Значительное снижение веса воздушных машин удалось достичь благодаря применению композитных материалов и сплавов лёгких металлов. Однако исследовательские группы продолжают изучение новинок, способных обеспечить ещё большую эффективность по весу, а также улучшенные характеристики самолётов. Революционные материалы авиации играет важную роль в достижении цели адаптации крыла к любым фазам хода воздушного судна. Например, сплав с памятью формы (никель-титановый сплав) допустимо «обучить» возвращать первоначальный вид материалу после деформации при нагревании.
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Революционные материалы авиации на экономию и экологию
Трансформирующееся крыло, структура которого изучается теперь специалистами НАСА и другими в рамках мира, представляет совершенно новую архитектуру. Таковая способна значительно упростить производственный процесс и снизить расход топлива самолётов на 2-8%, благодаря улучшениям аэродинамики крыла. Вместе с тем, очевидны улучшения маневренных возможностей воздушного судна.
Механизм трансформации охватывает всю систему крыла самолёта, покрываемого «кожей», состоящей из перекрывающихся частей, напоминающих чешуйки или перья. Возможность деформировать форму крыла с целью применения только подъёмной силы и крена, повысит эффективность полёта, уменьшая расход топлива. Кроме того, испытания конструкции в аэродинамической трубе показали соответствие аэродинамическим свойствам обычного самолётного крыла при разнице веса до одной десятой массы.
Революционная технология авиационного движения
Принципиально новые конструкции силовых установок самолётов, как ожидается, окажут значительное влияние на сокращение расхода топлива для будущего флота авиации. Внедрение революционных двигателей и электрических самолётов позволит в ближайшие десятилетия добиться значительной экономии топлива и сокращения вредных выбросов.
Сейчас конструкция с открытым ротором, поглощение пограничного слоя и электрические самолёты рассматриваются наиболее заметными инновациями, когда дело касается технологий авиационных двигателей. Так, технология «открытый ротор» представляет экономичную топливную архитектуру двигателя, своего рода гибрид пропеллера и турбовентиляторного мотора.
Особенностью конструкции видятся два незащищённых вентилятора, которые вращаются в противоположных направлениях. Такой подход позволяет сократить расход топлива и сократить выбросы CO2 почти на 30% по сравнению с обычными турбовентиляторными двигателями, подобными «CFM56».
Следует подчеркнуть — концепция «открытый ротор» существует несколько десятилетий. Развитие концепции замедлялось, в основном, имевших место проблем по снижению уровня шума. Шумовые характеристики здесь выше, чем у сопоставимых турбовентиляторных двигателей. Но сейчас производители ожидают ввода в эксплуатацию авиационного двигателя с открытым ротором.
Поглощение пограничного слоя
С целью снижения веса и лобового сопротивления двигателей с высоким КПД, рассматривается перспективный подход к распределению тяги на основные конструкции планера. Эта идея называется «Концепция движения фюзеляжа» (PFC — Propulsive Fuselage Concept). Здесь фюзеляж полностью действует как двигательная тяга. Самый простой способ реализовать эту концепцию — полностью захватить кольцевой пограничный слой (BLI — Boundary Layer Ingestion).
Концепция «захвата кильватера» через BLI тщательно исследована в рамках различных проектов. Например:
- «FuseFan»,
- «Claire Liner»
- «Bauhaus Luftfahrt»,
- «D8»,
- «STRAC-ABL».
Для технологии BLI двигатели располагаются ближе к задней части самолёта. Соответственно, воздух, проходящий над фюзеляжем, становится частью смеси воздуха, поступающего в воздухозаборник двигателя. По данным специалистов НАСА, аналитические исследования показали — технология BLI способна снизить расход авиационного топлива на 8,5% по сравнению с эксплуатируемыми современными самолётами.
Электрический самолёт движение авиации
Планы применения электричества в качестве чистой движущей энергии самолётов значительно продвинулись вперед. Электродвигатели не дают вредных выбросов в процессе работы, что видится важнейшим технологическим элементом достижения экологической цели 2050 года. Очевидно — сегодня производство электроэнергии не является безэмиссионным, но ожидается, что связанные с этим выбросы значительно снизятся.
Производители самолётов совместно с поставщиками электрического оборудования или специализированными компаниями в настоящее время разрабатывают электрические технологии. Таковые предполагается использовать в качестве движущей силы, обеспечивающей энергией борт современного самолёта.
Среди различных архитектур электрических силовых установок, рассматриваемых для будущих самолётов, логично выделить ряд категорий, основанных на различных технологиях. Уровни сокращения выбросов CO2, связанные с различными технологиями, зависят от производительности компонентов, конфигурации и задач.
Категории воздушных машин под технологии
Полностью электрические системы полагаются на аккумуляторы как на единственный источник движущей силы самолёта. Гибридно-электрические системы полагаются на газотурбинные двигатели для выработки электроэнергии и для зарядки аккумуляторов. Кроме того, батареи обеспечивают энергию, необходимую для движения на нескольких этапах полёта воздушного судна.
- Параллельно-гибридная система, где турбинный двигатель и двигатель с батарейным питанием установлены на валу. Вал приводит в движение вентилятор, соответственно, один или оба компонента обеспечивают движение в любой момент времени.
- Последовательно-гибридная система, где только электродвигатели механически соединяются с вентиляторами. Функция газовой турбины здесь — приводить в действие электрический генератор, который, в свою очередь, приводит в действие двигатели и/или заряжает батареи. Последовательно-гибридные системы совместимы с концепциями распределённых двигателей, когда используется несколько небольших двигателей и вентиляторов.
- Последовательный/параллельный частичный гибрид – система, где один или несколько вентиляторов приводятся в действие непосредственно газовой турбиной. При этом другие вентиляторы могут приводиться в действие исключительно электродвигателями, а двигатели получают питание от генератора с турбинным приводом или от аккумулятора.
- Полностью турбоэлектрическая система, где турбовальные двигатели используются для привода электрогенераторов, питающих инверторы. Следовательно, отдельные моторы постоянного тока приводят в действие отдельные распределённые электрические вентиляторы.
- Частично турбоэлектрическая система — вариант полной турбоэлектрической системы на электрической тяге для обеспечения некоторой тяговой мощности. Остальная часть вырабатывается турбовентиляторным двигателем, приводимым в движение газовой турбиной.
Относительно легко передать электроэнергию нескольким широко разнесённым двигателям. Кроме того, электрические моторы требуют меньше обслуживания, системы внутреннего сгорания. Поэтому увеличение количества отдельных электродвигателей, установленных на воздушном судне, не приводит к значительному увеличению затрат на техническое обслуживание.
Эта ситуация отличается от случая с реактивными самолётами, где высокие затраты на техническое обслуживание видятся серьёзным недостатком. Особенно это актуально для четырёхмоторных воздушных машин по сравнению с двухмоторными машинами. В целом, концепции электрических двигателей удачно подходят для применения в распределённых архитектурах силовых агрегатов. Сюда входят также варианты проектирования BLI.
Внедрение электрических моторов в область авиации является революционным шагом. Масштабируемую технологию предполагается внедрять поэтапно, начиная с 1- и 2-местных самолётов, некоторые из которых уже сегодня эксплуатируются сегодня. Дальше предвидятся более мелкие инновационные шаги, прежде чем удастся добраться до реализации коммерческого самолёта с батарейным питанием на 100 пассажирских мест.
Электрические воздушные такси
Электрические воздушные такси становятся реальностью. Многие производители авиационной техники участвуют сегодня в поиске решений для городской воздушной мобильности. В качестве примеров текущего прогресса в области электрических полётов, можно отметить два немецких стартапа, которые разработали два транспортных средства перевозки пассажиров из одного места в другое внутри и между городами совершенно без вредных выбросов.
Фирма «Volocopter» продемонстрировала первый пилотируемый полёт ещё в 2016 году. Несколько позже продукт «2X» получил все необходимые сертификаты безопасности. Летательный аппарат вмещает до двух человек и обеспечивает перелёт на расстояние до 30 км при скорости 70 км/ч. Другая фирма – «Lilium» (Мюнхен), также разработала полностью электрический самолёт вертикального взлёта и посадки для транспорта до двух человек на расстояние до 300 км.
Беспилотный прототип «Lilium» совершил первый полёт в 2017 году, а более крупная 5-местная версия впервые поднялась в воздух весной 2019 года. Пилотируемый прототип предполагается использовать для сертификационных полётов. По словам представителей «Lilium», потенциальные пассажиры могут бронировать билеты на 2025 год. Однако ограничения управления воздушным движением для этих систем требуется снять до того, как начнутся коммерческие рейсы.
Гибридно-электрический самолёт
Гибридно-электрические самолёты считаются эффективной заменой обычных воздушных судов малой и средней дальности в ближайшем будущем. Под развитие этой технологии инвестируют многие крупные компании аэрокосмического и электротехнического сектора:
- «Airbus»,
- «Siemens»,
- «Rolls-Royce»,
- «Boeing».
Кроме того, тяжелые батареи планируется заменить водородными топливными элементами при условии наличия надёжной всемирной сети снабжения водородом. Эта авиация будущего предназначена для замены обычных летательных аппаратов региональных маршрутов с двигателями внутреннего сгорания. Согласно проведённым исследованиям, 60-70% всех региональной авиации вполне возможно заменить гибридными машинами.
Компания «Boeing» отметилась инвестированием в стартап «Zunum Aero». Целью инвестиций является разработка первого в мире коммерческого гибридного пассажирского самолёта с электрическим приводом. Стартап планировал к 2019 году запустить демонстрационный вариант первого гибрида, вмещающего 15 пассажиров, преодолевающего расстояние около 1000 км. Ожидалось начало эксплуатации в 2023 году. Однако теперь компания испытывает финансовые трудности.
Более продолжительные планы «Zunum» — запуск в 2027 году ближнемагистрального гибридного лайнера, способного вместить 50 пассажиров и преодолеть расстояние более 1000 км. Кроме того, имеются планы разработки 100-местного воздушного судна, способного летать на расстояние до 2000 км. При этом сокращение вредных выбросов CO2 обещается на 80%. Ввод в эксплуатацию намечен на 2030-е годы.
Воздушные суда на аккумуляторных батареях
Авиация на батарейном питании – тоже своего рода революция, обеспечивает максимально возможное сокращение выбросов CO2, обеспечивает пользу окружающей среде в целом. Конструкции с аккумуляторами не производят никаких загрязняющих веществ, влияющих на качество воздуха в зоне полётов. Уровень шумов таких воздушных машин намного ниже, чем дают двигатели внутреннего сгорания.
Если современное производство электроэнергии производит примерно 0,6 кг CO2/кВт/ч в среднем, с учётом развития возобновляемых источников энергии и обязательствами государств по Парижскому соглашению (сократить на 80-90% выбросы CO2 к 2050 году), загрязнения от производства электричества значительно снизятся в следующие десятилетия. Самый оптимистичный сценарий даёт «World Energy Outlook МЭА», где предусматривается более 80% производства электроэнергии без выбросов уже после 2040 года.
Некоторые компании мира сейчас работают над проектированием и разработкой воздушных машин с аккумуляторным батарейным питанием. Однако здесь потребуется больше времени до ввода в эксплуатацию, чем для сопоставимых гибридно-электрических конструкций. Так, например, «Wright Electric» — американская компания, стремится обеспечить ближнемагистральные рейсы воздушными судами на аккумуляторном батарейном питании.
Дизайн специалистов «Wright Electric» основан на распределённой силовой установке с большим количеством электрических вентиляторов, встроенных в крылья, и на аккумуляторных батареях, легко заменяемых в аэропорту. Инженеры «Wright Electric» нацелены на создание модели, вместимостью 150 пассажиров, способной летать на расстояние до 500 км. Предварительные планы вывода на рынок — 2035 год.
Инженерами компании «Bauhaus Luftfahrt» разработан концептуальный лайнер на аккумуляторном питании «Ce-Liner». Конструкция отличается конфигурацией C-крыла, которая существенно улучшает аэродинамическую эффективность по сравнению с обычной конструкцией планера. Соответственно, минимизируется потребление энергии, снижается вес аккумуляторной батареи.
Оригинальная воздушная машина «Ce-Liner» обеспечит максимально возможную вместимость до 189 пассажиров (версия одного класса). Заявленная дальность полёта воздушного судна – 1300 км. Предварительно ввод в эксплуатацию намечен на 2035 год. Однако более поздние технико-экономические оценки этой конструкции вселяют некоторую осторожность.
Электрическая концепция смешанное крыло
Существуют планы объединения преимуществ электрической силовой установки и конструкции планера «смешанное крыло». Так, корпорация НАСА изучает эту концепцию применительно к модели с распределёнными турбоэлектрическими силовыми установками. Предварительные наработки обещают экономию топлива порядка 70%. Недавний прогресс в разработке малых аппаратов концепции «смешанное крыло» обещает открыть новые возможности в этой области.
Небольшие конструкции в этом стиле охватывают категорию воздушных машин на 100-150 посадочных мест. Отмечается лучшая адаптация к различным концепциям гибридных и потенциально аккумуляторных электрических двигателей. Кроме того, рыночный потенциал этой категории в плане пассажирских мест очень велик. Электрический вариант «смешанное крыло» может основываться на комбинированном прогрессе в конструкции планера и силовой установки. Этот прогресс, как ожидается, покажет параллельный ход в следующие десятилетия.
Здесь Сроки выхода техники на рынок также подвержены сильной неопределённости. Причём наиболее важным аспектом, как для полностью аккумуляторных, так и для гибридных двигателей является необходимый прогресс в области аккумуляторных технологий. Региональные гибридные конструкции вместимостью 50-100 пассажиров, появятся в эксплуатации, скорее всего, не ранее 2050 года. Влияние на сроки обусловлено разработкой наиболее удачной аккумуляторной технологии.
Недавний опрос специалистов аэрокосмической отрасли показал широкое согласие с тем, что гибридно-электрический аппарат может появиться в коммерческой эксплуатации к началу 2030-х годов. Но мнения относительно доступности аккумуляторно-электрических лайнеров расходятся. Наиболее реалистичный ввод в эксплуатацию видится не ранее 2043 года.
При помощи информации: IATA