Быстрее, тише, чище – новый авиационный двигатель

Оказывается, чтобы многое изменить в авиации, не нужно искать новые винты, футуристические конструкции или космические материалы. Достаточно использовать относительно простую механическую трансмиссию…

Это одно из самых важных нововведений последних лет. Турбовентиляторные двигатели с редуктором (GTF) позволяют компрессору и вентилятору вращаться с разной скоростью. Шестерня привода вентилятора вращается вместе с валом вентилятора, но отделяет двигатель вентилятора от компрессора низкого давления и турбины. Вентилятор вращается с меньшей скоростью, а компрессор и турбина низкого давления работают с большей скоростью. Каждый модуль двигателя может работать с оптимальной эффективностью. После 20 лет исследований и разработок и затрат на исследования и разработки около 1000 миллиарда долларов семейство ТРДД Pratt & Whitney PurePower PW2016G было готово к эксплуатации несколько лет назад и с XNUMX года массово внедряется в коммерческие самолеты.

Современные турбовентиляторные двигатели создают тягу двумя способами. Во-первых, компрессоры и камера сгорания расположены в его ядре. В передней части находится вентилятор, который, приводимый в действие сердечником, направляет воздух через перепускные камеры вокруг сердечника двигателя. Коэффициент байпаса представляет собой отношение количества воздуха, проходящего через сердцевину, к количеству воздуха, прошедшего через него. В целом, более высокий коэффициент двухконтурности означает более тихие, более эффективные и более мощные двигатели. Обычные турбовентиляторные двигатели имеют коэффициент двухконтурности от 9 до 1. Двигатели Pratt PurePower GTF имеют коэффициент двухконтурности от 12 до 1.

Чтобы увеличить коэффициент байпаса, производители двигателей должны увеличить длину лопастей вентилятора. Однако при удлинении скорости вращения, получаемые на конце лопасти, будут настолько высокими, что возникнут нежелательные вибрации. Вам нужны лопасти вентилятора, чтобы замедлить скорость, и для этого предназначена коробка передач. По данным Pratt & Whitney, такой двигатель может достигать 16 процентов. большая экономия топлива и 50 процентов. меньше выбросов выхлопных газов и составляет на 75 процентов. тише. Не так давно SWISS и Air Baltic объявили, что их реактивные двигатели GTF C-серии потребляют даже меньше топлива, чем обещает производитель.

Двигатель PW1100G-JM на производственной линии

Журнал TIME назвал двигатель PW1000G одним из 50 самых важных изобретений 2011 года и одним из шести самых экологичных изобретений, поскольку Pratt & Whitney PurePower разработан, чтобы быть чище, тише, мощнее и потреблять меньше топлива, чем существующие реактивные двигатели. В 2016 году Ричард Андерсон, тогдашний президент Delta Air Lines, назвал двигатель «первой настоящей инновацией» с тех пор, как Dreamliner от Boeing произвел революцию в композитной конструкции.

Экономия и снижение выбросов

Сектор коммерческой авиации ежегодно выбрасывает более 700 миллионов тонн углекислого газа. Хотя это всего около 2 процентов. глобальные выбросы углекислого газа, есть свидетельства того, что парниковые газы в реактивном топливе оказывают большее влияние на атмосферу, поскольку они высвобождаются на больших высотах.

Крупные производители двигателей стремятся экономить топливо и сокращать выбросы. Конкурент Pratt – компания CFM International недавно представила свой собственный усовершенствованный двигатель под названием LEAP, который, по словам официальных лиц компании, обеспечивает аналогичные результаты с турбовентилятором с редуктором за счет других решений. CFM утверждает, что и в традиционной архитектуре турбовентилятора те же преимущества могут быть достигнуты без дополнительного веса и сопротивления трансмиссии. LEAP использует легкие композитные материалы и лопасти вентилятора из углеродного волокна для достижения повышения энергоэффективности, которое, по словам компании, сравнимо с тем, что было достигнуто с двигателем Pratt & Whitney.

На сегодняшний день заказы на двигатели Airbus для A320neo примерно поровну распределены между CFM и Pratt & Whitney. К сожалению для последней компании, двигатели PurePower вызывают проблемы у пользователей. Первые появились в этом году, когда было зафиксировано неравномерное охлаждение двигателей GTF в Airbus A320neo авиакомпании Qatar Airways. Неравномерное охлаждение может привести к деформации и трению деталей, а заодно увеличить время между полетами. В результате авиакомпания пришла к выводу, что двигатели не соответствуют эксплуатационным требованиям. Вскоре после этого индийские авиационные власти приостановили полеты 11 самолетов Airbus A320neo с двигателями PurePower GTF. Как сообщает Economic Times, такое решение было принято после того, как в течение двух недель у самолетов Airbus с двигателями GTF трижды отказали двигатели. Pratt & Whitney преуменьшает значение этих трудностей, говоря, что их легко преодолеть.

Электронный вентилятор Airbusa

Еще один гигант в области авиадвигателей, компания Rolls-Royce, разрабатывает собственную коробку передач Power Gearbox, которая к 2025 году позволит снизить расход топлива в больших ТРДД на 25%. по сравнению со старшими моделями известной линейки двигателей Trent. Это, конечно, означает новый конкурс дизайна Pratt & Whitney.

Британцы думают и о других видах инноваций. Во время недавнего авиашоу в Сингапуре компания Rolls-Royce выступила с инициативой IntelligentEngine, целью которой является разработка интеллектуальных авиационных двигателей, которые будут более безопасными и эффективными благодаря возможности общаться друг с другом и через сеть технической поддержки. Обеспечивая непрерывную двустороннюю связь с движком и другими частями сервисной экосистемы, движок сможет решать проблемы до их возникновения и учиться повышать производительность. Им бы тоже поучиться на истории их работы и других двигателей, а по большому счету им даже пришлось бы ремонтировать себя на ходу.

Электроприводу нужны более качественные батареи

Авиационное видение Европейской комиссии до 2050 года говорит о сокращении выбросов CO.₂ на 75 процентов, оксидов азота на 90 процентов. и шум на 65 процентов. Они не могут быть достигнуты с помощью существующих технологий. Электрические и гибридно-электрические силовые установки в настоящее время рассматриваются как одна из наиболее многообещающих технологий для решения этих задач.

На рынке есть двухместные электрические легкие самолеты. Четырехместные гибридно-электрические машины уже на горизонте. НАСА прогнозирует, что в начале 20-х годов ближнемагистральные девятиместные авиалайнеры этого типа вернут авиационные услуги в небольшие сообщества. И в Европе, и в США ученые считают, что к 2030 году можно построить гибридно-электрический самолет вместимостью до 100 мест. Однако значительный прогресс потребуется в области хранения энергии.

В настоящее время плотности энергии аккумуляторов просто не хватает. Однако все это может измениться. Босс Tesla Илон Маск сказал, что как только батареи будут способны производить 400 ватт-часов на килограмм, а отношение мощности элемента к общему весу составит 0,7-0,8, электрический трансконтинентальный авиалайнер станет «сложной альтернативой». Учитывая, что литий-ионные аккумуляторы смогли достичь плотности энергии 113 Втч/кг в 1994 г., 202 Втч/кг в 2004 г., а сейчас способны достичь около 300 Втч/кг, можно предположить, что в течение следующего десятилетия они достигнет уровня 400 Втч/кг.

Проект электрического двухместного аэротакси Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce и Siemens недавно заключили партнерское соглашение по разработке летающего демонстратора E-Fan X, который станет значительным шагом вперед в гибридно-электрической силовой установке для коммерческих самолетов. Ожидается демонстрация гибридной электрической технологии E-Fan X. чтобы быть -Fan X полетит в 2020 году после всесторонней кампании по наземным испытаниям. На первом этапе BAe 146 заменит один из четырех двигателей двухмегаваттным электродвигателем. Впоследствии планируется заменить вторую турбину на электродвигатель после демонстрации зрелости системы.

Airbus будет отвечать за общую интеграцию, а также за архитектуру управления гибридной электрической силовой установкой и батареями, а также за ее интеграцию с системами управления полетом. Rolls-Royce будет отвечать за газотурбинный двигатель, двухмегаваттный генератор и силовую электронику. Вместе с Airbus Rolls-Royce также будет работать над адаптацией вентиляторов к существующей гондоле Siemens и электродвигателю. Siemens поставит двухмегаваттные электродвигатели и электронный регулятор мощности, а также инвертор, преобразователь и систему распределения электроэнергии.

Многие исследовательские центры по всему миру работают над созданием электрических самолетов, в том числе NASA, которое строит X-57 Maxwell. Также разрабатывается проект электрического двухместного аэротакси Kitty Hawk и многих других структур крупных центров, компаний или небольших стартапов.

Учитывая, что средний срок службы пассажирских и грузовых самолетов составляет около 21 и 33 лет соответственно, даже если все новые самолеты, которые будут производиться завтра, будут полностью электрическими, потребуется от двух до трех десятилетий, чтобы отказаться от самолетов, работающих на ископаемом топливе.

Так что быстро не получится. Между тем, биотопливо может облегчить окружающую среду в авиационном секторе. Они способствуют снижению выбросов углекислого газа на 36-85 процентов. Несмотря на то, что биотопливные смеси для реактивных двигателей были сертифицированы еще в 2009 году, авиапром не спешит внедрять изменения. Технологических препятствий и проблем, связанных с доведением производства биотоплива до промышленного уровня, немного, но главным сдерживающим фактором является цена — для достижения равенства с ископаемым топливом требуется еще десять лет.

Шаг в будущее

В то же время лаборатории работают над несколько более футуристическими концепциями авиационных двигателей. Пока, например, плазменный двигатель звучит не очень реально, но нельзя исключать, что научные труды перерастут во что-то интересное и полезное. Плазменные двигатели используют электричество для создания электромагнитных полей. Они сжимают и возбуждают газ, например воздух или аргон, в плазму — горячее, плотное, ионизированное состояние. Их исследования теперь приводят к идее запуска спутников в космическом пространстве (ионные двигатели). Однако Беркант Гёксель из Берлинского технического университета и его команда хотят установить плазменные двигатели на самолеты.

Задача исследования состоит в том, чтобы разработать воздушно-реактивный плазменный двигатель, который можно было бы использовать как для взлета, так и для высотных полетов. Плазменные реактивные двигатели обычно предназначены для работы в вакууме или атмосфере низкого давления, где требуется подача газа. Однако команда Гёкселя испытала устройство, способное работать на воздухе при давлении в одну атмосферу. «Наши плазменные сопла могут развивать скорость до 20 километров в секунду», — говорит Гёксель в серии конференций Journal of Physics.

Двигатель SABRE в гиперзвуковом транспортном средстве будущего

Для начала команда испытала миниатюрные подруливающие устройства длиной 80 миллиметров. Для небольшого самолета это будет до тысячи от того, что команда считает возможным. Самым большим ограничением, конечно же, является отсутствие легких аккумуляторов. Ученые также рассматривают гибридные самолеты, в которых плазменный двигатель будет сочетаться с двигателями внутреннего сгорания или ракетами.

Когда мы говорим об инновационных концепциях реактивных двигателей, нельзя забывать о двигателе SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), разработанном Reaction Engines Limited. Предполагается, что это будет двигатель, работающий как в атмосфере, так и в вакууме, работающий на жидком водороде. На начальном этапе полета окислителем будет воздух из атмосферы (как в обычных реактивных двигателях), а с высоты 26 км (где корабль достигает скорости 5 млн лет) — жидкий кислород. После перехода в ракетный режим он будет развивать скорость до 25 Маха.

HorizonX, инвестиционное подразделение Boeing, участвующее в проекте, еще не определилось, как SABRE может его использовать, за исключением того, что он рассчитывает «использовать революционную технологию, чтобы помочь Boeing в его стремлении к сверхзвуковому полету».

ПВРД и ГПВРД (сверхзвуковой реактивный двигатель с камерой сгорания) уже давно на устах любителей скоростной авиации. В настоящее время они разрабатываются в основном для военных целей. Однако, как учит история авиации, то, что будет проверено в армии, то и пойдет в гражданскую авиацию. Все, что нужно, это немного терпения.

Видеоролик об интеллектуальном двигателе Rolls Royce:

Роллс-Ройс | Новаторство в IntelligentEngine