არის თუ არა ელექტრო თვითმფრინავი თანამედროვე ავიაციის ალტერნატივა?

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

თანამედროვე გაზის ტურბინის (ტურბოფენის) ძრავა, რომელიც ამოძრავებს ლაინერებს, რა თქმა უნდა, არ არის ბაღის ხელსაწყოების ორტაქტიანი ღერო, არამედ ძალიან ეფექტური და ძალიან საიმედო მანქანა. თუმცა, თვითმფრინავების მწარმოებლების თქმით, ის ახლოსაა რეზერვების ამოწურვასთან შემდგომი გაუმჯობესებისთვის.

რატომ არის ძრავები - ყველა მშენებარე თვითმფრინავი იმდენად ჰგავს ერთმანეთს, რომ მხოლოდ ავიაციის ექსპერტი დაუყოვნებლივ განასხვავებს Boeing-ს ან Airbus-ს Bombardier-ისგან ან MS-21-ისგან. და მიუხედავად იმისა, რომ არ არსებობს ოდნავი ეჭვი, რომ თანამედროვე ტიპის საჰაერო ხომალდები ორი გაზის ტურბინის ძრავით ფრთების ქვეშ ცაში ათწლეულების განმავლობაში დაგვატრიალებენ, ახალი განლაგებისა და თვითმფრინავების ახალი აეროდინამიკის დიდი იმედი დაკავშირებულია ელექტროძრავასთან.

სწრაფი, მაგრამ არა დიდი ხნის განმავლობაში

ბოლო დრომდე, ტერმინი "ელექტრო თვითმფრინავი" გაგებული იყო, როგორც "უფრო ელექტრო თვითმფრინავი" - თვითმფრინავი ფიქსირებული ფრთით, რომელშიც მექანიკური და ჰიდრავლიკური ტრანსმისია მაქსიმალურად იყო ჩანაცვლებული ელექტროებით.

აღარ არის მილები და კაბელები - ყველა მექანიკურ სამუშაოს, როგორიცაა საჭის მართვა და ფრთის მექანიზირება, ასრულებენ მცირე ელექტროძრავა-გამტარებლები, რომლებსაც მიეწოდება ძალა და არხი საკონტროლო სიგნალისთვის. ახლა ეს ტერმინი ახალი მნიშვნელობით შეივსო: ნამდვილი ელექტრო თვითმფრინავი თავად უნდა მოძრაობდეს ელექტრო წევაზე.

რა თქმა უნდა, ელექტრული ავიაციის პერსპექტივები დამოკიდებულია არა მხოლოდ (და არც ისე) თვითმფრინავების დიზაინერებზე, არამედ ელექტროტექნიკის სფეროში პროგრესზე. ყოველივე ამის შემდეგ, თვითმფრინავები, როგორც ამბობენ, "ბატარეებზე" არსებობს. დამხმარე ელექტროძრავები პლანერებზე რამდენიმე ათეული წლის წინ დამონტაჟდა.

Extra 330LE, რომელიც პირველად 2016 წელს გაფრინდა, უკვე ატარებს პლანერებს და ადგენს სიჩქარის რეკორდებს. მაგრამ მისი ბლოკი, რომელიც შედგება 14 მძლავრი ლითიუმ-იონური ბატარეებისგან და Siemens-ის ელექტროძრავისგან, საშუალებას აძლევს ამ ბავშვს ბორტზე მხოლოდ ორი ადამიანი, მათ შორის პილოტი, და დარჩეს ჰაერში არა უმეტეს 20 წუთის განმავლობაში.

დამატებითი 330 ლარი

რა თქმა უნდა, არის პროექტები ბევრად უფრო შთამბეჭდავი მაჩვენებლებით. გასული წლის სექტემბერში ბრიტანულმა დაბალბიუჯეტიანმა ავიაკომპანიამ EasyJet-მა გამოაცხადა, რომ ათი წლის შემდეგ გამოუშვებს მთლიანად ელექტრო რეგიონულ ლაინერს (დიაპაზონი 540 კმ, რაც საკმაოდ ბევრია შიდაევროპული ფრენებისთვის) 180 მგზავრის ტევადობით.

პროექტის პარტნიორი ამერიკული სტარტაპი Wright Electric, რომელმაც უკვე ააშენა ორადგილიანი მფრინავი დემონსტრატორი. თუმცა, დღეს საუკეთესო ლითიუმ-იონური ბატარეების ენერგეტიკული სიმკვრივე უფრო მეტია, ვიდრე ნახშირწყალბადის საწვავის სიდიდის ბრძანება. ვარაუდობენ, რომ 2030 წლისთვის ბატარეები მაქსიმუმ ორჯერ გააუმჯობესებენ მუშაობას.

ტურბინე, დარჩი

საწვავის უჯრედებთან სიტუაცია ბევრად უფრო ხელსაყრელია, როდესაც საწვავის ქიმიური ენერგია პირდაპირ გარდაიქმნება ელექტრო ენერგიად, წვის პროცესის გვერდის ავლით.

წყალბადი ითვლება ყველაზე პერსპექტიულ საწვავად ასეთი ენერგიის წყაროსთვის. ექსპერიმენტები საწვავის უჯრედებთან, როგორც ელექტრო თვითმფრინავის ენერგიის წყაროსთან, ტარდება მსოფლიოს სხვადასხვა ქვეყანაში (რუსეთში, CIAM, ძირითადად, მუშაობს პროექტებზე ასეთი თვითმფრინავების შესაქმნელად და მათთვის საწვავის უჯრედები იქმნება IPCP RAS-ში, ქვეშ პროფესორ იური დობროვოლსკის ხელმძღვანელობით).

მფრინავი და პილოტირებული კონცეფციებიდან შეიძლება გავიხსენოთ ევროპული დემონსტრატორი ENFICA-FC Rapid 200FC - ის ერთდროულად იყენებდა როგორც ელექტრო ბატარეებს, ასევე საწვავის უჯრედებს. მაგრამ ეს ტექნოლოგია ასევე საჭიროებს მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას და დამატებით კვლევას.

დღეს ყველაზე რეალისტური პერსპექტივები, როგორც ჩანს, ჰიბრიდული სქემის მიხედვით აშენებული ელექტრო თვითმფრინავების პერსპექტივებია. ეს ნიშნავს, რომ თვითმფრინავის პროპელერი (პროპელერი ან პროფფანი) ამოძრავებს ელექტროძრავას, მაგრამ ის მიიღებს ელექტროენერგიას გენერატორიდან, რომელიც ბრუნავს … გაზის ტურბინის ძრავით (ან სხვა შიდა წვის ძრავით). ერთი შეხედვით, ასეთი სქემა უცნაურად გამოიყურება: მათ სურთ მიატოვონ GTE ელექტროძრავის სასარგებლოდ, მაგრამ ისინი არ აპირებენ ამის გაკეთებას.

მსოფლიოში უკვე საკმაოდ ბევრი ჰიბრიდული პროექტია, მაგრამ ჩვენ, პირველ რიგში, რუსეთი გვაინტერესებს.ელექტრო თვითმფრინავზე მუშაობა, კერძოდ, ჰიბრიდული სქემით, ჩატარდა საავიაციო პროფილის სხვადასხვა სამეცნიერო ინსტიტუტებში, როგორიცაა TsAGI ან TsIAM.

დღეს ეს და რამდენიმე სხვა დაწესებულება გაერთიანებულია (2014 წლიდან) კვლევითი ცენტრის "ინსტიტუტი ნ.ი. ჟუკოვსკის სახელობის" ეგიდით, რომელიც შექმნილია იმისთვის, რომ გახდეს ინდუსტრიის ერთიანი ძლიერი "ტვინის ტრასტი". ცენტრში ელექტრო ავიაციაზე ყველა სამუშაოს ინტეგრირების ამოცანა ენიჭება სერგეი გალპერინს, რომელიც უკვე სტატიის დასაწყისში მოვიყვანეთ.

აფრენა ბატარეით

”ავიაციაში ელექტროძრავებზე გადასვლა უამრავ საინტერესო პერსპექტივას ხსნის,” - ამბობს სერგეი ჰალპერინი,”მაგრამ არ არის მიზეზი, რომ ვიფიქროთ კომერციული ელექტრო თვითმფრინავის შექმნაზე, რუსული პირობებისთვის ღირსეული დიაპაზონით, წმინდა ქიმიური ენერგიის წყაროებზე (. ბატარეები ან საწვავის უჯრედები) უახლოეს მომავალში: ენერგეტიკული პოტენციალი ძალიან განსხვავდება ერთი კილოგრამი ნავთი და კილოგრამი ბატარეები. ჰიბრიდული დიზაინი შეიძლება იყოს გონივრული კომპრომისი. უნდა გვესმოდეს, რომ გაზის ტურბინის ძრავა, რომელიც უშუალოდ ქმნის ბიძგს, და გაზის ტურბინის ძრავა, რომელიც მოძრაობს გენერატორის ლილვს, სულაც არ არის იგივე.

ფაქტია, რომ ფრენის დროს თვითმფრინავის ენერგეტიკული მოთხოვნები მნიშვნელოვნად იცვლება. აფრენისას თვითმფრინავის ძრავა ავითარებს ძალას მაქსიმუმთან ახლოს, ხოლო კრუიზის დროს (ანუ ფრენის უმეტესი ნაწილის განმავლობაში) თვითმფრინავის ენერგიის მოხმარება მცირდება 5-6-ჯერ.

ამრიგად, ტრადიციულ ელექტროსადგურს უნდა შეეძლოს იმუშაოს რეჟიმების ფართო სპექტრში (ეკონომიკური თვალსაზრისით ყოველთვის ოპტიმალური არ არის) და სწრაფად გადაერთოს ერთიდან მეორეზე. ჰიბრიდულ ინსტალაციაში გაზის ტურბინის ძრავისგან მსგავსი არაფერია საჭირო. ეს იქნება ელექტროსადგურების გაზის ტურბინების მსგავსი, რომლებიც ყოველთვის ერთნაირი, ეკონომიურად ყველაზე მომგებიანი რეჟიმში მუშაობენ. ისინი წლებია შეუჩერებლად მუშაობენ“.

ცე-ლაინერი

გენერატორის დახმარებით GTE შეძლებს ენერგიის გამომუშავებას ელექტროძრავების პირდაპირი ელექტრომომარაგებისთვის, ასევე ბატარეებში რეზერვის შესაქმნელად. ბატარეის დახმარება მხოლოდ აფრენისას იქნება საჭირო.

მაგრამ იმის გამო, რომ აფრენის რეჟიმში ელექტროძრავების მუშაობა მხოლოდ რამდენიმე წუთს გაგრძელდება, ენერგიის რეზერვი არ უნდა იყოს ძალიან დიდი და ბორტზე არსებული ბატარეები შეიძლება იყოს საკმაოდ მისაღები ზომითა და წონით. ამასთან, გაზის ტურბინის ძრავას აფრენის რეჟიმი არ ექნება - მისი საქმე ელექტროენერგიის ჩუმად გამომუშავებაა.

ამრიგად, თვითმფრინავის ძრავისგან განსხვავებით, ჰიბრიდულ ელექტრო თვითმფრინავში გაზის ტურბინის ძრავა იქნება ნაკლებად მძლავრი, უფრო საიმედო და ეკოლოგიურად სუფთა, უფრო მარტივი დიზაინით, რაც ნიშნავს უფრო იაფს და, ბოლოს და ბოლოს, ექნება უფრო დიდი რესურსი.

ფრთაზე აფეთქება

ამავდროულად, ელექტროძრავებზე გადასვლა ხსნის ფუნდამენტური ინოვაციების პერსპექტივებს მომავლის სამოქალაქო თვითმფრინავების დიზაინში. ერთ-ერთი ყველაზე განხილული თემა განაწილებული ელექტროსადგურების შექმნაა.

დღეს, ლაინერის კლასიკური განლაგება ითვალისწინებს ბიძგების გამოყენების ორ წერტილს, ანუ ორ, იშვიათად ოთხ მძლავრ ძრავას, რომლებიც ჩამოკიდებულია ფრთის ქვეშ პილონებზე. ელექტრო თვითმფრინავებში განიხილება დიდი რაოდენობით ელექტროძრავების განლაგება ფრთის გასწვრივ, ისევე როგორც მის ბოლოებზე. რატომ არის ეს საჭირო?

საქმე ისევ აფრენისა და კრუიზის რეჟიმებს შორის განსხვავებაშია. ინციდენტის ნაკადის დაბალი სიჩქარით აფრენისას, თვითმფრინავს სჭირდება დიდი ფრთის ფართობი აწევის შესაქმნელად. საკრუიზო სიჩქარით, ფართო ფრთა უშლის ხელს და ქმნის ზედმეტ აწევას.

პრობლემა მოგვარებულია კომპლექსური მექანიზაციის - ამოსაწევი ფლაპებისა და სლატების გამო. მცირე ზომის თვითმფრინავები, რომლებიც აფრინდებიან მცირე აეროდრომებიდან და აქვთ ამისთვის დიდი ფრთები, იძულებულნი არიან იმოგზაურონ შეტევის არაოპტიმალური კუთხით, რაც იწვევს საწვავის დამატებით მოხმარებას.

მაგრამ, თუ აფრენისას პროპელერებთან დაკავშირებული ბევრი ელექტროძრავა დამატებით ააფეთქებს ფრთას, ის არ იქნება ძალიან განიერი.თვითმფრინავი აფრინდება მოკლე აფრენით, ხოლო საკრუიზო მონაკვეთზე ვიწრო ფრთა პრობლემებს არ შეუქმნის. მანქანა წინ მიიწევს პროპელერებით, რომლებსაც ამოძრავებს ამძრავი ძრავები, ხოლო ფრთის გასწვრივ პროპელერები ამ ეტაპზე დაკეცილი ან უკან დახევა მოხდება დაშვებამდე.

ამის მაგალითია NASA-ს X-57 Maxwell პროექტი. კონცეფციის დემონსტრატორი აღჭურვილია 14 ელექტროძრავით, რომლებიც განლაგებულია ფრთის გასწვრივ და ფრთების წვერებზე. ყველა მათგანი მუშაობს მხოლოდ აფრენისა და დაშვების დროს. საკრუიზო მონაკვეთზე ჩართულია მხოლოდ ფრთის წვერის ძრავები.

ძრავების ასეთი განლაგება საშუალებას იძლევა შემცირდეს ამ ადგილებში წარმოქმნილი მორევების უარყოფითი გავლენა. მეორე მხრივ, ელექტროსადგური რთული აღმოჩნდება, რაც იმას ნიშნავს, რომ მისი შენარჩუნება უფრო ძვირია და ავარიის ალბათობაც მაღალია. ზოგადად, მეცნიერებსა და დიზაინერებს აქვთ საფიქრალი.

X-57 მაქსველი

თხევადი აზოტი დაგეხმარებათ

"ელექტრული თვითმფრინავი ოპტიმიზაციის ბევრ შესაძლებლობას იძლევა", - ამბობს სერგეი ჰალპერინი. - შეგიძლიათ ექსპერიმენტი გააკეთოთ, მაგალითად, ხრახნების დაძაბვისა და ხრახნების კომბინაციით. ელექტროძრავები ბევრად უფრო ხელსაყრელია კონვერტიპლანტებში გაზის ტურბინის ძრავებთან შედარებით, რადგან ელექტროძრავის უსაფრთხო როტაცია ჰორიზონტალურ მდგომარეობაში არ წარმოადგენს ისეთ რთულ საინჟინრო პრობლემას, როგორც ტრადიციული ძრავების შემთხვევაში.

ელექტრო თვითმფრინავში შეგიძლიათ უზრუნველყოთ ყველა სისტემის სრული ინტეგრაცია, შექმნათ ახალი კონტროლის სისტემა. ჰიბრიდული მანქანებიც კი გამოიმუშავებენ ნაკლებ ხმაურს და გამონაბოლქვს.”

ბატარეების მსგავსად, ელექტროძრავები იზრდება მასის, მოცულობის და სითბოს გაფრქვევის დროს, როდესაც იზრდება სიმძლავრე. ახალი ტექნოლოგიებია საჭირო იმისათვის, რომ ისინი უფრო ძლიერი და მსუბუქი იყოს.

ჰიბრიდული მამოძრავებელი სისტემების შიდა დეველოპერებისთვის ნამდვილი მიღწევა იყო თანამშრომლობა რუსულ კომპანიასთან SuperOx-თან, მსოფლიოში მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარობის (HTSC) თვისებების მქონე მასალების ხუთ უმსხვილეს მიმწოდებელთან. ახლა SuperOx ავითარებს ელექტროძრავებს სუპერგამტარი მასალებისგან (თხევადი აზოტით გაგრილებული) სტატორით.

კარგი საავიაციო მახასიათებლების მქონე ეს ძრავები შექმნიან რეგიონალური თვითმფრინავის ჰიბრიდულ ელექტროსადგურს, რომელიც შესაძლოა ცას აფრინდეს მომდევნო ათწლეულის შუა პერიოდში. წელს MAKS-ის ავია შოუზე CIAM-ის სპეციალისტებმა წარმოადგინეს ასეთი ინსტალაციის დემონსტრატორი 10 კვტ სიმძლავრით. დაგეგმილი თვითმფრინავი აღჭურვილი იქნება ჰიბრიდული ელექტროსადგურით, თითოეული 500 კვტ ძრავით.

”სანამ ჰიბრიდულ ელექტრო თვითმფრინავზე ვისაუბრებთ, - ამბობს ჰალპერინი, - აუცილებელია ჩვენი ინსტალაციის ტესტირება ადგილზე და შემდეგ მფრინავი ლაბორატორიაში. ვიმედოვნებთ, რომ ეს იქნება Yak-40. რადარის ნაცვლად შეგვიძლია მანქანის ცხვირში ჩავდოთ 500 კილოვატიანი HTSC ელექტროძრავა.

ცენტრალური ძრავის ნაცვლად კუდში დავამონტაჟებთ ტურბოგენერატორს. Yak-ის დარჩენილი ორი ძრავა საკმარისი იქნება ჩვენი გონების შესამოწმებლად სიმაღლეების (8000 მ-მდე) და სიჩქარის (500 კმ/სთ-მდე) ფართო დიაპაზონში. და მაშინაც კი, თუ ჰიბრიდული ინსტალაცია ვერ მოხერხდება, თვითმფრინავს შეუძლია უსაფრთხოდ დაასრულოს ფრენა და დაჯდეს.” საჩვენებელი ლაბორატორია გეგმის მიხედვით 2019 წელს აღიჭურვება. ტესტის ციკლი სავარაუდოთ 2020 წლისთვისაა დაგეგმილი.

ჭკვიანი ცა

ელექტრო და ჰიბრიდულ ამძრავს მნიშვნელოვანი ადგილი უჭირავს მსოფლიოს უმსხვილესი თვითმფრინავების მწარმოებლების გეგმებში. ასე გამოიყურება ამ საუკუნის შუა პერიოდის სამგზავრო ავიაციის ძირითადი მახასიათებლები კომპანია AIRBUS-ის Smarter Skies პროგრამის მიხედვით.

"მწვანე" რეისი

მომავლის თვითმფრინავი ისე იქნება შექმნილი, რომ ატმოსფეროში ნახშირწყალბადების ნაკვალევი მინიმუმამდე შემცირდეს. პოპულარობას მოიპოვებს წყალბადის გაზის ტურბინის ძრავები, ჰიბრიდები და ბატარეებით მომუშავე მთლიანად ელექტრო თვითმფრინავები.

ვარაუდობენ, რომ ბატარეები დაიტენება ეკოლოგიურად სუფთა ელექტროენერგიის წყაროებიდან. შესაძლებელია დიდი ქარის ელექტროსადგურების ან მზის ელექტროსადგურების გამოჩენა აეროდრომების მიდამოებში.

თავისუფლება ცაში

ინტელექტუალური ლაინერები დამოუკიდებლად დაადგენენ მარშრუტებს ეკოლოგიურობისა და საწვავის ეფექტურობის პარამეტრების საფუძველზე ამინდისა და ატმოსფერული მონაცემების ანალიზზე დაყრდნობით. მათ ასევე შეეძლებათ შეიკრიბონ ფორმირებებში, როგორიცაა ფრინველთა ფარები, რაც შეამცირებს ფორმირების ცალკეული თვითმფრინავების წინააღმდეგობას და შეამცირებს ენერგიის მოხმარებას ფრენისთვის.

უფრო სწორად მიწიდან

ახალი მამოძრავებელი სისტემები და თვითმფრინავის აეროდინამიკა მათ საშუალებას მისცემს აფრინდნენ მაქსიმალურად ციცაბო ტრაექტორიით, რათა შეამცირონ ხმაური აეროპორტის ზონაში და რაც შეიძლება მალე მიაღწიონ საკრუიზო დონეს, სადაც თვითმფრინავი აჩვენებს ოპტიმალურ ეკონომიკურ მახასიათებლებს.

დაშვება ძრავის გარეშე

მომავლის თვითმფრინავები სრიალის რეჟიმში დაშვებას შეძლებენ. ეს დაზოგავს საწვავს და შეამცირებს ხმაურის დონეს აეროპორტის ტერიტორიაზე. შემცირდება სადესანტო სიჩქარეც. ეს შეამცირებს ასაფრენ ბილიკების სიგრძეს.

არ არის გამონაბოლქვი

მომავლის აეროპორტები მთლიანად გამორიცხავს შიდა წვის ძრავების გამოყენებას, რომლებიც წვავს საწვავს. ტაქსებისთვის ლაინერები ელექტროძრავის ბორბლებით იქნება აღჭურვილი. როგორც ალტერნატივა - მაღალსიჩქარიანი უპილოტო ელექტრო ტრაქტორები, რომლებიც შეძლებენ თვითმფრინავების სწრაფად მიტანას წინსაფრიდან ასაფრენ ბილიკზე და პირიქით.