Nhanh hơn, Êm hơn, Sạch hơn - Động cơ Máy bay Mới

Nó chỉ ra rằng để thay đổi rất nhiều trong hàng không, bạn không cần phải tìm kiếm các cánh quạt mới, thiết kế tương lai hoặc vật liệu không gian. Chỉ cần sử dụng một hộp số cơ học tương đối đơn giản là đủ ...

Đây là một trong những đổi mới quan trọng nhất của những năm gần đây. Động cơ tuốc bin phản lực có giảm tốc (GTF) cho phép máy nén và quạt quay với các tốc độ khác nhau. Bánh răng dẫn động quạt quay cùng trục quạt nhưng tách động cơ quạt ra khỏi máy nén và tuabin áp suất thấp. Quạt quay với tốc độ chậm hơn, trong khi máy nén và tuabin áp suất thấp hoạt động với tốc độ cao hơn. Mỗi mô-đun động cơ có thể hoạt động với hiệu suất tối ưu. Sau 20 năm nghiên cứu và phát triển và chi tiêu khoảng 1000 tỷ đô la cho R&D, dòng máy bay phản lực cánh quạt Pratt & Whitney PurePower PW2016G đã đi vào hoạt động cách đây vài năm và đã được đưa vào trang bị máy bay thương mại một cách ồ ạt từ năm XNUMX.

Động cơ tuốc bin phản lực hiện đại tạo ra lực đẩy theo hai cách. Đầu tiên, máy nén và buồng đốt nằm ở lõi của nó. Ở phía trước là một quạt, được điều khiển bởi lõi, hướng không khí qua các khoang phụ xung quanh lõi động cơ. Tỷ lệ đường vòng là tỷ số giữa lượng không khí đi qua lõi và lượng không khí đi qua nó. Nói chung, tỷ lệ bỏ qua cao hơn có nghĩa là động cơ hoạt động êm hơn, hiệu quả hơn và mạnh mẽ hơn. Các động cơ tuốc bin phản lực thông thường có tỷ số rẽ nhánh là 9 trên 1. Động cơ Pratt PurePower GTF có tỷ số phụ là 12 trên 1.

Để tăng tỷ lệ rẽ nhánh, các nhà sản xuất mô tơ phải tăng chiều dài của cánh quạt. Tuy nhiên, khi được kéo dài ra, tốc độ quay thu được ở phần cuối của lưỡi dao sẽ rất cao nên sẽ xảy ra các rung động không mong muốn. Bạn cần cánh quạt để giảm tốc độ, và đó là điều mà hộp số dành cho. Theo Pratt & Whitney, một động cơ như vậy có thể cao tới 16%. tiết kiệm nhiên liệu tuyệt vời và 50 phần trăm. khí thải ít hơn và là 75 phần trăm. Yên tĩnh. Mới đây, SWISS và Air Baltic đã thông báo rằng động cơ phản lực dòng C GTF của họ thậm chí còn tiêu tốn ít nhiên liệu hơn những gì nhà sản xuất hứa hẹn.

Động cơ PW1100G-JM trên dây chuyền sản xuất

Tạp chí TIME đã đặt tên động cơ PW1000G là một trong 50 phát minh quan trọng nhất của năm 2011 và là một trong sáu phát minh thân thiện với môi trường nhất, vì Pratt & Whitney PurePower được thiết kế để sạch hơn, yên tĩnh hơn, mạnh mẽ hơn và sử dụng ít nhiên liệu hơn các động cơ phản lực hiện có. Vào năm 2016, Richard Anderson, khi đó là chủ tịch của Delta Air Lines, đã gọi động cơ này là "sự đổi mới thực sự đầu tiên" kể từ khi chiếc Dreamliner của Boeing tạo ra một cuộc cách mạng về chế tạo composite.

Tiết kiệm và giảm phát thải

Ngành hàng không thương mại thải ra hơn 700 triệu tấn carbon dioxide hàng năm. Mặc dù nó chỉ là khoảng 2 phần trăm. phát thải carbon dioxide toàn cầu, có bằng chứng cho thấy khí nhà kính trong nhiên liệu máy bay có tác động lớn hơn đến khí quyển khi chúng được thải ra ở độ cao lớn hơn.

Các nhà sản xuất động cơ lớn đang tìm cách tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải. Đối thủ cạnh tranh của Pratt, CFM International, gần đây đã giới thiệu động cơ tiên tiến của riêng mình có tên là LEAP, mà các quan chức của công ty cho biết mang lại kết quả tương tự cho một động cơ phản lực cánh quạt hướng với chi phí của các giải pháp khác. CFM tuyên bố rằng trong kiến ​​trúc động cơ phản lực cánh quạt truyền thống, có thể đạt được những lợi ích tương tự mà không cần tăng thêm trọng lượng và lực cản của hệ thống truyền động. LEAP sử dụng vật liệu composite nhẹ và cánh quạt bằng sợi carbon để đạt được những cải tiến về hiệu quả năng lượng mà công ty cho biết có thể so sánh với những cải tiến đạt được với động cơ Pratt & Whitney.

Cho đến nay, các đơn đặt hàng động cơ Airbus cho A320neo gần như được chia đều giữa CFM và Pratt & Whitney. Thật không may cho công ty sau này, động cơ PurePower đang gây ra vấn đề cho người dùng. Sự cố lần đầu tiên xuất hiện trong năm nay, khi động cơ GTF làm mát không đồng đều trên chiếc Airbus A320neo của Qatar Airways. Làm lạnh không đều có thể dẫn đến biến dạng và ma sát của các bộ phận, đồng thời làm tăng thời gian giữa các chuyến bay. Kết quả là hãng hàng không kết luận rằng các động cơ không đáp ứng yêu cầu vận hành. Ngay sau đó, nhà chức trách hàng không Ấn Độ đã đình chỉ chuyến bay của 11 máy bay Airbus A320neo chạy bằng động cơ PurePower GTF. Theo Economic Times, quyết định này được đưa ra sau khi chiếc máy bay chạy bằng động cơ GTF của Airbus bị hỏng động cơ XNUMX lần trong vòng XNUMX tuần. Pratt & Whitney nhấn mạnh những khó khăn này, nói rằng chúng rất dễ vượt qua.

Quạt điện tử Airbus

Một gã khổng lồ khác trong lĩnh vực động cơ máy bay, Rolls-Royce, đang phát triển Hộp số điện của riêng mình, đến năm 2025 sẽ giảm 25% mức tiêu thụ nhiên liệu trên các loại động cơ turbo lớn. so với các mẫu cũ của dòng động cơ Trent nổi tiếng. Tất nhiên, điều này có nghĩa là một cuộc thi thiết kế mới của Pratt & Whitney.

Người Anh cũng đang suy nghĩ về các loại đổi mới khác. Trong sự kiện Singapore Airshow gần đây, Rolls-Royce đã khởi động Sáng kiến ​​IntelligentEngine, nhằm phát triển các động cơ máy bay thông minh an toàn hơn và hiệu quả hơn thông qua khả năng giao tiếp với nhau và thông qua mạng lưới hỗ trợ. Bằng cách cung cấp giao tiếp hai chiều liên tục với động cơ và các bộ phận khác của hệ sinh thái dịch vụ, động cơ sẽ có thể giải quyết các vấn đề trước khi chúng xảy ra và học cách cải thiện hiệu suất. Họ cũng sẽ học hỏi từ lịch sử công việc của họ và các động cơ khác, và nói chung, họ thậm chí sẽ phải tự sửa chữa khi đang di chuyển.

Ổ đĩa cần pin tốt hơn

Tầm nhìn hàng không của Ủy ban Châu Âu cho năm 2050 kêu gọi giảm lượng khí thải CO.₂ 75%, các oxit nitơ bằng 90%. và tiếng ồn 65 phần trăm. Chúng không thể đạt được với các công nghệ hiện có. Hệ thống động cơ điện và hybrid-điện hiện đang được coi là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất để đáp ứng những thách thức này.

Trên thị trường có loại máy bay đèn điện hai chỗ ngồi. Xe điện hybrid 20 chỗ đang được tung ra thị trường. NASA dự đoán rằng vào đầu những năm 2030, loại máy bay đường ngắn 100 chỗ này sẽ đưa dịch vụ hàng không trở lại với các cộng đồng nhỏ hơn. Cả ở châu Âu và Mỹ, các nhà khoa học tin rằng đến năm XNUMX có thể chế tạo một loại máy bay hybrid-điện với sức chứa lên đến XNUMX chỗ ngồi. Tuy nhiên, cần phải có những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.

Hiện tại, mật độ năng lượng của pin chỉ đơn giản là không đủ. Tuy nhiên, tất cả điều này có thể thay đổi. Ông chủ Tesla Elon Musk nói rằng một khi pin có khả năng sản xuất 400 watt-giờ mỗi kg và tỷ lệ năng lượng pin trên tổng trọng lượng là 0,7-0,8, máy bay xuyên lục địa chạy điện sẽ trở thành một "sự thay thế khó khăn". Xem xét rằng pin lithium-ion có thể đạt được mật độ năng lượng 113 Wh / kg vào năm 1994, 202 Wh / kg vào năm 2004 và hiện có thể đạt khoảng 300 Wh / kg, có thể giả định rằng trong vòng một thập kỷ tới chúng sẽ đạt mức 400 Wh / kg.

Dự án taxi máy bay hai chỗ ngồi chạy điện Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce và Siemens gần đây đã hợp tác phát triển máy bay biểu diễn E-Fan X, đây sẽ là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực máy bay thương mại động cơ điện lai. Trình diễn công nghệ điện hybrid E-Fan X dự kiến ​​là -Fan X sẽ bay vào năm 2020 sau một chiến dịch thử nghiệm rộng rãi trên mặt đất. Trong giai đoạn đầu, BAe 146 sẽ thay thế một trong bốn động cơ bằng một động cơ điện XNUMX megawatt. Sau đó, người ta lên kế hoạch thay thế tuabin thứ hai bằng một động cơ điện sau khi chứng minh sự trưởng thành của hệ thống.

Airbus sẽ chịu trách nhiệm về sự tích hợp tổng thể cũng như kiến ​​trúc điều khiển pin và động cơ hybrid điện cũng như sự tích hợp của nó với các hệ thống điều khiển bay. Rolls-Royce sẽ chịu trách nhiệm về động cơ tuabin khí, máy phát điện XNUMX megawatt và thiết bị điện tử công suất. Cùng với Airbus, Rolls-Royce cũng sẽ làm việc để điều chỉnh các quạt này với động cơ điện và dây dẫn hiện có của Siemens. Siemens sẽ cung cấp động cơ điện XNUMX MW và bộ điều khiển công suất điện tử, cũng như bộ biến tần, bộ chuyển đổi và hệ thống phân phối điện.

Nhiều trung tâm nghiên cứu trên khắp thế giới đang nghiên cứu về máy bay điện, bao gồm cả NASA, công ty đang chế tạo X-57 Maxwell. Dự án taxi máy bay hai chỗ ngồi chạy điện Kitty Hawk và nhiều cấu trúc khác của các trung tâm lớn, công ty hay các công ty khởi nghiệp nhỏ cũng đang được phát triển.

Do tuổi thọ trung bình của máy bay chở khách và máy bay chở hàng lần lượt là khoảng 21 và 33 năm, ngay cả khi tất cả các máy bay mới được sản xuất ngày mai đều chạy bằng điện, thì sẽ phải mất XNUMX-XNUMX thập kỷ để loại bỏ các máy bay chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.

Vì vậy, nó sẽ không hoạt động nhanh chóng. Trong khi đó, nhiên liệu sinh học có thể làm sáng môi trường trong lĩnh vực hàng không. Chúng giúp giảm lượng khí thải carbon dioxide từ 36-85 phần trăm. Mặc dù thực tế là hỗn hợp nhiên liệu sinh học cho động cơ phản lực đã được chứng nhận vào năm 2009, ngành hàng không vẫn chưa vội thực hiện các thay đổi. Có rất ít rào cản và thách thức về công nghệ liên quan đến việc đưa sản xuất nhiên liệu sinh học lên cấp độ công nghiệp, nhưng yếu tố cản trở chính là giá cả - phải mất XNUMX năm nữa để đạt được mức tương đương với nhiên liệu hóa thạch.

Bước tới tương lai

Đồng thời, các phòng thí nghiệm đang nghiên cứu các khái niệm động cơ máy bay tương lai hơn. Cho đến nay, ví dụ, một động cơ plasma nghe không thực tế lắm, nhưng không thể loại trừ rằng các công trình khoa học sẽ phát triển thành một thứ gì đó thú vị và hữu ích. Cục đẩy Plasma sử dụng điện để tạo ra điện từ trường. Chúng nén và kích thích một chất khí, chẳng hạn như không khí hoặc argon, thành plasma - một trạng thái nóng, đặc, ion hóa. Nghiên cứu của họ hiện dẫn đến ý tưởng phóng vệ tinh trong không gian vũ trụ (máy đẩy ion). Tuy nhiên, Berkant Goeksel của Đại học Kỹ thuật Berlin và nhóm của ông muốn đưa động cơ đẩy plasma lên máy bay.

Mục tiêu của nghiên cứu là phát triển một động cơ plasma phản lực không khí có thể được sử dụng cho cả các chuyến bay cất cánh và bay ở độ cao lớn. Máy bay phản lực plasma thường được thiết kế để hoạt động trong môi trường chân không hoặc áp suất thấp, nơi cần cung cấp khí. Tuy nhiên, nhóm của Göksel đã thử nghiệm một thiết bị có khả năng hoạt động trong không khí với áp suất bằng một bầu khí quyển. “Các vòi phun plasma của chúng tôi có thể đạt tốc độ lên tới 20 km / giây,” Göckel cho biết trong loạt hội thảo của Tạp chí Vật lý.

Động cơ SABER trên phương tiện siêu thanh của tương lai

Để bắt đầu, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm động cơ đẩy thu nhỏ dài 80 mm. Đối với một chiếc máy bay nhỏ, con số này sẽ lên tới hàng nghìn chiếc mà nhóm nghiên cứu cho là có thể. Tất nhiên, hạn chế lớn nhất là thiếu pin nhẹ. Các nhà khoa học cũng đang xem xét máy bay lai, trong đó động cơ plasma sẽ được kết hợp với động cơ đốt trong hoặc tên lửa.

Khi chúng ta nói về các khái niệm động cơ phản lực sáng tạo, chúng ta đừng quên SABER (Động cơ tên lửa hợp lực thở bằng khí) được phát triển bởi Reaction Engines Limited. Người ta cho rằng đây sẽ là một động cơ hoạt động cả trong khí quyển và chân không, chạy bằng hydro lỏng. Ở giai đoạn đầu của chuyến bay, chất ôxy hóa sẽ là không khí từ khí quyển (như trong các động cơ phản lực thông thường), và từ độ cao 26 km (nơi con tàu đạt tốc độ 5 triệu năm) - ôxy lỏng. Sau khi chuyển sang chế độ tên lửa, nó sẽ đạt tốc độ lên tới Mach 25.

HorizonX, chi nhánh đầu tư của Boeing tham gia vào dự án, vẫn chưa quyết định cách SABER có thể sử dụng nó, ngoại trừ việc họ mong đợi "sử dụng công nghệ mang tính cách mạng để giúp Boeing trong hành trình bay siêu thanh."

RAMJET và scramjet (động cơ phản lực siêu thanh có buồng đốt) từ lâu đã trở thành tâm điểm của những người hâm mộ ngành hàng không tốc độ cao. Hiện tại, chúng được phát triển chủ yếu cho mục đích quân sự. Tuy nhiên, như lịch sử hàng không dạy, những gì sẽ được kiểm tra trong quân đội sẽ đến hàng không dân dụng. Tất cả những gì nó cần là một chút kiên nhẫn.

Video động cơ thông minh của Rolls Royce:

Rolls-Royce | Đổi mới trong IntelligentEngine