Sneller, stiller, schoner - Nieuwe vliegtuigmotor

Het blijkt dat om veel te veranderen in de luchtvaart, je niet op zoek hoeft naar nieuwe propellers, futuristische ontwerpen of ruimtematerialen. Het volstaat om een ​​relatief eenvoudige mechanische overbrenging te gebruiken ...

Dit is een van de belangrijkste innovaties van de afgelopen jaren. Turbofanmotoren met tandwieloverbrenging (GTF) zorgen ervoor dat de compressor en ventilator met verschillende snelheden kunnen draaien. Het aandrijftandwiel van de ventilator draait met de ventilatoras maar scheidt de ventilatormotor van de lagedrukcompressor en turbine. De ventilator draait met een lagere snelheid, terwijl de compressor en lagedrukturbine met een hogere snelheid werken. Elke motormodule kan met een optimaal rendement werken. Na 20 jaar R&D en R&D-uitgaven van ongeveer $ 1000 miljard, was de Pratt & Whitney PurePower PW2016G turbofan-familie een paar jaar geleden operationeel en is sinds XNUMX massaal geïntroduceerd in commerciële vliegtuigen.

Moderne turbofanmotoren genereren op twee manieren stuwkracht. Ten eerste bevinden de compressoren en de verbrandingskamer zich in de kern. Aan de voorzijde bevindt zich een ventilator die, aangedreven door de kern, lucht door de bypasskamers rond de motorkern leidt. De bypass-verhouding is de verhouding tussen de hoeveelheid lucht die door de kern gaat en de hoeveelheid lucht die er doorheen gaat. Over het algemeen betekent een hogere bypass-verhouding stillere, efficiëntere en krachtigere motoren. Conventionele turbofanmotoren hebben een bypass-verhouding van 9 op 1. Pratt PurePower GTF-motoren hebben een bypass-verhouding van 12 op 1.

Om de bypass-verhouding te vergroten, moeten motorfabrikanten de lengte van de ventilatorbladen vergroten. Bij strekking zullen de aan het uiteinde van het blad verkregen rotatiesnelheden echter zo hoog zijn dat ongewenste trillingen zullen optreden. Je hebt ventilatorbladen nodig om te vertragen, en daar is de versnellingsbak voor. Zo'n motor kan oplopen tot wel 16 procent, aldus Pratt & Whitney. groot brandstofverbruik en 50 procent. minder uitlaatemissies en is 75 procent. rustig. Onlangs hebben SWISS en Air Baltic aangekondigd dat hun straalmotoren uit de GTF C-serie nog minder brandstof verbruiken dan de fabrikant belooft.

PW1100G-JM-motor op een productielijn

Het tijdschrift TIME noemde de PW1000G-motor een van de 50 belangrijkste uitvindingen van 2011 en een van de zes meest milieuvriendelijke uitvindingen, aangezien Pratt & Whitney PurePower is ontworpen om schoner, stiller, krachtiger te zijn en minder brandstof te verbruiken dan bestaande straalmotoren. In 2016 noemde Richard Anderson, de toenmalige president van Delta Air Lines, de motor "de eerste echte innovatie" sinds Boeing's Dreamliner een revolutie teweegbracht in de composietconstructie.

Besparing en vermindering van emissies

De commerciële luchtvaartsector stoot jaarlijks meer dan 700 miljoen ton koolstofdioxide uit. Al is het maar zo'n 2 procent. wereldwijde uitstoot van kooldioxide, zijn er aanwijzingen dat broeikasgassen in vliegtuigbrandstof een grotere impact hebben op de atmosfeer omdat ze op grotere hoogte vrijkomen.

Grote motorfabrikanten proberen brandstof te besparen en emissies te verminderen. Pratt-concurrent CFM International introduceerde onlangs zijn eigen geavanceerde motor, de LEAP genaamd, die volgens bedrijfsfunctionarissen vergelijkbare resultaten levert als een turbofan met tandwieloverbrenging ten koste van andere oplossingen. CFM beweert dat in een traditionele turbofan-architectuur dezelfde voordelen kunnen worden behaald zonder het extra gewicht en de weerstand van de aandrijflijn. LEAP maakt gebruik van lichtgewicht composietmaterialen en ventilatorbladen van koolstofvezel om energie-efficiëntieverbeteringen te bereiken die volgens het bedrijf vergelijkbaar zijn met die van de Pratt & Whitney-motor.

Tot op heden zijn de bestellingen voor Airbus-motoren voor de A320neo ongeveer gelijk verdeeld tussen CFM en Pratt & Whitney. Helaas voor het laatste bedrijf veroorzaken PurePower-motoren problemen voor gebruikers. De eerste verscheen dit jaar, toen ongelijkmatige koeling van GTF-motoren werd geregistreerd in Qatar Airways Airbus A320neo. Ongelijkmatige koeling kan leiden tot vervorming en wrijving van onderdelen en tegelijkertijd de tijd tussen vluchten verlengen. Als gevolg hiervan concludeerde de luchtvaartmaatschappij dat de motoren niet voldeden aan de operationele eisen. Kort daarna schortten de Indiase luchtvaartautoriteiten de vluchten op van 11 Airbus A320neo-vliegtuigen met PurePower GTF-motoren. Volgens de Economic Times kwam de beslissing nadat Airbus GTF-aangedreven vliegtuigen in de loop van twee weken drie motorstoringen hadden opgelopen. Pratt & Whitney bagatelliseert deze moeilijkheden en zegt dat ze gemakkelijk te overwinnen zijn.

Airbus elektronische ventilator

Een andere gigant op het gebied van vliegtuigmotoren, Rolls-Royce, ontwikkelt zijn eigen Power Gearbox, die tegen 2025 het brandstofverbruik in grote turbofans met 25% zal verminderen. in vergelijking met oudere modellen van het bekende Trent-motorengamma. Dit betekent natuurlijk een nieuwe Pratt & Whitney ontwerpwedstrijd.

De Britten denken ook na over andere vormen van innovatie. Tijdens de recente Singapore Airshow lanceerde Rolls-Royce het IntelligentEngine Initiative, dat tot doel heeft intelligente vliegtuigmotoren te ontwikkelen die veiliger en efficiënter zijn door met elkaar te communiceren en via een ondersteunend netwerk. Door continue tweerichtingscommunicatie met de engine en andere delen van het service-ecosysteem te bieden, kan de engine problemen oplossen voordat ze optreden en leren hoe de prestaties kunnen worden verbeterd. Ze zouden ook leren van de geschiedenis van hun werk en andere motoren, en over het algemeen zouden ze zichzelf zelfs onderweg moeten repareren.

Drive heeft betere batterijen nodig

De luchtvaartvisie van de Europese Commissie voor 2050 roept op tot een reductie van de CO-uitstoot.₂ met 75 procent, stikstofoxiden met 90 procent. en geluid met 65 procent. Ze kunnen niet worden bereikt met bestaande technologieën. Elektrische en hybride-elektrische aandrijfsystemen worden momenteel gezien als een van de meest veelbelovende technologieën om deze uitdagingen aan te gaan.

Er zijn elektrische lichte vliegtuigen met twee zitplaatsen op de markt. Vierzits hybride-elektrische voertuigen zijn in aantocht. NASA voorspelt dat dit type korteafstandsvliegtuigen met negen zitplaatsen in het begin van de jaren twintig luchtvaartdiensten terug zal brengen naar kleinere gemeenschappen. Zowel in Europa als in de VS denken wetenschappers dat het in 20 mogelijk is om een ​​hybride-elektrisch vliegtuig te bouwen met een capaciteit tot 2030 stoelen. Op het gebied van energieopslag is echter aanzienlijke vooruitgang nodig.

Momenteel is de energiedichtheid van batterijen gewoon niet genoeg. Dit kan echter allemaal veranderen. Tesla-baas Elon Musk zei dat zodra de batterijen 400 wattuur per kilogram kunnen produceren en de verhouding tussen celvermogen en totaal gewicht 0,7-0,8 is, het elektrische transcontinentale vliegtuig een "moeilijk alternatief" zal worden. Aangezien lithium-ionbatterijen een energiedichtheid van 113 Wh/kg in 1994 en 202 Wh/kg in 2004 konden bereiken en nu ongeveer 300 Wh/kg kunnen bereiken, kan worden aangenomen dat ze binnen het volgende decennium zal het niveau 400 Wh/kg bereiken.

Kitty Hawk elektrisch tweezits luchttaxi-project

Airbus, Rolls-Royce en Siemens zijn onlangs een samenwerking aangegaan om de E-Fan X vliegende demonstrator te ontwikkelen, wat een belangrijke stap voorwaarts zal zijn in de hybride-elektrische voortstuwing van commerciële vliegtuigen. E-Fan X hybride elektrische technologie demonstratie zal naar verwachting zijn -Fan X zal in 2020 vliegen na een uitgebreide grondtestcampagne. In de eerste fase zal de BAe 146 één van de vier motoren vervangen door een XNUMX MW elektromotor. Vervolgens is het de bedoeling om de tweede turbine te vervangen door een elektromotor, nadat de volwassenheid van het systeem is aangetoond.

Airbus zal verantwoordelijk zijn voor de algehele integratie, evenals de hybride elektrische voortstuwing en batterijbesturingsarchitectuur en de integratie met vluchtcontrolesystemen. Rolls-Royce wordt verantwoordelijk voor de gasturbinemotor, de generator van XNUMX megawatt en de vermogenselektronica. Samen met Airbus zal Rolls-Royce ook werken aan het aanpassen van de ventilatoren aan de bestaande Siemens-gondel en elektromotor. Siemens levert elektromotoren van XNUMX MW en een elektronische vermogensregelaar, evenals een omvormer, omvormer en stroomdistributiesysteem.

Veel onderzoekscentra over de hele wereld werken aan elektrische vliegtuigen, waaronder NASA, die de X-57 Maxwell bouwt. Het project Kitty Hawk elektrische tweezits luchttaxi en vele andere structuren van grote centra, bedrijven of kleine start-ups worden ook ontwikkeld.

Gezien het feit dat de gemiddelde levensduur van passagiers- en vrachtvliegtuigen respectievelijk ongeveer 21 en 33 jaar is, zelfs als alle nieuwe vliegtuigen die morgen worden geproduceerd volledig elektrisch zijn, zou het twee tot drie decennia duren om fossiele brandstoffen uit te faseren.

Het zal dus niet snel werken. Ondertussen kunnen biobrandstoffen het milieu in de luchtvaartsector verlichten. Ze helpen de uitstoot van kooldioxide met 36-85 procent te verminderen. Ondanks het feit dat mengsels van biobrandstoffen voor straalmotoren al in 2009 werden gecertificeerd, heeft de luchtvaartindustrie geen haast om veranderingen door te voeren. Er zijn weinig technologische hindernissen en uitdagingen om de productie van biobrandstoffen naar een industrieel niveau te brengen, maar het belangrijkste afschrikmiddel is de prijs - het duurt nog tien jaar om gelijkwaardigheid met fossiele brandstoffen te bereiken.

Stap in de toekomst

Tegelijkertijd werken de laboratoria aan wat meer futuristische vliegtuigmotorconcepten. Zo klinkt een plasmamotor tot nu toe niet erg realistisch, maar het is niet uitgesloten dat wetenschappelijke werken zich gaan ontwikkelen tot iets interessants en bruikbaars. Plasma-stuwraketten gebruiken elektriciteit om elektromagnetische velden te creëren. Ze comprimeren en exciteren een gas, zoals lucht of argon, tot een plasma - een hete, dichte, geïoniseerde toestand. Hun onderzoek leidt nu tot het idee om satellieten in de ruimte te lanceren (ion thrusters). Berkant Goeksel van de Technische Universiteit van Berlijn en zijn team willen echter plasma-stuwraketten op vliegtuigen plaatsen.

Het doel van de studie is om een ​​luchtstraalplasmamotor te ontwikkelen die kan worden gebruikt voor zowel start- als vluchten op grote hoogte. Plasmajets zijn typisch ontworpen om te werken in een vacuüm- of lagedrukatmosfeer waar een gastoevoer vereist is. Het team van Göksel testte echter een apparaat dat in lucht kon werken bij een druk van één atmosfeer. "Onze plasmasproeiers kunnen snelheden tot 20 kilometer per seconde halen", zegt Göckel in de conferentiereeks Journal of Physics.

SABRE-motor in het hypersonische voertuig van de toekomst

Om te beginnen testte het team miniatuur-stuwraketten van 80 millimeter lang. Voor een klein vliegtuig zal dit oplopen tot duizend van wat het team mogelijk acht. De grootste beperking is natuurlijk het ontbreken van lichtgewicht batterijen. De wetenschappers denken ook aan hybride vliegtuigen, waarbij een plasmamotor zou worden gecombineerd met verbrandingsmotoren of raketten.

Als we het hebben over innovatieve straalmotorconcepten, laten we dan niet de SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) vergeten, ontwikkeld door Reaction Engines Limited. Aangenomen wordt dat dit een motor zal zijn die zowel in de atmosfeer als in vacuüm werkt, op vloeibare waterstof. In de beginfase van de vlucht zal de oxidator lucht uit de atmosfeer zijn (zoals in conventionele straalmotoren) en van een hoogte van 26 km (waar het schip een snelheid van 5 miljoen jaar bereikt) - vloeibare zuurstof. Na het overschakelen naar de raketmodus bereikt hij snelheden tot Mach 25.

HorizonX, de investeringstak van Boeing die bij het project betrokken is, moet nog beslissen hoe SABRE het kan gebruiken, behalve dat het verwacht "revolutionaire technologie te gebruiken om Boeing te helpen bij zijn zoektocht naar supersonische vluchten".

RAMJET en scramjet (supersonische straalmotor met een verbrandingskamer) zijn al lang op de lippen van fans van snelle luchtvaart. Momenteel zijn ze voornamelijk ontwikkeld voor militaire doeleinden. Maar zoals de geschiedenis van de luchtvaart leert, gaat wat in het leger wordt getest naar de burgerluchtvaart. Het enige dat nodig is, is een beetje geduld.

Rolls Royce Intelligent Engine-video:

Rolls Royce | Innovatie in IntelligentEngine