האם מטוס חשמלי מהווה חלופה לתעופה מודרנית?

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

מנוע הגז (טורבינת הגז) המודרני המניע את הספינות הוא כמובן לא רעשן שתי פעימות לכלי גינון, אלא מכונה יעילה מאוד ואמינה מאוד. עם זאת, לדברי יצרני המטוסים, הוא קרוב למיצוי הרזרבות לשיפור נוסף.

למה יש מנועים - כל מטוסי הנוסעים בבנייה כל כך דומים זה לזה שרק מומחה תעופה יבחין מיד בין בואינג או איירבוס לבין בומברדייה או MS-21. ולמרות שאין שמץ של ספק שמטוסי נוסעים מהסוג המודרני עם שני מנועי טורבינת גז מתחת לכנפיים יגלגלו אותנו על פני השמים במשך עשרות שנים, תקוות גדולות למתווה חדש ולאווירודינמיקה חדשה של מטוסים קשורות להנעה חשמלית.

מהר, אבל לא להרבה זמן

עד לאחרונה, המושג "מטוס חשמלי" הובן כ"מטוס חשמלי יותר" - כלי טיס בעל כנף קבועה, בו הוחלפו ההילוכים המכניים וההידראוליים למקסימום באלה החשמליים.

לא עוד צינורות וכבלים - כל העבודה המכנית, כמו הנעת ההגאים ומיכון הכנף, מתבצעת על ידי מנועים חשמליים קטנים, המסופקים עם כוח ותעלה לאות הבקרה. כעת המונח התמלא במשמעות חדשה: מישור חשמלי אמיתי חייב לנוע בעצמו על מתיחה חשמלית.

כמובן, הסיכויים לתעופה חשמלית תלויים לא רק (ואפילו לא כל כך) במעצבי מטוסים אלא בהתקדמות בתחום הנדסת החשמל. אחרי הכל, מטוסים, כמו שאומרים, "על סוללות" קיימים. מנועי עזר חשמליים הותקנו ברחפנים לפני מספר עשורים.

ה-Extra 330LE, שטס לראשונה ב-2016, כבר נושא דאונים וקובע שיאי מהירות. אבל בלוק של 14 סוללות ליתיום-יון חזקות ומנוע חשמלי מבית סימנס מאפשרים לתינוק הזה להעלות על הסיפון רק שני אנשים, כולל הטייס, ולהישאר באוויר לא יותר מ-20 דקות.

תוספת 330LE

כמובן, יש פרויקטים עם אינדיקטורים הרבה יותר מרשימים. בספטמבר אשתקד הודיעה חברת הלואו קוסט הבריטית איזי ג'ט כי בעוד עשר שנים תשיק אוניית אניה אזורית חשמלית כולה (טווח של 540 ק מ, שזה לא מעט לטיסות פנים אירופיות) עם קיבולת של 180 נוסעים.

הסטארט-אפ האמריקאי Wright Electric, שכבר בנה מדגמן מעופף דו-מושבי, הפך לשותף בפרויקט. עם זאת, כיום צפיפות האנרגיה של סוללות הליתיום-יון הטובות ביותר היא יותר מסדר גודל נחותה מדלק פחמימני. ההנחה היא שעד 2030 סוללות ישפרו את ביצועיהן פי שניים לכל היותר.

טורבינה, תישאר

המצב עם תאי דלק נראה הרבה יותר מועיל, שבו האנרגיה הכימית של הדלק מומרת לאנרגיה חשמלית ישירות, תוך עקיפת תהליך הבעירה.

מימן נחשב לדלק המבטיח ביותר למקור כוח כזה. ניסויים בתאי דלק כמקור כוח למטוס חשמלי מבוצעים במדינות שונות בעולם (ברוסיה, CIAM עובדת בעיקר על פרויקטים ליצירת מטוסים כאלה, ותאי דלק עבורם נוצרים ב-IPCP RAS תחת הנחיית פרופסור יורי דוברובולסקי).

מהמושגים המעופפים והמאוישים, אפשר להיזכר במדגמן האירופי ENFICA-FC Rapid 200FC - הוא השתמש בו זמנית בסוללות חשמליות ובתאי דלק. אבל גם טכנולוגיה זו זקוקה לשיפור משמעותי ולמחקר נוסף.

נראה שהסיכויים המציאותיים ביותר להיום הם הסיכויים למטוסים חשמליים שנבנו על פי התוכנית ההיברידית. המשמעות היא שמדחף המטוס (פרופלור או פרופן) יונע על ידי מנוע חשמלי, אך הוא יקבל חשמל מגנרטור המסובב… על ידי מנוע טורבינת גז (או מנוע בעירה פנימית אחר). במבט ראשון, תוכנית כזו נראית מוזרה: הם רוצים לנטוש את ה-GTE לטובת המנוע החשמלי, אבל הם לא מתכוונים לעשות זאת.

יש כבר לא מעט פרויקטים היברידיים בעולם, אבל אנחנו מתעניינים בעיקר ברוסיה.העבודה על מטוס חשמלי, במיוחד עם תוכנית היברידית, בוצעה במכונים מדעיים שונים של פרופיל התעופה, כגון TsAGI או TsIAM.

כיום מאוחדים (משנת 2014) מוסדות אלה ועוד כמה מוסדות בחסות מרכז המחקר "המכון על שם נ. י. ז'וקובסקי", שנועד להפוך ל"אמון מוחי" אחד ועוצמתי של התעשייה. המשימה של שילוב כל העבודות על תעופה חשמלית בתוך המרכז מוטלת על סרגיי גלפרין, אותו כבר ציטטנו בתחילת המאמר.

המראה מופעל באמצעות סוללה

"המעבר למנועים חשמליים בתעופה פותח הרבה אפשרויות מעניינות", אומר סרגיי הלפרין, "אבל אין סיבה לסמוך על יצירת מטוס חשמלי מסחרי עם טווח הגון לתנאים הרוסיים על מקורות אנרגיה כימיים בלבד (סוללות או תאי דלק) בעתיד הקרוב: פוטנציאל האנרגיה שונה יותר מדי קילוגרם נפט וק"ג סוללות. עיצוב היברידי יכול להיות פשרה סבירה. יש להבין שמנוע טורבינת גז שיוצר ישירות דחף ומנוע טורבינת גז שיניע את גל הגנרטור אינם זהים כלל.

העובדה היא שדרישות האנרגיה של המטוס משתנות באופן משמעותי במהלך הטיסה. בהמראה מנוע המטוס מפתח כוח קרוב למקסימום, ובזמן השיוט (כלומר, במשך רוב הטיסה) צריכת החשמל של המטוס מצטמצמת פי 5-6.

לפיכך, תחנת כוח מסורתית חייבת להיות מסוגלת לפעול במגוון רחב של מצבים (לא תמיד אופטימליים מבחינה כלכלית) ולעבור במהירות מאחד לשני. שום דבר מסוג זה אינו נדרש ממנוע טורבינת גז בהתקנה היברידית. זה יהיה דומה לטורבינות גז של תחנות כוח, שפועלות תמיד באותו מצב, המועיל ביותר מבחינה כלכלית. הם עובדים כבר שנים בלי להפסיק.

סי-ליינר

בעזרת גנרטור, ה-GTE יוכל לייצר אנרגיה לאספקת חשמל ישירה של מנועים חשמליים, וכן ליצירת רזרבה בסוללות. תידרש עזרה מהסוללה רק בהמראה.

אבל מכיוון שהפעלת המנועים החשמליים במצב המראה תימשך דקות ספורות בלבד, עתודת האנרגיה לא צריכה להיות גדולה מאוד והסוללות על הסיפון יכולות להיות מקובלות למדי בגודל ובמשקל. יחד עם זאת, למנוע טורבינת הגז לא יהיה כל משטר המראה - עיסוקו הוא לייצר חשמל בשקט.

כך, בניגוד למנוע מטוס, מנוע טורבינת גז במטוס חשמלי היברידי יהיה פחות חזק, אמין יותר וידידותי לסביבה, פשוט יותר בעיצובו, כלומר זול יותר ולבסוף, יהיה בעל משאב גדול יותר.

נושב על הכנף

במקביל, המעבר למנועים חשמליים פותח סיכויים לחידושים מהותיים בתכנון המטוסים האזרחיים של העתיד. אחד הנושאים הנדונים ביותר הוא יצירת תחנות כוח מבוזרות.

כיום, מתווה האונייה הקלאסי מניח שתי נקודות של הפעלת דחף, כלומר שניים, לעתים רחוקות ארבעה, מנועים חזקים התלויים על עמודים מתחת לכנף. במטוסים חשמליים נחשבת הפריסה של מספר רב של מנועים חשמליים לאורך הכנף, כמו גם בקצותיה. למה זה נחוץ?

הנקודה היא שוב בהבדל בין מצבי המראה לשייט. בהמראה במהירות נמוכה של זרימת האירוע, מטוס צריך שטח כנף גדול כדי ליצור עילוי. במהירות שיוט, הכנף הרחבה מפריעה ויוצרת עודף עילוי.

הבעיה נפתרת עקב מיכון מורכב - דשים ודקים נשלפים. מטוסים קטנים יותר, הממריאים משדות תעופה קטנים ובעלי כנפיים גדולות לכך, נאלצים לשייט בזווית התקפה לא אופטימלית, מה שמוביל לצריכת דלק נוספת.

אבל, אם בהמראה מנועים חשמליים רבים המחוברים למדחפים יפוצצו בנוסף את הכנף, היא לא תצטרך להיות רחבה מדי.המטוס ימריא בהמראה קצרה ובקטע השיוט כנף צרה לא תיצור בעיות. המכונית תימשך קדימה על ידי מדחפים המונעים על ידי מנועי ההנעה, והמדחפים לאורך הכנף בשלב זה יתקפלו או יחזרו לאחור לפני הנחיתה.

דוגמה לכך היא פרויקט X-57 Maxwell של נאס א. מדגמת הקונספט מצוידת ב-14 מנועים חשמליים הממוקמים לאורך הכנף ועל קצות הכנפיים. כולם עובדים רק בזמן ההמראה והנחיתה. בקטע השיוט מעורבים רק מנועי קצה כנף.

מיקום כזה של מנועים מאפשר להפחית את ההשפעה השלילית של מערבולות המתעוררות במקומות אלה. מצד שני, תחנת הכוח מתגלה כמורכבת, מה שאומר שהיא יקרה יותר לתחזוקה וגם הסבירות לתקלות גבוהה יותר. באופן כללי, למדענים ולמעצבים יש על מה לחשוב.

X-57 מקסוול

יעזור לחנקן נוזלי

"מטוס חשמלי מספק הזדמנויות רבות לאופטימיזציה", אומר סרגיי הלפרין. - ניתן להתנסות, למשל, בשילוב של ברגי משיכה ודחיפה. מנועים חשמליים הם הרבה יותר מועילים בהשוואה למנועי טורבינת גז במטוסים המתקדמים, שכן סיבוב בטוח של המנוע החשמלי למצב אופקי אינו מהווה בעיה הנדסית מורכבת כמו במקרה של מנועים מסורתיים.

במטוס חשמלי, אתה יכול להבטיח אינטגרציה מלאה של כל המערכות, ליצור מערכת בקרה חדשה. אפילו מכוניות היברידיות ייצרו פחות רעש ופליטות.

כמו סוללות, מנועים חשמליים גדלים במסה, בנפח ובפיזור החום ככל שההספק עולה. נדרשות טכנולוגיות חדשות כדי להפוך אותם לחזקים וקלים יותר.

עבור מפתחים מקומיים של מערכות הנעה היברידיות, פריצת דרך אמיתית הייתה שיתוף הפעולה עם חברת SuperOx הרוסית, אחת מחמש הספקיות הגדולות בעולם של חומרים בעלי תכונות מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה (HTSC). כעת SuperOx מפתחת מנועים חשמליים עם סטטור העשוי מחומרים מוליכים-על (מקוררים בחנקן נוזלי).

מנועים אלו בעלי מאפייני תעופה טובים יהוו בסיס לתחנת כוח היברידית למטוס אזורי, שעשוי לעלות לשמיים באמצע העשור הבא. השנה, בתערוכה האווירית של MAKS, הציגו מומחי CIAM מדגימה של התקנה כזו בהספק של 10 קילוואט. המטוס המתוכנן יצויד בתחנת כוח היברידית עם שני מנועי 500 קילוואט כל אחד.

"לפני שמדברים על מטוס חשמלי היברידי", אומר הלפרין, "יש צורך לבדוק את ההתקנה שלנו על הקרקע ולאחר מכן במעבדה מעופפת. אנו מקווים שזה יהיה ה-Yak-40. במקום מכ"ם, נוכל להכניס מנוע חשמלי HTSC של 500 קילוואט באף המכונית.

נתקין גנרטור טורבו בזנב במקום המנוע המרכזי. שני מנועי ה-Yak הנותרים יספיקו כדי לבחון את יצירתנו בטווח רחב של גבהים (עד 8000 מ') ומהירויות (עד 500 קמ"ש). וגם אם ההתקנה ההיברידית תיכשל, המטוס יכול להשלים בבטחה את הטיסה ולנחות". מעבדת ההדגמה תצויד על פי התוכנית ב-2019. מחזור המבחן מתוכנן באופן טנטטיבי לשנת 2020.

שמיים חכמים

הנעה חשמלית והיברידית תופסת מקום משמעותי בתוכניות של יצרניות המטוסים הגדולות בעולם. כך נראים המאפיינים העיקריים של תעופה לנוסעים של אמצע המאה הזו לפי תוכנית Smarter Skies של חברת AIRBUS.

טיסה "ירוק"

מטוס העתיד יתוכנן כדי למזער את טביעת הרגל הפחמימנית באטמוספירה. מנועי טורבינת גז מימן, היברידיים וכלי טיס חשמליים המונעים על ידי סוללות יזכו לפופולריות.

ההנחה היא שהסוללות ייטענו ממקורות חשמל ידידותיים לסביבה. המראה של חוות רוח גדולות או תחנות כוח סולאריות באזור שדות תעופה אפשרי.

חופש בשמיים

ספינות ספינות חכמות יתוו מסלולים באופן עצמאי בהתבסס על ידידותיות לסביבה ופרמטרים של יעילות דלק בהתבסס על ניתוח נתוני מזג האוויר והאטמוספירה. הם גם יוכלו להתאסף בתצורות כמו להקות ציפורים, מה שיפחית את הגרר עבור מטוסים בודדים במערך ויפחית את צריכת האנרגיה לטיסה.

דווקא מהאדמה

מערכות הנעה חדשות ואווירודינמיקה של מטוסים יאפשרו להם להמריא במסלול התלול ביותר האפשרי על מנת להפחית את הרעש באזור שדה התעופה ולהגיע לרמת השיוט בהקדם האפשרי, שם המטוס מפגין מאפיינים כלכליים מיטביים.

נחיתה ללא מנוע

מטוסי העתיד יוכלו לנחות במצב גלישה. זה יחסוך בדלק ויפחית את רמות הרעש באזור שדה התעופה. גם מהירות הנחיתה תרד. זה יקצר את אורך המסלולים.

אין אגזוז

שדות התעופה של העתיד יבטלו לחלוטין את השימוש במנועי בעירה פנימית השורפים דלק. להסעה, הספינות יצוידו בגלגלי מנוע חשמלי. כחלופה - טרקטורים חשמליים בלתי מאוישים במהירות גבוהה, שיוכלו להעביר מטוסים במהירות מהסינר למסלול ההמראה ולהיפך.