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Ist ein Elektroflugzeug eine Alternative zur modernen Luftfahrt?
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Anonim

Der moderne Gasturbinen-(Turbofan-)Motor, der die Liner antreibt, ist natürlich kein Zweitakt-Ratter für Gartengeräte, sondern eine hocheffiziente und sehr zuverlässige Maschine. Allerdings sind die Reserven für weitere Verbesserungen laut Flugzeugherstellern fast erschöpft.

Warum gibt es Triebwerke - alle im Bau befindlichen Verkehrsflugzeuge sind sich so ähnlich, dass nur ein Luftfahrtexperte Boeing oder Airbus sofort von Bombardier oder MS-21 unterscheiden wird. Und obwohl nicht der geringste Zweifel daran besteht, dass uns moderne Verkehrsflugzeuge mit zwei Gasturbinentriebwerken unter den Flügeln noch Jahrzehnte über den Himmel rollen werden, sind mit dem Elektroantrieb große Hoffnungen auf ein neues Layout und eine neue Aerodynamik von Flugzeugen verbunden.

Schnell, aber nicht lange

Bis vor kurzem wurde der Begriff "Elektroflugzeug" als "mehr elektrisches Flugzeug" verstanden - ein Flugzeug mit festem Flügel, bei dem die mechanischen und hydraulischen Getriebe maximal durch die elektrischen ersetzt wurden.

Keine Rohre und Kabel mehr - alle mechanischen Arbeiten, wie der Antrieb der Ruder und die Mechanisierung der Tragfläche, werden von kleinen Elektromotoren-Aktuatoren ausgeführt, die mit Strom und einem Kanal für das Steuersignal versorgt werden. Jetzt wurde der Begriff mit einer neuen Bedeutung gefüllt: Ein echtes Elektroflugzeug muss sich selbst mit elektrischer Traktion bewegen.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Natürlich hängen die Perspektiven der elektrischen Luftfahrt nicht nur (und nicht einmal so sehr) von den Flugzeugkonstrukteuren ab, sondern vom Fortschritt auf dem Gebiet der Elektrotechnik. Schließlich existieren Flugzeuge, wie sie sagen, "auf Batterien". Vor einigen Jahrzehnten wurden in Segelflugzeugen Hilfs-Elektromotoren eingebaut.

Die 2016 erstmals geflogene Extra 330LE trägt bereits Segelflugzeuge und stellt Geschwindigkeitsrekorde auf. Aber sein Block aus 14 leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien und ein Elektromotor von Siemens ermöglichen es diesem Baby, nur zwei Personen einschließlich des Piloten an Bord zu nehmen und nicht länger als 20 Minuten in der Luft zu bleiben.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Zusätzliche 330LE

Natürlich gibt es Projekte mit viel beeindruckenderen Indikatoren. Im September letzten Jahres kündigte die britische Billigfluggesellschaft EasyJet an, in zehn Jahren einen vollelektrischen Regionalliner (Reichweite von 540 km, was für innereuropäische Flüge ziemlich viel ist) mit einer Kapazität von 180 Passagieren auf den Markt zu bringen.

Partner des Projekts ist das amerikanische Startup Wright Electric, das bereits einen zweisitzigen fliegenden Demonstrator gebaut hat. Allerdings ist die Energiedichte der besten Lithium-Ionen-Batterien heute der von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen mehr als eine Größenordnung unterlegen. Es wird davon ausgegangen, dass Batterien bis 2030 ihre Leistung maximal um das Doppelte steigern werden.

Turbine, bleib

Wesentlich vorteilhafter sieht die Situation bei Brennstoffzellen aus, bei denen die chemische Energie des Brennstoffs unter Umgehung des Verbrennungsprozesses direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.

Wasserstoff gilt als der vielversprechendste Brennstoff für eine solche Energiequelle. Experimente mit Brennstoffzellen als Stromquelle für ein Elektroflugzeug werden in verschiedenen Ländern der Welt durchgeführt (in Russland arbeitet CIAM hauptsächlich an Projekten zur Herstellung solcher Flugzeuge, und Brennstoffzellen dafür werden am IPCP RAS unter der Leitung von Professor Yuri Dobrovolsky).

Von den fliegenden und bemannten Konzepten kann man sich an den europäischen Demonstrator ENFICA-FC Rapid 200FC erinnern – er verwendete gleichzeitig elektrische Batterien und Brennstoffzellen. Aber auch diese Technologie bedarf erheblicher Verbesserungen und weiterer Forschung.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Die realistischsten Aussichten für heute scheinen die Aussichten für Elektroflugzeuge zu sein, die nach dem Hybridschema gebaut werden. Dies bedeutet, dass der Propeller des Flugzeugs (Propeller oder Propfan) von einem Elektromotor angetrieben wird, aber Strom von einem Generator erhält, der von einem Gasturbinentriebwerk (oder einem anderen Verbrennungsmotor) gedreht wird. Auf den ersten Blick erscheint ein solches Schema seltsam: Sie wollen den GTE zugunsten des Elektromotors aufgeben, werden dies jedoch nicht tun.

Hybridprojekte gibt es bereits einige weltweit, aber vor allem interessiert uns Russland. In verschiedenen wissenschaftlichen Instituten des Luftfahrtprofils, wie TsAGI oder TsIAM, wurden Arbeiten an einem Elektroflugzeug, insbesondere mit Hybridschema, durchgeführt.

Heute sind diese und einige andere Institutionen (seit 2014) unter der Schirmherrschaft des Forschungszentrums "Institut benannt nach N. Ye. Zhukovsky" vereint, das zu einem einzigen mächtigen "Brain Trust" der Branche werden soll. Die Aufgabe, alle Arbeiten zur elektrischen Luftfahrt innerhalb des Zentrums zu integrieren, wird Sergej Galperin übertragen, den wir bereits zu Beginn des Artikels zitiert haben.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Batteriebetriebener Start

„Der Übergang zu Elektromotoren in der Luftfahrt eröffnet viele interessante Perspektiven“, sagt Sergei Halperin, „aber es besteht kein Grund, mit der Schaffung eines kommerziellen Elektroflugzeugs mit einer für russische Verhältnisse ordentlichen Reichweite auf rein chemischen Energieträgern zu rechnen (Batterien oder Brennstoffzellen) in naher Zukunft: Das Energiepotenzial unterscheidet sich zu sehr von einem Kilogramm Kerosin und einem Kilogramm Batterien. Ein Hybrid-Design könnte ein vernünftiger Kompromiss sein. Es muss klar sein, dass ein Gasturbinentriebwerk, das direkt Schub erzeugt, und ein Gasturbinentriebwerk, das die Generatorwelle in Bewegung setzt, überhaupt nicht dasselbe sind.

Fakt ist, dass sich der Energiebedarf des Flugzeugs während des Fluges stark ändert. Beim Start entwickelt das Flugzeugtriebwerk seine Leistung nahe an seinem Maximum, und während des Reiseflugs (dh während des größten Teils des Fluges) wird der Energieverbrauch des Flugzeugs um das 5- bis 6-fache reduziert.

Daher muss ein traditionelles Kraftwerk in einer Vielzahl von Modi betrieben werden können (aus wirtschaftlicher Sicht nicht immer optimal) und schnell von einem auf den anderen umschalten können. Nichts dergleichen wird von einem Gasturbinentriebwerk in einer Hybridanlage benötigt. Es wird ähnlich sein wie bei Gasturbinen von Kraftwerken, die immer im gleichen, wirtschaftlich günstigsten Modus arbeiten. Sie arbeiten seit Jahren ohne Unterbrechung."

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Ce-liner

Mit Hilfe eines Generators wird der GTE in der Lage sein, Energie zur direkten Stromversorgung von Elektromotoren sowie zur Erzeugung von Reserven in Batterien zu erzeugen. Batteriehilfe wird nur beim Start benötigt.

Da der Betrieb von Elektromotoren im Startmodus aber nur wenige Minuten dauern wird, sollte die Energiereserve nicht sehr groß sein und die Batterien an Bord können in Größe und Gewicht durchaus akzeptabel sein. Gleichzeitig wird das Gasturbinentriebwerk kein Startregime haben - seine Aufgabe besteht darin, Strom leise zu erzeugen.

Somit wird ein Gasturbinentriebwerk in einem Hybrid-Elektroflugzeug im Gegensatz zu einem Flugzeugtriebwerk weniger leistungsstark, zuverlässiger und umweltfreundlicher, einfacher im Design, das heißt billiger und letztendlich ressourcenreicher sein.

Auf den Flügel blasen

Gleichzeitig eröffnet die Umstellung auf Elektromotoren Perspektiven für grundlegende Innovationen im Design ziviler Flugzeuge der Zukunft. Eines der meistdiskutierten Themen ist die Schaffung dezentraler Kraftwerke.

Das klassische Linienlayout geht heute von zwei Schubangriffspunkten aus, also zwei, selten vier leistungsstarken Triebwerken, die an Pylonen unter den Flügeln hängen. Bei Elektroflugzeugen wird die Anordnung einer Vielzahl von Elektromotoren entlang des Flügels sowie an seinen Enden berücksichtigt. Warum wird das benötigt?

Der Punkt liegt wiederum im Unterschied zwischen Start- und Reisemodus. Beim Start mit geringer Anströmgeschwindigkeit benötigt ein Flugzeug eine große Flügelfläche, um Auftrieb zu erzeugen. Bei Reisegeschwindigkeit stört der breite Flügel und erzeugt überschüssigen Auftrieb.

Das Problem wird durch eine komplexe Mechanisierung gelöst - versenkbare Klappen und Vorflügel. Kleinere Flugzeuge, die von kleinen Flugplätzen starten und dafür große Tragflächen haben, müssen mit einem suboptimalen Anstellwinkel segeln, was zu zusätzlichem Treibstoffverbrauch führt.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Wenn aber beim Start viele Elektromotoren, die mit den Propellern verbunden sind, den Flügel zusätzlich anblasen, muss er nicht zu breit gemacht werden. Das Flugzeug wird mit einem kurzen Start abheben, und im Reiseflugabschnitt wird ein schmaler Flügel keine Probleme bereiten. Das Auto wird durch Propeller, die von den Antriebsmotoren angetrieben werden, nach vorne gezogen, und die Propeller entlang der Tragfläche werden in diesem Stadium vor der Landung ein- oder eingeklappt.

Ein Beispiel ist das X-57 Maxwell-Projekt der NASA. Der Konzeptdemonstrator ist mit 14 Elektromotoren ausgestattet, die entlang des Flügels und an den Flügelspitzen positioniert sind. Alle funktionieren nur während des Starts und der Landung. Auf der Fahrtstrecke sind nur Flügelspitzenmotoren beteiligt.

Eine solche Platzierung von Motoren ermöglicht es, den negativen Einfluss von Wirbeln zu reduzieren, die an diesen Stellen entstehen. Auf der anderen Seite erweist sich das Kraftwerk als komplex, das heißt, es ist teurer in der Wartung und auch die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen ist höher. Im Allgemeinen haben Wissenschaftler und Designer etwas zu bedenken.

Elektroflugzeug
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X-57 Maxwell

Hilft flüssigem Stickstoff

„Ein Elektroflugzeug bietet viele Optimierungsmöglichkeiten“, sagt Sergei Halperin. - Experimentieren Sie beispielsweise mit einer Kombination aus Zug- und Druckschrauben. Elektromotoren sind im Vergleich zu Gasturbinentriebwerken in Convertiplanes viel vorteilhafter, da die sichere Drehung des Elektromotors in eine horizontale Position kein so komplexes technisches Problem wie bei herkömmlichen Triebwerken darstellt.

In einem Elektroflugzeug können Sie die vollständige Integration aller Systeme sicherstellen und ein neues Steuerungssystem erstellen. Selbst Hybridautos werden weniger Lärm und Emissionen produzieren.“

Wie Batterien nehmen auch Elektromotoren mit zunehmender Leistung an Masse, Volumen und Wärmeableitung zu. Neue Technologien sind erforderlich, um sie leistungsfähiger und leichter zu machen.

Ein echter Durchbruch für heimische Entwickler von Hybridantriebssystemen war die Zusammenarbeit mit dem russischen Unternehmen SuperOx, einem der fünf größten Anbieter von Materialien mit Hochtemperatur-Supraleitungseigenschaften (HTSC) weltweit. Nun entwickelt SuperOx Elektromotoren mit einem Stator aus supraleitenden Materialien (gekühlt mit flüssigem Stickstoff).

Diese Triebwerke mit guten Flugeigenschaften bilden die Basis für ein Hybridkraftwerk für ein Regionalflugzeug, das Mitte des nächsten Jahrzehnts in die Lüfte steigen könnte. In diesem Jahr präsentierten CIAM-Spezialisten auf der Flugschau MAKS einen Demonstrator einer solchen Anlage mit einer Leistung von 10 kW. Das geplante Flugzeug wird mit einem Hybridkraftwerk mit je zwei 500-kW-Triebwerken ausgestattet.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

„Bevor wir über ein Hybrid-Elektroflugzeug sprechen“, sagt Halperin, „müssen wir unsere Installation am Boden und dann in einem fliegenden Labor testen. Wir hoffen, es wird die Yak-40 sein. Anstelle eines Radars können wir einen 500-Kilowatt-HTSC-Elektromotor in die Nase des Autos stecken.

Anstelle des Mittelmotors werden wir einen Turbogenerator im Heck einbauen. Die beiden verbleibenden Yak-Motoren werden ausreichen, um unsere Idee in einer Vielzahl von Höhen (bis zu 8000 m) und Geschwindigkeiten (bis zu 500 km / h) zu testen. Und selbst wenn die Hybridinstallation ausfällt, kann das Flugzeug den Flug sicher beenden und landen.“Das Demonstrationslabor wird 2019 planmäßig ausgestattet. Der Testzyklus ist vorläufig für 2020 geplant.

Intelligenter Himmel

Elektro- und Hybridantriebe nehmen einen bedeutenden Platz in den Plänen der größten Flugzeughersteller der Welt ein. So sehen die Grundzüge der Passagierluftfahrt Mitte dieses Jahrhunderts laut dem Smarter Skies-Programm der Firma AIRBUS aus.

Elektroflugzeug
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"Grüner" Flug

Das Flugzeug der Zukunft soll den Kohlenwasserstoff-Fußabdruck in der Atmosphäre minimieren. Wasserstoff-Gasturbinen, Hybride und batteriebetriebene vollelektrische Flugzeuge werden an Popularität gewinnen.

Es wird davon ausgegangen, dass die Batterien aus umweltfreundlichen Stromquellen aufgeladen werden. Das Erscheinen großer Windparks oder Solarkraftwerke im Bereich von Flugplätzen ist möglich.

Freiheit am Himmel

Intelligente Linienschiffe werden Routen basierend auf Umweltfreundlichkeits- und Kraftstoffeffizienzparametern basierend auf der Analyse von Wetter- und Atmosphärendaten unabhängig planen. Sie werden auch in der Lage sein, sich in Formationen wie Vogelschwärmen zu sammeln, was den Luftwiderstand einzelner Flugzeuge in der Formation verringert und den Energieverbrauch für den Flug verringert.

Elektroflugzeug
Elektroflugzeug

Eher aus dem Boden

Neue Antriebssysteme und Flugzeugaerodynamik werden es ihnen ermöglichen, auf einer möglichst steilen Flugbahn zu starten, um den Lärm im Flughafenbereich zu reduzieren und so schnell wie möglich das Reiseflugniveau zu erreichen, wo das Flugzeug optimale wirtschaftliche Eigenschaften aufweist.

Landung ohne Motor

Die Flugzeuge der Zukunft werden im Segelflug landen können. Dadurch wird Treibstoff gespart und der Lärmpegel im Flughafenbereich gesenkt. Die Landegeschwindigkeit nimmt ebenfalls ab. Dadurch wird die Länge der Start- und Landebahnen verkürzt.

Kein Auspuff

Die Flughäfen der Zukunft werden vollständig auf den Einsatz von Verbrennungsmotoren verzichten, die Kraftstoff verbrennen. Für das Rollen werden die Liner mit Elektromotorrädern ausgestattet. Als Alternative - unbemannte elektrische Hochgeschwindigkeitstraktoren, die Flugzeuge schnell vom Vorfeld zur Landebahn und umgekehrt bringen können.

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