ในเครื่องบินไฟฟ้า การพิจารณาเลย์เอาต์ของมอเตอร์ไฟฟ้าจำนวนมากตามปีกตลอดจนที่ส่วนปลายถือเป็นส่วนสำคัญ ทำไมสิ่งนี้จึงจำเป็น?

ประเด็นคืออีกครั้งในความแตกต่างระหว่างโหมดบินขึ้นและโหมดล่องเรือ ในการขึ้นเครื่องที่ความเร็วต่ำของกระแสเหตุการณ์ เครื่องบินต้องการพื้นที่ปีกขนาดใหญ่เพื่อสร้างลิฟต์ ด้วยความเร็วขณะล่องเรือ ปีกกว้างจะเข้ามาขวางทาง ทำให้เกิดการยกตัวที่มากเกินไป

ปัญหาได้รับการแก้ไขเนื่องจากการใช้เครื่องจักรที่ซับซ้อน - แผ่นปิดและแผ่นไม้ที่หดได้ เครื่องบินขนาดเล็กลงจากสนามบินขนาดเล็กและมีปีกขนาดใหญ่สำหรับสิ่งนี้ ถูกบังคับให้ล่องเรือด้วยมุมโจมตีที่ต่ำที่สุด ซึ่งทำให้สิ้นเปลืองเชื้อเพลิงมากขึ้น

แต่ถ้าตอนบินขึ้น มอเตอร์ไฟฟ้าหลายตัวที่เชื่อมต่อกับใบพัดจะเป่าปีกเพิ่มเติม ก็ไม่ต้องทำให้กว้างเกินไปเครื่องบินจะบินขึ้นโดยใช้เวลาบินขึ้นสั้นๆ และในส่วนการล่องเรือ ปีกที่แคบจะไม่สร้างปัญหาใดๆ รถจะถูกผลักไปข้างหน้าด้วยใบพัดที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ขับเคลื่อน และใบพัดที่อยู่ตามปีกในขั้นตอนนี้จะถูกพับหรือหดกลับก่อนลงจอด

ตัวอย่างคือโครงการ X-57 Maxwell ของ NASA เครื่องสาธิตแนวคิดนี้ติดตั้งมอเตอร์ไฟฟ้า 14 ตัวในตำแหน่งที่ปีกและปลายปีก ทั้งหมดทำงานเฉพาะในช่วงที่เครื่องขึ้นและลง ในส่วนการล่องเรือนั้น จะใช้เฉพาะปลายปีกมอเตอร์เท่านั้น

ตำแหน่งของมอเตอร์ดังกล่าวช่วยลดอิทธิพลเชิงลบของกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นในสถานที่เหล่านี้ ในทางกลับกัน โรงไฟฟ้ากลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อน ซึ่งหมายความว่าค่าบำรุงรักษาแพงกว่าและโอกาสที่จะเกิดความล้มเหลวก็สูงขึ้นด้วย โดยทั่วไปแล้ว นักวิทยาศาสตร์และนักออกแบบมีเรื่องให้คิด

X-57 แม็กซ์เวลล์

จะช่วยให้ไนโตรเจนเหลว

"เครื่องบินไฟฟ้าให้โอกาสในการเพิ่มประสิทธิภาพมากมาย" Sergei Halperin กล่าว - คุณสามารถทดลอง เช่น ใช้สกรูดึงและดันร่วมกัน มอเตอร์ไฟฟ้ามีประโยชน์มากกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์กังหันก๊าซในเครื่องบินแบบเปิดประทุน เนื่องจากการหมุนมอเตอร์ไฟฟ้าอย่างปลอดภัยไปยังตำแหน่งแนวนอนไม่ได้นำเสนอปัญหาทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนเช่นในกรณีของเครื่องยนต์แบบดั้งเดิม

ในระนาบไฟฟ้า คุณสามารถมั่นใจได้ว่าระบบทั้งหมดถูกรวมเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ สร้างระบบควบคุมใหม่ แม้แต่รถยนต์ไฮบริดก็จะผลิตเสียงและการปล่อยมลพิษน้อยลง”

เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ มอเตอร์ไฟฟ้าจะเพิ่มมวล ปริมาตร และการกระจายความร้อนเมื่อกำลังเพิ่มขึ้น จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีใหม่เพื่อให้มีประสิทธิภาพและน้ำหนักเบายิ่งขึ้น

สำหรับนักพัฒนาระบบขับเคลื่อนไฮบริดในประเทศ ความก้าวหน้าที่แท้จริงคือการร่วมมือกับบริษัทรัสเซีย SuperOx ซึ่งเป็นหนึ่งในห้าซัพพลายเออร์ที่ใหญ่ที่สุดของวัสดุที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง (HTSC) ในโลก ตอนนี้ SuperOx กำลังพัฒนามอเตอร์ไฟฟ้าที่มีสเตเตอร์ที่ทำจากวัสดุตัวนำยิ่งยวด (ระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว)

เครื่องยนต์เหล่านี้มีลักษณะการบินที่ดีจะเป็นพื้นฐานของโรงไฟฟ้าไฮบริดสำหรับเครื่องบินระดับภูมิภาค ซึ่งอาจขึ้นสู่ท้องฟ้าในช่วงกลางทศวรรษหน้า ในปีนี้ ที่งาน MAKS air show ผู้เชี่ยวชาญของ CIAM ได้นำเสนอเครื่องสาธิตการติดตั้งดังกล่าวด้วยความจุ 10 กิโลวัตต์ เครื่องบินที่วางแผนไว้จะติดตั้งโรงไฟฟ้าไฮบริดที่มีเครื่องยนต์ 500 กิโลวัตต์สองเครื่องต่อเครื่อง

“ก่อนที่จะพูดถึงเครื่องบินไฟฟ้าแบบไฮบริด” Halperin กล่าว “จำเป็นต้องทดสอบการติดตั้งของเราบนพื้นและในห้องปฏิบัติการการบิน เราหวังว่าจะเป็น Yak-40 แทนที่จะใช้เรดาร์ เราสามารถใส่มอเตอร์ไฟฟ้า HTSC ขนาด 500 กิโลวัตต์ไว้ในจมูกของรถได้

เราจะติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โบที่ส่วนท้ายแทนเครื่องยนต์ส่วนกลาง เครื่องยนต์จามรีที่เหลืออยู่สองเครื่องจะเพียงพอที่จะทดสอบผลิตผลของเราในความสูงที่หลากหลาย (สูงถึง 8000 ม.) และความเร็ว (สูงถึง 500 กม. / ชม.) และแม้ว่าการติดตั้งไฮบริดจะล้มเหลว เครื่องบินก็สามารถบินและลงจอดได้อย่างปลอดภัย ห้องปฏิบัติการสาธิตจะติดตั้งตามแผนในปี 2562 รอบการทดสอบมีกำหนดคร่าวๆ สำหรับปี 2020

สมาร์ทสกาย

ระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าและไฮบริดครองสถานที่สำคัญในแผนของผู้ผลิตเครื่องบินรายใหญ่ที่สุดของโลก นี่คือลักษณะเด่นของการบินผู้โดยสารในช่วงกลางศตวรรษนี้ตามโครงการ Smarter Skies ของบริษัท AIRBUS

เที่ยวบิน "สีเขียว"

เครื่องบินแห่งอนาคตจะได้รับการออกแบบเพื่อลดรอยเท้าไฮโดรคาร์บอนในชั้นบรรยากาศ เครื่องยนต์กังหันก๊าซไฮโดรเจน ไฮบริด และเครื่องบินไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้แบตเตอรี่จะได้รับความนิยม

สันนิษฐานว่าแบตเตอรี่จะถูกชาร์จจากแหล่งไฟฟ้าที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การปรากฏตัวของฟาร์มกังหันลมขนาดใหญ่หรือโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ในบริเวณสนามบินเป็นไปได้

อิสระบนท้องฟ้า

เรือเดินสมุทรอัจฉริยะจะวางแผนเส้นทางโดยอิสระตามพารามิเตอร์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงตามการวิเคราะห์ข้อมูลสภาพอากาศและบรรยากาศ พวกมันจะสามารถรวมตัวกันเป็นฝูงเหมือนฝูงนก ซึ่งจะช่วยลดแรงลากของเครื่องบินแต่ละลำในฝูงบิน และลดการใช้พลังงานสำหรับการบิน

ค่อนข้างมาจากพื้นดิน

ระบบขับเคลื่อนใหม่และแอโรไดนามิกของเครื่องบินจะช่วยให้สามารถบินไปตามเส้นทางที่ลาดชันที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดเสียงรบกวนในบริเวณสนามบินและไปถึงระดับการล่องเรือโดยเร็วที่สุด โดยเครื่องบินจะแสดงลักษณะทางเศรษฐกิจที่เหมาะสมที่สุด

การลงจอดโดยไม่มีเครื่องยนต์

เครื่องบินแห่งอนาคตจะสามารถลงจอดในโหมดร่อนได้ ซึ่งจะช่วยประหยัดเชื้อเพลิงและลดระดับเสียงในบริเวณสนามบิน ความเร็วในการลงจอดจะลดลงด้วย ซึ่งจะทำให้ความยาวของรันเวย์สั้นลง

ไม่มีไอเสีย

สนามบินแห่งอนาคตจะขจัดการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่เผาผลาญเชื้อเพลิงโดยสิ้นเชิง สำหรับการขับแท็กซี่ liners จะติดตั้งล้อมอเตอร์ไฟฟ้า เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง - รถแทรกเตอร์ไฟฟ้าไร้คนขับความเร็วสูง ซึ่งจะสามารถส่งเครื่องบินจากผ้ากันเปื้อนไปยังรันเวย์ได้อย่างรวดเร็วและในทางกลับกัน