מהיר יותר, שקט יותר, נקי יותר - מנוע מטוס חדש
מסתבר שכדי לשנות הרבה בתעופה, לא צריך לחפש מדחפים חדשים, עיצובים עתידניים או חומרי חלל. מספיק להשתמש בתיבת הילוכים מכנית פשוטה יחסית ...
זהו אחד החידושים החשובים ביותר של השנים האחרונות. מנועי טורבו-פאן עם הילוכים (GTF) מאפשרים למדחס ולמאוורר להסתובב במהירויות שונות. גלגל ההנעה של המאוורר מסתובב עם ציר המאוורר אך מפריד את מנוע המאוורר מהמדחס והטורבינה בלחץ נמוך. המאוורר מסתובב במהירות איטית יותר, בעוד המדחס וטורבינת הלחץ הנמוך פועלים במהירות גבוהה יותר. כל מודול מנוע יכול לפעול ביעילות אופטימלית. לאחר 20 שנה של הוצאות מחקר ופיתוח ומו"פ של כ-1000 מיליארד דולר, משפחת הטורבופאנים Pratt & Whitney PurePower PW2016G פעלה לפני מספר שנים והוצגה באופן מסיבי למטוסים מסחריים מאז XNUMX.
מנועי טורבופאן מודרניים מייצרים דחף בשתי דרכים. ראשית, המדחסים ותא הבעירה ממוקמים בליבתו. בחלק הקדמי יש מאוורר אשר מונע על ידי הליבה מכוון אוויר דרך תאי המעקף סביב ליבת המנוע. יחס המעקף הוא היחס בין כמות האוויר העוברת דרך הליבה לכמות האוויר העוברת דרכה. באופן כללי, יחס מעקף גבוה יותר פירושו מנועים שקטים, יעילים וחזקים יותר. למנועי טורבו-פאן קונבנציונליים יש יחס מעקף של 9 ל-1. למנועי Pratt PurePower GTF יש יחס מעקף של 12 ל-1.
כדי להגדיל את יחס המעקף, יצרני המנועים חייבים להגדיל את אורך להבי המאווררים. עם זאת, כאשר הוא מוארך, מהירויות הסיבוב המתקבלות בקצה הלהב יהיו כה גבוהות שיתרחשו רעידות לא רצויות. אתה צריך להבי מאוורר כדי להאט, ובשביל זה נועדה תיבת ההילוכים. מנוע כזה יכול להגיע ל-16 אחוזים, לפי פראט אנד ויטני. צריכת דלק מצוינת ו-50 אחוז. פחות פליטת פליטות והוא 75 אחוז. שֶׁקֶט. לאחרונה, SWISS ואייר בלטיק הודיעו כי מנועי הסילון מסדרת C GTF שלהם צורכים אפילו פחות דלק ממה שהיצרן מבטיח.
מנוע PW1100G-JM בקו הייצור
מגזין TIME כינה את מנוע ה-PW1000G כאחת מ-50 ההמצאות החשובות ביותר של 2011 ואחת משש ההמצאות הידידותיות ביותר לסביבה, שכן Pratt & Whitney PurePower תוכנן להיות נקי יותר, שקט יותר, חזק יותר ולצרוך פחות דלק מאשר מנועי סילון קיימים. בשנת 2016, ריצ'רד אנדרסון, אז נשיא דלתא אייר ליינס, כינה את המנוע "החידוש האמיתי הראשון" מאז שה-Dreamliner של בואינג חולל מהפכה בבנייה המרוכבת.
חיסכון והפחתת פליטות
מגזר התעופה המסחרית פולט יותר מ-700 מיליון טונות של פחמן דו חמצני מדי שנה. למרות שזה רק כ-2 אחוזים. פליטת פחמן דו חמצני עולמית, קיימות עדויות לכך שלגזי חממה בדלק סילוני יש השפעה רבה יותר על האטמוספירה מכיוון שהם משתחררים בגבהים גבוהים יותר.
יצרניות המנועים הגדולות שואפות לחסוך בדלק ולהפחית פליטות. מתחרה פראט, CFM International, הציגה לאחרונה מנוע מתקדם משלה בשם LEAP, שלדברי גורמים בחברה מספק תוצאות דומות לטורבופאן בעל הילוך על חשבון פתרונות אחרים. CFM טוענת כי בארכיטקטורת טורבו-פאן מסורתית ניתן להשיג את אותם היתרונות ללא תוספת המשקל והגרר של מערכת ההינע. LEAP משתמשת בחומרים מרוכבים קלים בלהבי מאוורר סיבי פחמן כדי להשיג שיפורי יעילות אנרגטית שלטענת החברה דומים לאלה שהושגו עם מנוע Pratt & Whitney.
נכון להיום, ההזמנות של מנועי איירבוס ל-A320neo מחולקות בערך באופן שווה בין CFM ו-Pratt & Whitney. לרוע המזל עבור החברה האחרונה, מנועי PurePower גורמים לבעיות למשתמשים. הראשון הופיע השנה, כאשר נרשמה קירור לא אחיד של מנועי ה-GTF במטוס האיירבוס A320neo של קטאר איירווייס. קירור לא אחיד עלול להוביל לעיוות ולחיכוך של חלקים, ובמקביל להגדיל את הזמן בין טיסה לטיסות. כתוצאה מכך הגיעה חברת התעופה למסקנה שהמנועים אינם עומדים בדרישות התפעוליות. זמן קצר לאחר מכן, רשויות התעופה ההודיות השעו את טיסותיהם של 11 מטוסי איירבוס A320neo המונעים על ידי מנועי PurePower GTF. לפי ה-Economic Times, ההחלטה הגיעה לאחר שמטוסים מונעי איירבוס GTF סבלו משלוש תקלות מנוע במהלך שבועיים. פראט אנד ויטני ממעיטים בקשיים הללו ואומרים שקל להתגבר עליהם.
מאוורר אלקטרוני של איירבוס
ענקית נוספת בתחום מנועי המטוסים, רולס רויס, מפתחת Power Gearbox משלה, שעד שנת 2025 תפחית את צריכת הדלק בטורבומאאנרים גדולים ב-25%. בהשוואה לדגמים ישנים יותר ממגוון מנועי טרנט הידוע. המשמעות, כמובן, היא תחרות עיצוב חדשה של פראט אנד וויטני.
הבריטים חושבים גם על סוגים אחרים של חדשנות. במהלך תערוכת האוויר של סינגפור האחרונה, השיקה רולס רויס את יוזמת IntelligentEngine, שמטרתה לפתח מנועי מטוסים חכמים, בטוחים ויעילים יותר באמצעות היכולת לתקשר זה עם זה ובאמצעות רשת תמיכה. על ידי מתן תקשורת דו-כיוונית רציפה עם המנוע וחלקים אחרים של המערכת האקולוגית של השירות, המנוע יוכל לפתור בעיות לפני שהן מתרחשות וללמוד כיצד לשפר את הביצועים. הם גם ילמדו מההיסטוריה של עבודתם וממנועים אחרים, ובגדול הם אפילו יצטרכו לתקן את עצמם תוך כדי תנועה.
כונן זקוק לסוללות טובות יותר
חזון התעופה של הנציבות האירופית לשנת 2050 קורא להפחתת פליטת CO.2 ב-75 אחוז, תחמוצות חנקן ב-90 אחוז. ורעש ב-65 אחוז. לא ניתן להשיג אותם עם טכנולוגיות קיימות. מערכות הנעה חשמליות והיברידיות-חשמליות נתפסות כיום כאחת הטכנולוגיות המבטיחות ביותר לעמוד באתגרים אלו.
ישנם בשוק מטוסים קלים דו מושבים. רכבים היברידיים-חשמליים ארבעה מושבים נמצאים באופק. נאס"א צופה שבתחילת שנות ה-20, סוג זה של מטוסי נוסעים עם תשעה מושבים לטווח קצר יחזיר את שירותי התעופה לקהילות קטנות יותר. גם באירופה וגם בארה"ב, מדענים מאמינים שעד שנת 2030 אפשר לבנות מטוס היברידי-חשמלי עם קיבולת של עד 100 מושבים. עם זאת, תידרש התקדמות משמעותית בתחום אגירת האנרגיה.
נכון לעכשיו, צפיפות האנרגיה של סוללות פשוט לא מספיקה. עם זאת, כל זה יכול להשתנות. הבוס של טסלה, אילון מאסק, אמר שברגע שהסוללות מסוגלות להפיק 400 וואט-שעה לקילוגרם, והיחס בין כוח התא למשקל הכולל הוא 0,7-0,8, מטוס הנוסעים הטרנס-יבשתי החשמלי יהפוך ל"חלופה קשה". בהתחשב בכך שסוללות ליתיום-יון הצליחו להשיג צפיפות אנרגיה של 113 וואט/ק"ג ב-1994, 202 וואט/ק"ג ב-2004, וכעת הן מסוגלות להגיע לכ-300 וואט/ק"ג, ניתן להניח שבתוך העשור הבא הן יגיע לרמה של 400 וואט/ק"ג.
פרויקט מוניות אוויר דו-מושביות חשמליות של קיטי הוק
איירבוס, רולס רויס וסימנס שותפו לאחרונה לפיתוח הדגמה המעופפת E-Fan X, שתהווה צעד משמעותי קדימה בהנעה היברידית-חשמלית של מטוסים מסחריים. הפגנת טכנולוגיה היברידית חשמלית E-Fan X צפויה להיות -Fan X תטוס בשנת 2020 לאחר מסע ניסוי קרקע נרחב. בשלב הראשון, ה-BAe 146 יחליף את אחד מארבעת המנועים במנוע חשמלי של XNUMX מגה-וואט. בהמשך, מתוכנן להחליף את הטורבינה השנייה במנוע חשמלי לאחר הדגמת בשלות המערכת.
איירבוס תהיה אחראית לאינטגרציה הכוללת וכן לארכיטקטורת ההנעה החשמלית ההיברידית ובקרת הסוללה והשילוב שלה עם מערכות בקרת טיסה. רולס רויס תהיה אחראית על מנוע טורבינת הגז, גנרטור XNUMX מגה וואט ואלקטרוניקה. יחד עם איירבוס, רולס רויס תעבוד גם על התאמת המאווררים לתא המנוע והמנוע החשמלי הקיים של סימנס. סימנס תספק מנועים חשמליים של XNUMX MW ובקר כוח אלקטרוני, וכן מהפך, ממיר ומערכת חלוקת חשמל.
מרכזי מחקר רבים ברחבי העולם עובדים על מטוסים חשמליים, כולל נאס"א, שבונה את ה-X-57 מקסוול. מפותחים גם פרויקט מוניות אוויר דו-מושביות חשמליות של קיטי הוק ומבנים רבים אחרים של מרכזים גדולים, חברות או סטארט-אפים קטנים.
בהתחשב בעובדה שתוחלת החיים הממוצעת של מטוסי נוסעים ומטען היא בסביבות 21 ו-33 שנים, בהתאמה, גם אם כל המטוסים החדשים המיוצרים מחר יהיו חשמליים לחלוטין, יידרש שניים עד שלושה עשורים כדי להוציא בהדרגה מטוסים המונעים בדלק מאובנים.
אז זה לא יעבוד מהר. בינתיים, דלק ביולוגי יכול להקל על הסביבה במגזר התעופה. הם עוזרים להפחית את פליטת הפחמן הדו-חמצני ב-36-85 אחוזים. למרות העובדה שתערובות דלק ביולוגי למנועי סילון אושרו עוד ב-2009, תעשיית התעופה לא ממהרת ליישם שינויים. יש מעט מכשולים ואתגרים טכנולוגיים הקשורים בהבאת ייצור דלק ביולוגי לרמות תעשייתיות, אבל הגורם ההרתעה העיקרי הוא המחיר - לוקח עוד עשר שנים להגיע לשוויון עם דלקים מאובנים.
צעד אל העתיד
במקביל, המעבדות עובדות על מושגים קצת יותר עתידניים של מנועי מטוסים. עד כה, למשל, מנוע פלזמה לא נשמע מציאותי במיוחד, אבל לא ניתן לשלול שעבודות מדעיות יתפתחו למשהו מעניין ושימושי. דחפי פלזמה משתמשים בחשמל כדי ליצור שדות אלקטרומגנטיים. הם דוחסים ומעוררים גז, כמו אוויר או ארגון, לפלזמה - מצב חם, צפוף ומיונן. המחקר שלהם מוביל כעת לרעיון של שיגור לוויינים בחלל החיצון (מדחפי יונים). עם זאת, ברקנט גוקסל מהאוניברסיטה הטכנית של ברלין וצוותו רוצים לשים דחפי פלזמה על מטוסים.
מטרת המחקר היא לפתח מנוע פלזמה סילון אוויר שיוכל לשמש הן להמראה והן לטיסות בגובה רב. סילוני פלזמה מתוכננים בדרך כלל לפעול באווירת ואקום או בלחץ נמוך שבו נדרשת אספקת גז. עם זאת, הצוות של Göksel בדק מכשיר המסוגל לפעול באוויר בלחץ של אטמוספירה אחת. "חרירי הפלזמה שלנו יכולים להגיע למהירויות של עד 20 ק"מ לשנייה", אומר Göckel בסדרת הכנסים של Journal of Physics.
מנוע SABER ברכב ההיפרסוני של העתיד
מלכתחילה, הצוות בדק דחפים מיניאטוריים באורך 80 מילימטר. עבור מטוס קטן, זה יהיה עד אלף ממה שהצוות רואה אפשרי. המגבלה הגדולה ביותר, כמובן, היא המחסור בסוללות קלות משקל. המדענים שוקלים גם מטוסים היברידיים, שבהם מנוע פלזמה ישולב עם מנועי בעירה פנימית או רקטות.
כשאנחנו מדברים על תפיסות חדשניות של מנועי סילון, בואו לא נשכח את SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) שפותחה על ידי Reaction Engines Limited. ההנחה היא שזה יהיה מנוע הפועל הן באטמוספירה והן בוואקום, הפועל על מימן נוזלי. בשלב הראשוני של הטיסה, המחמצן יהיה אוויר מהאטמוספרה (כמו במנועי סילון רגילים), ומגובה של 26 ק"מ (שם מגיעה הספינה למהירות של 5 מיליון שנה) - חמצן נוזלי. לאחר המעבר למצב רקטה, הוא יגיע למהירויות של עד 25 מאך.
HorizonX, זרוע ההשקעות של בואינג המעורבת בפרויקט, טרם החליטה כיצד SABER תוכל להשתמש בו, אלא שהיא מצפה "להשתמש בטכנולוגיה מהפכנית כדי לעזור לבואינג בחיפושיה לטיסה על-קולית".
RAMJET ו-scramjet (מנוע סילון על-פרסוני עם תא בעירה) כבר מזמן על השפתיים של חובבי התעופה המהירה. נכון לעכשיו, הם מפותחים בעיקר למטרות צבאיות. אולם, כפי שמלמדת ההיסטוריה של התעופה, מה שיבחן בצבא יעבור לתעופה אזרחית. כל מה שצריך זה קצת סבלנות.
סרטון מנוע אינטליגנטי של רולס רויס:
רולס רויס | חדשנות ב- IntelligentEngine
