Сокращения выбросов углекислого газа воздушными судами дал большой толчок в области развития гибридного электрического авиатранспорта. Natural Resources Defense Council (NRDC) сообщает, что при увеличении грузоперевозок авиационным транспортом по сравнению с морским в 4,5 раза — в 25 раз увеличилось количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ. National Geographic сообщил в апреле 2015 года, что самолеты выбросили примерно 700 миллионов тонн углекислого газа в 2013 году и, если ситуацию не изменить, то к 2015 году эта цифра вырастет втрое.
В 1997 году Киотский протокол делегировал ответственность международной организации гражданской авиации для регулирования авиационной эмиссии. В Соединенных Штатах многие экологические организации подали в суд на Агентство по охране окружающей среды (EPA), чтоб добиться еще более жестких квот на выброс углекислых газов. В прошлом году Нью-Йорк Таймс сообщила со ссылкой на EPA, что американские самолеты выбросили примерно 11% мировых парниковых газов, что составило 29% от всех мировых судов.
В феврале этого года ICAO объявила о первом в истории международном соглашении о сокращении выбросов углекислого газа коммерческими самолетами. К новым соглашениям присоединились 23 страны, включая США. Соглашение предусматривает сокращение потребления топлива для новых коммерческих самолетов на 4% построенных после 2028 года, а также модернизацию максимальную самолетов находящихся в эксплуатации после 2023 года. Данные правила необходимы для разработки и ввода в эксплуатацию максимально эффективных новых самолетов.
НАСА, эффективные самолеты, новые X-Planes
Массовое распространение гибридных автомобилей и электромобилей позволило ученым задуматься о применении данных технологий и к авиации. В настоящее время ученые и инженеры в исследовательском центре НАСА активно разрабатывают новое поколение самолетов. Одной из наиболее перспективных задач является разработка гибридной или турбоэлектрической двигательной установки для замены классических газовых турбин. Данная замена позволит снизить потребление энергии, шумы и, пожалуй, одно из самых важных преимуществ, вредные выбросы в атмосферу.
Jim Heidmann, менеджер проекта НАСА Advanced Air Transport Technology отмечает – «Движение в сторону альтернативных систем требует создания новых конструкций самолетов, а также двигательных установок, способных объединять в себе технологии электрических машин и батарей, а также электродвигателей и генераторов с более эффективными инструментами». Исследователи рассматривают альтернативные энергетические системы способные генерировать электрическую энергию на местах или использовать дополнительные устройства к турбинным двигателям, после чего электрическая энергия будет преобразовываться в механическую с помощью вентиляторов установленных в других местах летательного аппарата. Наряду с этим исследования ведутся не только в области альтернативных источников энергии, но и в классических материалах любой системы управления, таких как изоляция проводов, полупроводниковые элементы, магнитные материалы и так далее. Это позволит уменьшить вес летательного аппарата.
Sceptor является силовым макетом гибридного самолета НАСА. Он принадлежит к части нового поколения X-planes и является первым шагом НАСА для создания силовой электрической установки коммерческого самолета мегаваттного типа. Цель исследователей заключается в создании летательного аппарата способного перевозить девять пассажиров с силовой системой 500 кВт (примерно 700 л.с.). Самолет весит около 3000 фунтов и его запуск планируется на начало 2018 года. Самолет будет иметь несколько воздушных винтов с электропитанием расположенных на передней кромке для увеличения подъемной силы почти в пять раз на малой скорости и позволит использовать меньшее и более эффективное крыло, оптимизированное для крейсерской скорости.
Испытательный стенд LEAPTech состоит из 18 пропеллеров на электрической тяге прикрепленных к передней кромки и монтируемой впоследствии на грузовик (рисунок выше). Первоначальные испытания показали, что распределение мощности среди 18 электродвигателей удвоила тяговые усилия на низких скоростях по сравнению с традиционными системами (максимальная скорость грузовика составляла примерно 73 км/ч). Крыло используемое для испытаний LEAPTech очень тонкое и не имеет много места для размещения электродвигателей, контроллеров, проводки и прочих устройств. Площадь испытательного крыла составило около половины первоначального P2006T.
Исходный контроллер двигателя не укладывался в подвеску и не обладал достаточным быстродействием, исходя из слов Starr Ginn, заместителя руководителя аэронавтических исследований НАСА. «EMI создали хаос на коммуникационной шине. При большой мощности система могла бы потерять контроль». В конце концов, электродвигатели крыла, разработанные Joby Aviation для LEAPTech, будут использоваться в NASA’s Hybrid Electric Integrated Systems Testbed (HEIST) в испытательном самолете Sceptor в 2018 году.
Для создания более крупных летательных аппаратов НАСА изучает Boeing 737, чтоб на его базе создать турбо-электрический привод. Концепция турбо-электрических двигателей позволит создавать более эффективные воздушные суда путем объединения газотурбинных двигателей с генераторами, которые будут распределять энергию между электрическими движителями. Использование авиалайнера Boeing 737 в качестве испытательного образца позволит НАСА внести преимущества турбо-электрической системы, при этом сохранив традиционную конфигурацию трубок и крыла.
Starc-ABL — узкофюзеляжный турбо-электрический самолет с кормовым слоем движителей. Данный летательный аппарат является новым испытательным макетом, опирающимся на предыдущие N3-X гибридные конструкции. Турбодвигатели обеспечивают 80% тяги при взлете и 55% при наборе высоты. Остальную нагрузку берет на себя кормовой движитель, расположенный под хвостом летательного аппарата. Кормовой вентилятор предназначен для работы с мощностью в 3500 лошадиных сил в длительном режиме. Даже с большим весом от оперения и большего крыла, по сравнению с аналогичным гибридным крылом, предварительные исследования показывают, что на 15% улучшился показатель тяга — удельный расход топлива в начале полета.
Концепция гибридных самолетов Airbus
Airbus установил новый мировой рекорд в июле 2015 года, будучи первым производителем, полностью электрический самолет которого пересек Ла-Манш. E-Fan Electric Aircraft – двухмоторный электрический самолет с максимальной скоростью 220 км/ч и способный работать в течении 45 – 60 минут на одной зарядке. Два электродвигателя E-Fan обеспечивают 60 кВт мощности и приводят в движение два вентилятора в кормовой части. Система батарей литий-ионная, состоящая из 2982 ячеек мощностью 2,8 А/час каждая. Испытания летательного аппарата пересекшего Ла-Манш проводились на высоте 1000 м, вес составлял примерно 600 кг, пилотировал летательный аппарат один человек.
Программа E-Fan является расширяемой платформой более крупного проекта Distributed Electrical Aerospace Propulsion Project (DEAP Project). Проект является частью Airbus’ E-Thrust Concept, который разрабатывается совместно с Rolls-Royce. Инновационная команда Airbus будет играть ведущую роль в проекте и разрабатывать электрические системы и оптимизировать системы интеграции, в то время как Rolls-Royce разрабатывает электрическую двигательную установку для создания новых двигателей.
Концепция E-Thrust включает в себя распределенную двигательную систему, состоящую из шести вентиляторов с электроприводом распределенных вдоль крыла. В центре будет один газо-турбинный двигатель, обеспечивающий гибридную систему питания силовых электродвигателей вентиляторов, а также для подзарядки аккумуляторов систем управления. Для достижения оптимального пропульсивного коэффициента значение степень двухконтурности должно быть выше 12. Проводя текущую оценку, эксперты утверждают, что значение более 20 вполне достижимо, а это приведет к ощутимому снижению расхода топлива и вредных выбросов в атмосферу. Также стоит отметить, что применение небольших вентиляторов с электрической тягой снижает шум системы по сравнению с крупными агрегатами.
Три основные части архитектуры DEAP выглядят так:
- Надежность повторного включения вентилятора;
- Структурирование лопаток статора для подачи напряжения питания и криогенной охлаждающей жидкости;
- Правильность монтажа и центровки электрических машин;
Поглощение переднего слоя и ускорение его вентиляторами может привести к снижению потерь в импульсе, формирующем след, снизить лобовое сопротивление и повысить эффективность. В DEAP системах лучше распределение веса, что позволяет увеличить гибкость конструкции воздушных судов и уменьшить вертикальное оперение.
Лопатки статора к тому же имеют приспособленную внутреннюю маршрутизацию сверхпроводящих кабелей к ступице установленной сверхпроводящей электрической машины. Сверхпроводимость – квантово-механическое явление, при котором материал может обладать нулевым сопротивлением. Это явление возникает в некоторых материалах при охлаждении ниже критической температуры. Сверхпроводимость позволяет сделать некоторые элементы электрической системы меньше и легче, что очень важно в авиатранспорте. Для получения эффекта сверхпроводимости используют криогенные жидкости, такие как жидкий водород, жидкий гелий.
Rolls-Royce и Airbus Group Innovations совместно с Magnifye Ltd. и Cambridge University разрабатывают сверхпроводящий программируемый электродвигатель переменного тока — Programmable Alternating-Current Superconducting Machine (PSAM). PSAM представляет собой сверхпроводящий статор, создающий переменное вращающееся магнитное поле — частота которого связана непосредственно с частотой питающей сети. Электромагнитный момент будет создаваться путем регулирования магнитного поля статора. Сверхпроводящие магниты, используемые для генерации магнитного поля, выровнены в виде шайб и могут быть запрограммированы для создания различных магнитных сил. Данная электрическая машина, в конце концов, сможет заменить стандартные медные и железные статорные структуры.
Какие технологии требуется улучшить?
Литий-ионные батареи являются наилучшим выбором для гибридных систем. Тем не менее, все же для таких систем нужны батареи большей емкости для хранения и отдачи большей мощности. В течении следующих двух десятилетий плотность энергии превысит 1000 Вт*ч/кг (согласно Airbus), а это требует удвоение емкости самых эффективных на сегодняшний день аккумуляторных батарей. Предстоящий прорыв в батареях – литий-воздушные батареи. Они будут иметь высокую плотность энергии за счет кислорода, легкого катода и большого количества свободного ресурса. Тем не менее, в продаже таких батарей пока не существует.
Разработка НАСА Sceptor, которая является частью концепции E-Thrust Airbus, охватывает дорожную карту авиации в течении следующих 5 – 25 лет. ICAO надеется сократить выбросы вредных газов в атмосферу к 2040 году. К тому времени они надеются сократить выбросы по сравнению с 2000 – углекислого газа (СО2) на 75%, оксида азота на 90%, снизить уровень шума на 65%.
И для тех кто владеет английским:
