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Un aereo elettrico è un'alternativa all'aviazione moderna?
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Anonim

Il moderno motore a turbina a gas (turbofan) che aziona le camicie non è, ovviamente, un sonaglio a due tempi per attrezzi da giardinaggio, ma una macchina altamente efficiente e molto affidabile. Tuttavia, secondo i produttori di aeromobili, è vicino all'esaurimento delle riserve per ulteriori miglioramenti.

Perché ci sono i motori: tutti gli aerei di linea in costruzione sono così simili tra loro che solo un esperto di aviazione distinguerà immediatamente Boeing o Airbus da Bombardier o MS-21. E sebbene non vi sia il minimo dubbio che gli aerei di linea di tipo moderno con due motori a turbina a gas sotto le ali ci faranno volare nel cielo per decenni, grandi speranze per un nuovo layout e una nuova aerodinamica degli aerei sono associate alla propulsione elettrica.

Veloce, ma non per molto

Fino a poco tempo, il termine "aereo elettrico" era inteso come un "aereo più elettrico" - un aereo ad ala fissa, in cui le trasmissioni meccaniche e idrauliche erano sostituite al massimo da quelle elettriche.

Niente più tubi e cavi: tutto il lavoro meccanico, come guidare i timoni e meccanizzare l'ala, viene eseguito da piccoli motori elettrici-attuatori, che vengono forniti con alimentazione e un canale per il segnale di controllo. Ora il termine si è riempito di un nuovo significato: un vero aereo elettrico deve esso stesso muoversi a trazione elettrica.

Aereo elettrico
Aereo elettrico

Naturalmente, le prospettive per l'aviazione elettrica dipendono non solo (e nemmeno tanto) dai progettisti di aeromobili quanto dai progressi nel campo dell'ingegneria elettrica. Dopotutto, gli aeroplani, come si suol dire, esistono "a batteria". I motori elettrici ausiliari sono stati installati sugli alianti diversi decenni fa.

L'Extra 330LE, che ha volato per la prima volta nel 2016, trasporta già alianti e stabilisce record di velocità. Ma il suo blocco di 14 potenti batterie agli ioni di litio e un motore elettrico di Siemens consentono a questo bambino di imbarcare solo due persone, compreso il pilota, e di rimanere in aria per non più di 20 minuti.

Aereo elettrico
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330LE. in più

Naturalmente, ci sono progetti con indicatori molto più impressionanti. A settembre dello scorso anno, la compagnia aerea low cost britannica EasyJet ha annunciato che tra dieci anni lancerà un transatlantico regionale completamente elettrico (autonomia di 540 km, che è parecchio per i voli intraeuropei) con una capacità di 180 passeggeri.

La startup americana Wright Electric, che ha già realizzato un dimostratore volante biposto, è diventata partner del progetto. Tuttavia, oggi la densità energetica delle migliori batterie agli ioni di litio è di oltre un ordine di grandezza inferiore ai combustibili idrocarburici. Si presume che entro il 2030 le batterie miglioreranno le proprie prestazioni di un massimo di due volte.

Turbina, resta

Molto più vantaggiosa appare la situazione con le celle a combustibile, in cui l'energia chimica del combustibile viene convertita direttamente in energia elettrica, bypassando il processo di combustione.

L'idrogeno è considerato il carburante più promettente per una tale fonte di energia. Esperimenti con le celle a combustibile come fonte di energia per un aereo elettrico sono in corso in diversi paesi del mondo (in Russia, CIAM sta lavorando principalmente a progetti per creare tali aerei e le celle a combustibile per loro sono create presso l'IPCP RAS sotto il guida del professor Yuri Dobrovolsky).

Dai concetti di volo e con equipaggio, si può ricordare il dimostratore europeo ENFICA-FC Rapid 200FC - utilizzava contemporaneamente sia batterie elettriche che celle a combustibile. Ma questa tecnologia necessita anche di miglioramenti significativi e ulteriori ricerche.

Aereo elettrico
Aereo elettrico

Le prospettive più realistiche per oggi sembrano essere le prospettive per i velivoli elettrici costruiti secondo lo schema ibrido. Ciò significa che l'elica dell'aeromobile (elica o propfan) sarà azionata da un motore elettrico, ma riceverà elettricità da un generatore ruotato … da un motore a turbina a gas (o altro motore a combustione interna). A prima vista, un tale schema sembra strano: vogliono abbandonare la GTE a favore del motore elettrico, ma non lo faranno.

Ci sono già parecchi progetti ibridi nel mondo, ma siamo principalmente interessati alla Russia. Il lavoro su un aereo elettrico, in particolare con uno schema ibrido, è stato svolto in vari istituti scientifici del profilo aeronautico, come TsAGI o TsIAM.

Oggi, queste e alcune altre istituzioni sono state unite (dal 2014) sotto gli auspici del Centro di ricerca "Istituto intitolato a N. Ye. Zhukovsky", progettato per diventare un unico potente "cervello fiduciario" del settore. Il compito di integrare tutto il lavoro sull'aviazione elettrica all'interno del centro è affidato a Sergei Galperin, che abbiamo già citato all'inizio dell'articolo.

Aereo elettrico
Aereo elettrico

Decollo a batteria

"Il passaggio ai motori elettrici nell'aviazione apre molte prospettive interessanti", afferma Sergei Halperin, "ma non c'è motivo di contare sulla creazione di un aereo elettrico commerciale con un'autonomia decente per le condizioni russe su fonti energetiche puramente chimiche (batterie o celle a combustibile) nel prossimo futuro: il potenziale energetico differisce troppo da un chilogrammo di kerosene a un chilogrammo di batterie. Un design ibrido potrebbe essere un ragionevole compromesso. Si deve comprendere che un turbomotore a gas che crea direttamente la spinta e un turbomotore a gas che metterà in movimento l'albero del generatore non sono affatto la stessa cosa.

Il fatto è che il fabbisogno energetico dell'aeromobile cambia in modo significativo durante il volo. Al decollo, il motore dell'aeromobile sviluppa una potenza vicina al suo massimo e durante la crociera (cioè per la maggior parte del volo) il consumo di energia dell'aeromobile si riduce di 5-6 volte.

Pertanto, una centrale elettrica tradizionale deve poter operare in un'ampia gamma di modalità (non sempre ottimali dal punto di vista economico) e passare rapidamente da una all'altra. Niente del genere è richiesto da un motore a turbina a gas in un'installazione ibrida. Sarà simile alle turbine a gas delle centrali elettriche, che funzionano sempre nella stessa modalità economicamente più vantaggiosa. Sono anni che lavorano senza fermarsi.

Aereo elettrico
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Ce-liner

Con l'aiuto di un generatore, il GTE sarà in grado di generare energia per l'alimentazione diretta dei motori elettrici, nonché per creare una riserva nelle batterie. L'aiuto della batteria sarà necessario solo al decollo.

Ma poiché il funzionamento dei motori elettrici in modalità decollo durerà solo pochi minuti, la riserva di energia non dovrebbe essere molto grande e le batterie a bordo possono essere abbastanza accettabili per dimensioni e peso. Allo stesso tempo, il motore a turbina a gas non avrà alcun regime di decollo: la sua attività è generare elettricità in modo silenzioso.

Pertanto, a differenza di un motore aeronautico, un motore a turbina a gas in un aereo ibrido elettrico sarà meno potente, più affidabile e rispettoso dell'ambiente, più semplice nel design, il che significa più economico e, infine, avrà una maggiore risorsa.

Soffiando sull'ala

Allo stesso tempo, il passaggio ai motori elettrici apre prospettive per innovazioni fondamentali nella progettazione dei velivoli civili del futuro. Uno degli argomenti più discussi è la creazione di centrali elettriche distribuite.

Oggi, il layout classico delle navi prevede due punti di applicazione della spinta, cioè due, raramente quattro, potenti motori appesi a piloni sotto l'ala. Negli aeroplani elettrici, viene considerata la disposizione di un gran numero di motori elettrici lungo l'ala e alle sue estremità. Perché è necessario?

Il punto è ancora una volta nella differenza tra le modalità di decollo e crociera. Al decollo a una bassa velocità del flusso incidente, un aereo ha bisogno di un'ampia area alare per creare portanza. A velocità di crociera, l'ala larga si intromette, creando una portanza eccessiva.

Il problema è risolto a causa della complessa meccanizzazione: alette e lamelle retrattili. Gli aerei più piccoli, che decollano da piccoli aeroporti e che hanno grandi ali per questo, sono costretti a navigare con un angolo di attacco non ottimale, il che porta a un consumo aggiuntivo di carburante.

Aereo elettrico
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Ma se al decollo molti motori elettrici collegati alle eliche soffieranno ulteriormente sull'ala, non sarà necessario allargarla troppo. L'aereo decollerà con un decollo corto, e nella sezione di crociera un'ala stretta non creerà problemi. L'auto verrà tirata in avanti da eliche azionate dai motori di propulsione e le eliche lungo l'ala in questa fase verranno piegate o retratte prima dell'atterraggio.

Un esempio è il progetto X-57 Maxwell della NASA. Il dimostratore di concetto è dotato di 14 motori elettrici posizionati lungo l'ala e sulle estremità alari. Tutti funzionano solo durante il decollo e l'atterraggio. Nella sezione di crociera, sono coinvolti solo i motori di punta dell'ala.

Tale posizionamento dei motori consente di ridurre l'influenza negativa dei vortici che si verificano in questi luoghi. D'altra parte, la centrale risulta essere complessa, il che significa che è più costosa da mantenere e anche la probabilità di guasti è maggiore. In generale, scienziati e designer hanno qualcosa a cui pensare.

Aereo elettrico
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X-57 Maxwell

Aiuterà l'azoto liquido

"Un aereo elettrico offre molte opportunità di ottimizzazione", afferma Sergei Halperin. - È possibile sperimentare, ad esempio, con una combinazione di viti a trazione ea spinta. I motori elettrici sono molto più vantaggiosi rispetto ai turbomotori a gas nei convertiplani, poiché la rotazione sicura del motore elettrico in posizione orizzontale non presenta un problema ingegneristico così complesso come nel caso dei motori tradizionali.

In un aereo elettrico, puoi garantire la piena integrazione di tutti i sistemi, creare un nuovo sistema di controllo. Anche le auto ibride produrranno meno rumore ed emissioni”.

Come le batterie, i motori elettrici aumentano in massa, volume e dissipazione di calore all'aumentare della potenza. Sono necessarie nuove tecnologie per renderle più potenti e leggere.

Per gli sviluppatori nazionali di sistemi di propulsione ibrida, una vera svolta è stata la cooperazione con l'azienda russa SuperOx, uno dei cinque maggiori fornitori di materiali con proprietà di superconduttività ad alta temperatura (HTSC) al mondo. Ora SuperOx sta sviluppando motori elettrici con uno statore realizzato con materiali superconduttori (raffreddati con azoto liquido).

Questi motori con buone caratteristiche aeronautiche costituiranno la base di una centrale elettrica ibrida per un aereo regionale, che potrebbe prendere il volo a metà del prossimo decennio. Quest'anno, al MAKS air show, gli specialisti CIAM hanno presentato un dimostratore di un tale impianto con una capacità di 10 kW. Il velivolo pianificato sarà dotato di una centrale elettrica ibrida con due motori da 500 kW ciascuno.

Aereo elettrico
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“Prima di parlare di un velivolo ibrido elettrico”, afferma Halperin, “è necessario testare la nostra installazione a terra e poi in un laboratorio volante. Speriamo che sia lo Yak-40. Invece di un radar, possiamo mettere un motore elettrico HTSC da 500 kilowatt nel muso dell'auto.

Installeremo un turbogeneratore nella coda al posto del motore centrale. I due restanti motori Yak saranno sufficienti per testare la nostra idea in un'ampia gamma di altezze (fino a 8000 m) e velocità (fino a 500 km / h). E anche se l'installazione ibrida fallisce, l'aereo può completare in sicurezza il volo e atterrare . Il laboratorio dimostrativo sarà attrezzato secondo il piano nel 2019. Il ciclo di test è programmato provvisoriamente per il 2020.

Cieli intelligenti

La propulsione elettrica e ibrida occupa un posto significativo nei piani dei maggiori produttori di aeromobili del mondo. Ecco come appaiono le caratteristiche principali dell'aviazione passeggeri della metà di questo secolo secondo il programma Smarter Skies della compagnia AIRBUS.

Aereo elettrico
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Volo "verde"

Gli aerei del futuro saranno progettati per ridurre al minimo l'impronta di idrocarburi nell'atmosfera. I motori a turbina a idrogeno, gli ibridi e gli aerei completamente elettrici alimentati a batteria guadagneranno popolarità.

Si presume che le batterie verranno ricaricate da fonti di elettricità rispettose dell'ambiente. È possibile la comparsa di grandi parchi eolici o centrali solari nell'area degli aeroporti.

Libertà nel cielo

I transatlantici intelligenti tracceranno in modo indipendente i percorsi in base alla compatibilità ambientale e ai parametri di efficienza del carburante basati sull'analisi dei dati meteorologici e atmosferici. Saranno anche in grado di radunarsi in formazioni come stormi di uccelli, che ridurranno la resistenza per i singoli velivoli nella formazione e ridurranno il consumo di energia per il volo.

Aereo elettrico
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Piuttosto da terra

Nuovi sistemi di propulsione e aerodinamica dei velivoli consentiranno loro di decollare lungo la traiettoria più ripida possibile al fine di ridurre il rumore nell'area aeroportuale e raggiungere quanto prima il livello di crociera, dove il velivolo dimostra caratteristiche economiche ottimali.

Atterraggio senza motore

Gli aerei del futuro potranno atterrare in modalità planata. Ciò consentirà di risparmiare carburante e ridurre i livelli di rumore nell'area dell'aeroporto. Anche la velocità di atterraggio diminuirà. Ciò ridurrà la lunghezza delle piste.

senza scarico

Gli aeroporti del futuro elimineranno completamente l'uso di motori a combustione interna che bruciano carburante. Per il rullaggio le navi saranno dotate di ruote con motore elettrico. In alternativa - trattori elettrici senza pilota ad alta velocità, che saranno in grado di trasportare rapidamente gli aerei dal piazzale alla pista e viceversa.

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