هل الطائرة الكهربائية بديل للطيران الحديث؟

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

إن المحرك التوربيني الغازي الحديث الذي يقود البطانات ، بالطبع ، ليس محركًا ثنائي الأشواط لأدوات البستنة ، ولكنه آلة عالية الكفاءة وموثوقة للغاية. ومع ذلك ، وفقًا لمصنعي الطائرات ، فقد اقتربت من استنفاد الاحتياطيات لمزيد من التحسين.

لماذا توجد محركات - جميع الطائرات قيد الإنشاء متشابهة جدًا مع بعضها البعض لدرجة أن خبير الطيران فقط هو الذي سيميز على الفور بين بوينج أو إيرباص وبومباردييه أو إم إس -21. وعلى الرغم من عدم وجود أدنى شك في أن الطائرات من الطراز الحديث المزودة بمحركين توربين غازيين تحت الأجنحة سوف تدحرجنا عبر السماء لعقود ، إلا أن الآمال الكبيرة في تصميم جديد وديناميكا هوائية جديدة للطائرات مرتبطة بالدفع الكهربائي.

سريع ولكن ليس لوقت طويل

حتى وقت قريب ، كان مصطلح "طائرة كهربائية" يُفهم على أنه "طائرة كهربائية أكثر" - طائرة ذات جناح ثابت ، حيث تم استبدال ناقل الحركة الميكانيكي والهيدروليكي إلى الحد الأقصى بالنقل الكهربائي.

لا مزيد من الأنابيب والكابلات - يتم تنفيذ جميع الأعمال الميكانيكية ، مثل قيادة الدفات وميكنة الجناح ، بواسطة محركات كهربائية صغيرة ، يتم تزويدها بالطاقة وقناة لإشارة التحكم. الآن أصبح المصطلح مليئًا بمعنى جديد: يجب أن يتحرك المستوى الكهربائي الحقيقي بنفسه على الجر الكهربائي.

بالطبع ، لا تعتمد آفاق الطيران الكهربائي على مصممي الطائرات فقط (ولا حتى إلى حد كبير) بقدر ما تعتمد على التقدم في مجال الهندسة الكهربائية. بعد كل شيء ، الطائرات ، كما يقولون ، "على البطاريات" موجودة. تم تركيب المحركات الكهربائية الإضافية على الطائرات الشراعية منذ عدة عقود.

طائرة Extra 330 جنيه ، والتي حلقت لأول مرة في 2016 ، تحمل بالفعل طائرات شراعية وتحقق أرقامًا قياسية في السرعة. لكن مجموعتها المكونة من 14 بطارية ليثيوم أيون قوية ومحرك كهربائي من شركة سيمنز تسمح لهذا الطفل بأخذ شخصين فقط ، بما في ذلك الطيار ، والبقاء في الهواء لمدة لا تزيد عن 20 دقيقة.

اكسترا 330 جنيه

بالطبع ، هناك مشاريع ذات مؤشرات أكثر إثارة للإعجاب. في سبتمبر من العام الماضي ، أعلنت شركة الطيران البريطانية منخفضة التكلفة إيزي جيت أنها ستطلق في غضون عشر سنوات خطًا إقليميًا يعمل بالكهرباء بالكامل (مداها 540 كم ، وهو عدد كبير جدًا للرحلات داخل أوروبا) بسعة 180 راكبًا.

أصبحت الشركة الأمريكية الناشئة رايت إلكتريك ، التي قامت بالفعل ببناء عارض طيران يتسع لمقعدين ، شريكًا في المشروع. ومع ذلك ، فإن كثافة الطاقة في أفضل بطاريات الليثيوم أيون اليوم هي أكثر من مرتبة من حيث الحجم أدنى من الوقود الهيدروكربوني. من المفترض أنه بحلول عام 2030 ستعمل البطاريات على تحسين أدائها بحد أقصى مرتين.

توربين ، ابق

يبدو الوضع مع خلايا الوقود أكثر فائدة ، حيث يتم تحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة كهربائية مباشرة ، متجاوزًا عملية الاحتراق.

يعتبر الهيدروجين الوقود الواعد لمصدر الطاقة هذا. يتم إجراء تجارب مع خلايا الوقود كمصدر للطاقة لطائرة كهربائية في بلدان مختلفة من العالم (في روسيا ، تعمل CIAM بشكل أساسي على مشاريع لإنشاء مثل هذه الطائرات ، ويتم إنشاء خلايا الوقود لها في IPCP RAS ضمن توجيه البروفيسور يوري دوبروفولسكي).

من مفهوم الطيران والطيار ، يمكن للمرء أن يتذكر المتظاهر الأوروبي ENFICA-FC Rapid 200FC - فقد استخدم البطاريات الكهربائية وخلايا الوقود في نفس الوقت. لكن هذه التكنولوجيا تحتاج أيضًا إلى تحسينات كبيرة وأبحاث إضافية.

يبدو أن أكثر الاحتمالات واقعية اليوم هي احتمالات بناء الطائرات الكهربائية وفقًا للمخطط الهجين. هذا يعني أن مروحة الطائرة (المروحة أو المروحة) سيتم تشغيلها بواسطة محرك كهربائي ، لكنها ستتلقى الكهرباء من مولد يتم تدويره … بواسطة محرك توربيني غازي (أو محرك احتراق داخلي آخر). للوهلة الأولى ، يبدو مثل هذا المخطط غريبًا: إنهم يريدون التخلي عن GTE لصالح المحرك الكهربائي ، لكنهم لن يفعلوا ذلك.

يوجد بالفعل عدد غير قليل من المشاريع الهجينة في العالم ، لكننا مهتمون بشكل أساسي بروسيا.تم تنفيذ العمل على طائرة كهربائية ، ولا سيما مع مخطط هجين ، في العديد من المعاهد العلمية لملف تعريف الطيران ، مثل TsAGI أو TsIAM.

اليوم ، تم توحيد هذه المؤسسات وبعض المؤسسات الأخرى (منذ 2014) تحت رعاية "معهد مركز الأبحاث" الذي يحمل اسم N. Ye. Zhukovsky "، والذي تم تصميمه ليصبح" صندوق عقل واحد "قويًا لهذه الصناعة. تم تعيين مهمة دمج جميع الأعمال المتعلقة بالطيران الكهربائي داخل المركز إلى سيرجي جالبرين ، الذي نقلناه بالفعل في بداية المقال.

بطارية تعمل بالطاقة الاقلاع

يقول سيرجي هالبرين: يفتح الانتقال إلى المحركات الكهربائية في مجال الطيران الكثير من الآفاق المثيرة للاهتمام ، ولكن لا يوجد سبب للاعتماد على إنشاء طائرة كهربائية تجارية ذات نطاق لائق للظروف الروسية على مصادر الطاقة الكيميائية البحتة (البطاريات أو خلايا الوقود) في المستقبل القريب: يختلف جهد الطاقة كثيرًا عن كيلوغرام من الكيروسين وكيلوغرام من البطاريات. يمكن أن يكون التصميم الهجين بمثابة حل وسط معقول. يجب أن يكون مفهوماً أن المحرك التوربيني الغازي الذي يولد الدفع مباشرة ومحرك التوربين الغازي الذي سيحرك عمود المولد ليسا نفس الشيء على الإطلاق.

الحقيقة هي أن متطلبات الطاقة للطائرة تتغير بشكل كبير أثناء الرحلة. عند الإقلاع ، يطور محرك الطائرة طاقة تقترب من الحد الأقصى لها ، وخلال الإبحار (أي بالنسبة لمعظم الرحلة) يتم تقليل استهلاك الطاقة للطائرة بمقدار 5-6 مرات.

وبالتالي ، يجب أن تكون محطة الطاقة التقليدية قادرة على العمل في مجموعة واسعة من الأوضاع (ليست دائمًا الطريقة المثلى من وجهة النظر الاقتصادية) والانتقال بسرعة من واحدة إلى أخرى. لا شيء من هذا القبيل مطلوب من محرك توربيني غازي في تركيب هجين. سيكون مشابهًا لتوربينات الغاز لمحطات الطاقة ، والتي تعمل دائمًا في نفس الوضع الأكثر فائدة من الناحية الاقتصادية. لقد عملوا لسنوات دون توقف.

سي لاينر

بمساعدة المولد ، ستكون GTE قادرة على توليد الطاقة من أجل الإمداد المباشر بالطاقة للمحركات الكهربائية ، وكذلك لإنشاء احتياطي في البطاريات. ستكون هناك حاجة إلى مساعدة البطارية فقط عند الإقلاع.

ولكن نظرًا لأن تشغيل المحركات الكهربائية في وضع الإقلاع سيستمر بضع دقائق فقط ، فلا ينبغي أن يكون احتياطي الطاقة كبيرًا جدًا ويمكن أن تكون البطاريات الموجودة على متن الطائرة مقبولة تمامًا من حيث الحجم والوزن. في الوقت نفسه ، لن يكون لمحرك التوربينات الغازية أي نظام إقلاع - يتمثل عملها في توليد الكهرباء بهدوء.

وبالتالي ، على عكس محرك الطائرة ، سيكون محرك التوربينات الغازية في طائرة كهربائية هجينة أقل قوة ، وأكثر موثوقية وصديقة للبيئة ، وأبسط في التصميم ، مما يعني أرخص ، وأخيراً ، سيكون لديه موارد أكبر.

تهب على الجناح

في الوقت نفسه ، يفتح الانتقال إلى المحركات الكهربائية آفاقًا للابتكارات الأساسية في تصميم الطائرات المدنية في المستقبل. يعتبر إنشاء محطات توليد الطاقة الموزعة من أكثر الموضوعات التي نوقشت.

اليوم ، يفترض تصميم البطانة الكلاسيكي نقطتين من تطبيق الدفع ، أي ، محركان قويان ، ونادرًا ما يكون أربعة ، معلقين على أبراج تحت الجناح. في الطائرات الكهربائية ، يتم النظر في تصميم عدد كبير من المحركات الكهربائية على طول الجناح وكذلك في نهاياته. لماذا هذا مطلوب؟

تكمن النقطة مرة أخرى في الاختلاف بين أوضاع الإقلاع والرحلات البحرية. عند الإقلاع بسرعة منخفضة لتدفق الحادث ، تحتاج الطائرة إلى مساحة جناح كبيرة لإنشاء الرفع. عند سرعة الانطلاق ، يعيق الجناح العريض الطريق ، مما يؤدي إلى زيادة الرفع.

تم حل المشكلة بسبب الميكنة المعقدة - اللوحات والشرائح القابلة للسحب. تضطر الطائرات الأصغر ، التي تقلع من المطارات الصغيرة ولها أجنحة كبيرة لهذا الغرض ، إلى الإبحار بزاوية هجوم دون المستوى الأمثل ، مما يؤدي إلى استهلاك إضافي للوقود.

ولكن ، إذا كانت العديد من المحركات الكهربائية المتصلة بالمراوح ستنفجر الجناح بشكل إضافي عند الإقلاع ، فلن يكون من الضروري جعله عريضًا جدًا.ستقلع الطائرة بإقلاع قصير ، وفي قسم الإبحار ، لن يتسبب الجناح الضيق في حدوث مشاكل. سيتم سحب السيارة للأمام بواسطة مراوح مدفوعة بمحركات الدفع ، وسيتم طي المراوح الموجودة على طول الجناح في هذه المرحلة أو سحبها قبل الهبوط.

مثال على ذلك مشروع ناسا X-57 Maxwell. تم تجهيز عارض المفهوم بـ 14 محركًا كهربائيًا موضوعة على طول الجناح وعلى أطراف الجناح. كل منهم يعمل فقط أثناء الإقلاع والهبوط. في قسم الإبحار ، يتم استخدام محركات طرف الجناح فقط.

يسمح وضع المحركات هذا بتقليل التأثير السلبي للدوامات التي تنشأ في هذه الأماكن. من ناحية أخرى ، تبين أن محطة الطاقة معقدة ، مما يعني أن صيانتها أكثر تكلفة واحتمال حدوث أعطال أعلى أيضًا. بشكل عام ، لدى العلماء والمصممين ما يفكرون فيه.

إكس -57 ماكسويل

سوف يساعد النيتروجين السائل

يقول سيرجي هالبرين: "توفر الطائرة الكهربائية العديد من الفرص للتحسين". - يمكنك تجربة مزيج من براغي السحب والدفع ، على سبيل المثال. تعد المحركات الكهربائية أكثر فائدة مقارنة بمحركات التوربينات الغازية في الطائرات المحولة ، لأن الدوران الآمن للمحرك الكهربائي إلى الوضع الأفقي لا يمثل مشكلة هندسية معقدة كما هو الحال في المحركات التقليدية.

في المستوى الكهربائي ، يمكنك ضمان التكامل الكامل لجميع الأنظمة ، وإنشاء نظام تحكم جديد. حتى السيارات الهجينة ستنتج ضوضاء وانبعاثات أقل.

مثل البطاريات ، تزداد المحركات الكهربائية في الكتلة والحجم وتبديد الحرارة مع زيادة الطاقة. التقنيات الجديدة مطلوبة لجعلها أكثر قوة وأخف وزناً.

بالنسبة للمطورين المحليين لأنظمة الدفع الهجين ، كان الاختراق الحقيقي هو التعاون مع شركة SuperOx الروسية ، وهي واحدة من أكبر خمسة موردي للمواد ذات خصائص الموصلية الفائقة عالية الحرارة (HTSC) في العالم. تعمل SuperOx الآن على تطوير محركات كهربائية مع الجزء الثابت المصنوع من مواد فائقة التوصيل (مبردة بالنيتروجين السائل).

ستشكل هذه المحركات ذات الخصائص الجوية الجيدة الأساس لمحطة طاقة هجينة لطائرة إقليمية ، والتي قد تحلق في السماء في منتصف العقد المقبل. هذا العام ، في معرض MAKS الجوي ، قدم متخصصو CIAM عرضًا لمثل هذا التثبيت بسعة 10 كيلو واط. سيتم تجهيز الطائرة المخطط لها بمحطة طاقة هجينة بمحركين بقدرة 500 كيلووات لكل منهما.

يقول هالبرين: قبل الحديث عن طائرة كهربائية هجينة ، من الضروري اختبار تركيبنا على الأرض ثم في مختبر طيران. نأمل أن يكون Yak-40. بدلاً من الرادار ، يمكننا وضع محرك كهربائي HTSC بقدرة 500 كيلووات في مقدمة السيارة.

سنقوم بتركيب مولد توربو في الذيل بدلاً من المحرك المركزي. سيكون محركا الياك المتبقيان كافيين لاختبار أفكارنا على نطاق واسع من الارتفاعات (تصل إلى 8000 م) والسرعات (حتى 500 كم / ساعة). وحتى في حالة فشل التركيب الهجين ، يمكن للطائرة إكمال الرحلة والهبوط بأمان . سيتم تجهيز المختبر الإيضاحي وفقاً لخطة عام 2019. تم تحديد موعد دورة الاختبار مبدئيًا لعام 2020.

سماء ذكية

يحتل الدفع الكهربائي والهجين مكانًا مهمًا في خطط أكبر مصنعي الطائرات في العالم. هكذا تبدو الملامح الرئيسية لطيران الركاب في منتصف هذا القرن وفقًا لبرنامج Smarter Skies التابع لشركة AIRBUS.

رحلة "خضراء"

سيتم تصميم طائرات المستقبل لتقليل البصمة الهيدروكربونية في الغلاف الجوي. ستكتسب محركات توربينات غاز الهيدروجين والهجين والطائرات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات شعبية كبيرة.

من المفترض إعادة شحن البطاريات من مصادر كهرباء صديقة للبيئة. من الممكن ظهور مزارع رياح كبيرة أو محطات طاقة شمسية في منطقة المطارات.

الحرية في السماء

ستعمل البطانات الذكية بشكل مستقل على رسم المسارات بناءً على معايير الملاءمة البيئية وكفاءة الوقود بناءً على تحليل بيانات الطقس والغلاف الجوي. سيكونون قادرين أيضًا على التجمع في تشكيلات مثل قطعان الطيور ، مما يقلل من مقاومة الطائرات الفردية في التكوين ويقلل من استهلاك الطاقة للطيران.

بدلا من الأرض

ستسمح لهم أنظمة الدفع الجديدة والديناميكا الهوائية للطائرات بالإقلاع على طول المسار الأكثر انحدارًا من أجل تقليل الضوضاء في منطقة المطار والوصول إلى مستوى الإبحار في أسرع وقت ممكن ، حيث تظهر الطائرة الخصائص الاقتصادية المثلى.

الهبوط بدون محرك

ستكون طائرات المستقبل قادرة على الهبوط في وضع مزلق. سيؤدي ذلك إلى توفير الوقود وتقليل مستويات الضوضاء في منطقة المطار. ستنخفض سرعة الهبوط أيضًا. سيؤدي ذلك إلى تقصير طول المدارج.

لا عادم

ستقضي مطارات المستقبل تمامًا على استخدام محركات الاحتراق الداخلي التي تحرق الوقود. بالنسبة لركوب سيارات الأجرة ، سيتم تجهيز البطانات بعجلات بمحرك كهربائي. كبديل - جرارات كهربائية عالية السرعة بدون طيار ، والتي ستكون قادرة على توصيل الطائرات بسرعة من ساحة الانتظار إلى المدرج والعكس صحيح.