Máis rápido, máis silencioso, máis limpo: novo motor de avión

Resulta que para cambiar moito na aviación non é necesario buscar novas hélices, deseños futuristas ou materiais espaciais. É suficiente usar unha transmisión mecánica relativamente sinxela ...

Esta é unha das novidades máis importantes dos últimos anos. Os motores turboventiladores (GTF) permiten que o compresor e o ventilador xiren a diferentes velocidades. A transmisión do ventilador xira co eixe do ventilador pero separa o motor do ventilador do compresor e da turbina de baixa presión. O ventilador xira a unha velocidade máis lenta, mentres que o compresor e a turbina de baixa presión funcionan a maior velocidade. Cada módulo de motor pode funcionar cunha eficiencia óptima. Despois de 20 anos de gasto en I+D e I+D duns 1000 millóns de dólares, a familia de turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G estivo operativa hai uns anos e introduciuse masivamente nos avións comerciais desde XNUMX.

Os modernos motores turbofan xeran empuxe de dúas formas. En primeiro lugar, os compresores e a cámara de combustión están situados no seu núcleo. Na parte frontal hai un ventilador que, accionado polo núcleo, dirixe o aire a través das cámaras de derivación ao redor do núcleo do motor. A relación de derivación é a relación entre a cantidade de aire que pasa polo núcleo e a cantidade de aire que pasa por el. En xeral, unha relación de derivación maior significa motores máis silenciosos, máis eficientes e máis potentes. Os motores turboventiladores convencionais teñen unha relación de derivación de 9 a 1. Os motores Pratt PurePower GTF teñen unha relación de derivación de 12 a 1.

Para aumentar a relación de derivación, os fabricantes de motores deben aumentar a lonxitude das aspas do ventilador. Non obstante, ao alongarse, as velocidades de rotación obtidas no extremo da lámina serán tan altas que se producirán vibracións non desexadas. Necesitas aspas do ventilador para reducir a velocidade, e para iso está a caixa de cambios. Tal motor pode chegar ao 16 por cento, segundo Pratt & Whitney. gran economía de combustible e 50 por cento. menos emisións de escape e é do 75 por cento. tranquilo. Recentemente, SWISS e Air Baltic anunciaron que os seus motores a reacción da serie GTF C consumen aínda menos combustible do que promete o fabricante.

Motor PW1100G-JM nunha liña de produción

A revista TIME nomeou o motor PW1000G como un dos 50 inventos máis importantes de 2011 e un dos seis inventos máis respectuosos co medio ambiente, xa que Pratt & Whitney PurePower está deseñado para ser máis limpo, máis silencioso, máis potente e utilizar menos combustible que os motores a reacción existentes. En 2016, Richard Anderson, entón presidente de Delta Air Lines, chamou ao motor como "a primeira verdadeira innovación" desde que o Dreamliner de Boeing revolucionou a construción de compostos.

Aforro e redución de emisións

O sector da aviación comercial emite máis de 700 millóns de toneladas de dióxido de carbono ao ano. Aínda que é só un 2 por cento. emisións mundiais de dióxido de carbono, hai evidencias de que os gases de efecto invernadoiro no combustible para avións teñen un maior impacto na atmosfera xa que se liberan a maiores altitudes.

Os principais fabricantes de motores buscan aforrar combustible e reducir as emisións. O rival de Pratt, CFM International, presentou recentemente o seu propio motor avanzado chamado LEAP, que os responsables da compañía din que ofrece resultados similares a un turbofan con engrenaxe a costa doutras solucións. CFM afirma que nunha arquitectura de turboventilador tradicional pódense conseguir os mesmos beneficios sen o peso e o arrastre engadidos do tren motriz. LEAP utiliza materiais compostos lixeiros e aspas de ventilador de fibra de carbono para conseguir melloras de eficiencia enerxética que, segundo a compañía, son comparables ás conseguidas cun motor Pratt & Whitney.

Ata a data, os pedidos de motores Airbus para o A320neo están repartidos aproximadamente equitativamente entre CFM e Pratt & Whitney. Desafortunadamente para esta última empresa, os motores PurePower están causando problemas aos usuarios. O primeiro apareceu este ano, cando se rexistrou un arrefriamento irregular dos motores GTF no Airbus A320neo de Qatar Airways. O arrefriamento desigual pode provocar deformacións e friccións das pezas e, ao mesmo tempo, aumentar o tempo entre voos. Como resultado, a compañía aérea concluíu que os motores non cumprían os requisitos operativos. Pouco despois, as autoridades de aviación indias suspenderon os voos de 11 avións Airbus A320neo propulsados ​​por motores PurePower GTF. Segundo o Economic Times, a decisión produciuse despois de que os avións propulsados ​​por Airbus GTF sufrisen tres avarías no motor ao longo de dúas semanas. Pratt & Whitney minimiza estas dificultades, dicindo que son fáciles de superar.

Ventilador electrónico Airbus

Outro xigante do campo dos motores de avións, Rolls-Royce, está a desenvolver o seu propio Power Gearbox, que para 2025 reducirá o consumo de combustible nos grandes turboventiladores nun 25%. en comparación cos modelos máis antigos da coñecida gama de motores Trent. Isto, por suposto, significa un novo concurso de deseño de Pratt & Whitney.

Os británicos tamén están a pensar noutro tipo de innovación. Durante o recente Salón Aeronáutico de Singapur, Rolls-Royce lanzou a IntelligentEngine Initiative, que ten como obxectivo desenvolver motores de avións intelixentes que sexan máis seguros e eficientes grazas á capacidade de comunicarse entre eles e a través dunha rede de apoio. Ao proporcionar comunicación bidireccional continua co motor e outras partes do ecosistema de servizos, o motor poderá resolver problemas antes de que se produzan e aprender a mellorar o rendemento. Tamén aprenderían da historia do seu traballo e doutros motores e, en xeral, incluso terían que reparar eles mesmos en movemento.

Drive necesita mellores baterías

A visión da aviación da Comisión Europea para 2050 pide unha redución das emisións de CO.₂ nun 75 por cento, os óxidos de nitróxeno nun 90 por cento. e o ruído nun 65 por cento. Non se poden conseguir coas tecnoloxías existentes. Os sistemas de propulsión eléctricos e híbridos-eléctricos son vistos actualmente como unha das tecnoloxías máis prometedoras para afrontar estes desafíos.

No mercado hai avións lixeiros eléctricos de dúas prazas. Os vehículos híbridos-eléctricos de catro prazas están no horizonte. A NASA prevé que a principios dos anos 20, este tipo de avións de nove prazas de curta distancia traerá os servizos de aviación de volta a comunidades máis pequenas. Tanto en Europa como en Estados Unidos, os científicos cren que para 2030 é posible construír un avión híbrido-eléctrico cunha capacidade de ata 100 asentos. Non obstante, será necesario un avance significativo no campo do almacenamento de enerxía.

Actualmente, a densidade de enerxía das baterías simplemente non é suficiente. Non obstante, todo isto podería cambiar. O xefe de Tesla, Elon Musk, dixo que unha vez que as baterías sexan capaces de producir 400 watts-hora por quilogramo e a relación entre a potencia da célula e o peso total é de 0,7-0,8, o avión transcontinental eléctrico converterase nunha "alternativa difícil". Tendo en conta que as baterías de ión-litio foron capaces de acadar unha densidade de enerxía de 113 Wh/kg en 1994, 202 Wh/kg en 2004, e agora poden alcanzar uns 300 Wh/kg, pódese supoñer que dentro da próxima década alcanzará o nivel de 400 Wh/kg.

Proxecto de taxi aéreo eléctrico de dúas prazas Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce e Siemens asociáronse recentemente para desenvolver o demostrador voador E-Fan X, que será un importante paso adiante na propulsión híbrida-eléctrica de avións comerciais. Espérase que a demostración da tecnoloxía eléctrica híbrida E-Fan X sexa -Fan X voará en 2020 despois dunha extensa campaña de probas en terra. Na primeira fase, o BAe 146 substituirá un dos catro motores por un motor eléctrico de XNUMX MW. Posteriormente, está previsto substituír a segunda turbina por un motor eléctrico tras demostrar a madurez do sistema.

Airbus será o responsable da integración global, así como da propulsión eléctrica híbrida e da arquitectura de control da batería e da súa integración cos sistemas de control de voo. Rolls-Royce será o responsable do motor de turbina de gas, o xerador de XNUMX megavatios e a electrónica de potencia. Xunto con Airbus, Rolls-Royce tamén traballará na adaptación dos ventiladores á góndola e ao motor eléctrico existentes de Siemens. Siemens subministrará motores eléctricos de XNUMX MW e un controlador electrónico de potencia, así como un inversor, un conversor e un sistema de distribución de enerxía.

Moitos centros de investigación de todo o mundo están a traballar en avións eléctricos, entre eles a NASA, que está a construír o X-57 Maxwell. Tamén se está a desenvolver o proxecto de taxi aéreo eléctrico de dúas prazas Kitty Hawk e outras moitas estruturas de grandes centros, empresas ou pequenas empresas de nova creación.

Dado que a vida útil media das aeronaves de pasaxeiros e de carga ronda os 21 e 33 anos, respectivamente, aínda que todos os avións novos que se produzan mañá sexan totalmente eléctricos, levaría de dúas a tres décadas eliminar os avións propulsados ​​por combustibles fósiles.

Polo tanto, non funcionará rapidamente. Mentres tanto, os biocombustibles poden alixeirar o medio ambiente no sector da aviación. Axudan a reducir as emisións de dióxido de carbono nun 36-85 por cento. A pesar de que as mesturas de biocombustibles para motores a reacción foron certificadas en 2009, a industria da aviación non ten présa por implementar cambios. Hai poucos obstáculos e retos tecnolóxicos asociados a levar a produción de biocombustibles a niveis industriais, pero o principal impedimento é o prezo: fai falta outros dez anos para lograr a paridade cos combustibles fósiles.

Paso ao futuro

Ao mesmo tempo, os laboratorios están a traballar en conceptos de motores de avións algo máis futuristas. Ata agora, por exemplo, un motor de plasma non parece moi realista, pero non se pode descartar que os traballos científicos se convertan en algo interesante e útil. Os propulsores de plasma usan electricidade para crear campos electromagnéticos. Comprimen e excitan un gas, como o aire ou o argón, nun estado quente, denso e ionizado. A súa investigación agora leva á idea de lanzar satélites no espazo exterior (propulsores iónicos). Non obstante, Berkant Goeksel da Universidade Técnica de Berlín e o seu equipo queren poñer propulsores de plasma nos avións.

O obxectivo do estudo é desenvolver un motor de plasma de chorro de aire que poida utilizarse tanto para voos de despegue como de gran altitude. Os chorros de plasma adoitan estar deseñados para funcionar nun baleiro ou nunha atmosfera de baixa presión onde se require un abastecemento de gas. Non obstante, o equipo de Göksel probou un dispositivo capaz de funcionar no aire a unha presión dunha atmosfera. "As nosas boquillas de plasma poden alcanzar velocidades de ata 20 quilómetros por segundo", di Göckel na serie de conferencias Journal of Physics.

Motor SABRE no vehículo hipersónico do futuro

Para comezar, o equipo probou propulsores en miniatura de 80 milímetros de lonxitude. Para unha aeronave pequena, isto será ata mil dos que o equipo considera posible. A maior limitación, por suposto, é a falta de baterías lixeiras. Os científicos tamén están considerando avións híbridos, nos que se combinaría un motor de plasma con motores de combustión interna ou foguetes.

Cando falamos de conceptos innovadores de motores a reacción, non esquezamos o SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) desenvolvido por Reaction Engines Limited. Suponse que este será un motor que funciona tanto na atmosfera como no baleiro, que funciona con hidróxeno líquido. Na fase inicial do voo, o oxidante será o aire da atmosfera (como nos motores a reacción convencionais) e desde unha altura de 26 km (onde o barco alcanza unha velocidade de 5 millóns de anos) - osíxeno líquido. Despois de cambiar ao modo foguete, alcanzará velocidades de ata 25 Mach.

HorizonX, o brazo de investimento de Boeing implicado no proxecto, aínda ten que decidir como podería usalo SABRE, agás que espera "utilizar tecnoloxía revolucionaria para axudar a Boeing na súa procura de voos supersónicos".

RAMJET e scramjet (motor a reacción supersónico con cámara de combustión) están nos beizos dos fanáticos da aviación de alta velocidade. Actualmente, desenvólvense principalmente con fins militares. Non obstante, como ensina a historia da aviación, o que se probará no exército pasará á aviación civil. Todo o que fai falta é un pouco de paciencia.

Vídeo de Rolls Royce Intelligent Engine:

Rolls-Royce | Innovación en IntelligentEngine