Un avió elèctric és una alternativa a l'aviació moderna?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

El modern motor de turbina de gas (turbofan) que acciona els revestiments no és, per descomptat, un sonall de dos temps per a eines de jardineria, sinó una màquina altament eficient i molt fiable. Tanmateix, segons els fabricants d'avions, està a prop d'esgotar les reserves per millorar-les.

Per què hi ha motors: tots els avions en construcció són tan semblants entre ells que només un expert en aviació distingirà immediatament Boeing o Airbus de Bombardier o MS-21. I encara que no hi ha el més mínim dubte que els avions de línia de tipus modern amb dos motors de turbina de gas sota les ales ens portaran pel cel durant dècades, les grans esperances d'un nou disseny i una nova aerodinàmica dels avions estan associades a la propulsió elèctrica.

Ràpid, però no per molt de temps

Fins fa poc, el terme "avió elèctric" s'entenia com un "avió més elèctric" -un avió d'ala fixa, en el qual les transmissions mecàniques i hidràuliques es substituïen al màxim per les elèctriques.

No hi ha més canonades i cables: tots els treballs mecànics, com ara conduir els timons i mecanitzar l'ala, es realitzen per petits motors-actuadors elèctrics, que reben energia i un canal per al senyal de control. Ara el terme s'ha omplert d'un nou significat: un autèntic avió elèctric s'ha de moure amb tracció elèctrica.

Per descomptat, les perspectives de l'aviació elèctrica depenen no només (i ni tan sols tant) dels dissenyadors d'avions com del progrés en el camp de l'enginyeria elèctrica. Al cap i a la fi, els avions, com diuen, existeixen "a piles". Els motors elèctrics auxiliars es van instal·lar als planadors fa diverses dècades.

L'Extra 330LE, que va volar per primera vegada el 2016, ja porta planadors i estableix rècords de velocitat. Però el seu bloc de 14 potents bateries d'ions de liti i un motor elèctric de Siemens permeten que aquest nadó només porti a bord dues persones, inclòs el pilot, i romangui a l'aire no més de 20 minuts.

330LE addicionals

Per descomptat, hi ha projectes amb indicadors molt més impressionants. El setembre de l'any passat, la companyia aèria de baix cost britànica EasyJet va anunciar que en deu anys llançarà un vaixell regional totalment elèctric (autonomia de 540 km, que és bastant per als vols intraeuropeus) amb una capacitat de 180 passatgers.

La startup nord-americana Wright Electric, que ja ha construït un demostrador volador de dues places, s'ha convertit en soci del projecte. No obstant això, avui la densitat d'energia de les millors bateries d'ions de liti és més que un ordre de magnitud inferior als combustibles d'hidrocarburs. Es suposa que l'any 2030 les bateries milloraran el seu rendiment com a màxim dues vegades.

Turbina, queda't

La situació de les piles de combustible sembla molt més avantatjosa, en què l'energia química del combustible es converteix directament en energia elèctrica, evitant el procés de combustió.

L'hidrogen es considera el combustible més prometedor per a aquesta font d'energia. A diferents països del món s'estan duent a terme experiments amb piles de combustible com a font d'energia per a un avió elèctric (a Rússia, CIAM treballa principalment en projectes per crear aquests avions, i les piles de combustible per a elles es creen a l'IPCP RAS sota el orientació del professor Yuri Dobrovolsky).

Dels conceptes de vol i tripulació, es pot recordar el demostrador europeu ENFICA-FC Rapid 200FC: utilitzava tant bateries elèctriques com piles de combustible alhora. Però aquesta tecnologia també necessita una millora significativa i una investigació addicional.

Les perspectives més realistes d'avui semblen ser les perspectives dels avions elèctrics construïts segons l'esquema híbrid. Això vol dir que l'hèlix de l'aeronau (hèlix o propfan) serà accionada per un motor elèctric, però rebrà electricitat d'un generador girat… per un motor de turbina de gas (o un altre motor de combustió interna). A primera vista, aquest esquema sembla estrany: volen abandonar el GTE en favor del motor elèctric, però no ho faran.

Ja hi ha força projectes híbrids al món, però ens interessa principalment Rússia. Els treballs en avió elèctric, en particular amb un esquema híbrid, es van dur a terme en diversos instituts científics del perfil aeri, com ara TsAGI o TsIAM.

Avui, aquestes i algunes altres institucions s'han unit (des de 2014) sota els auspicis del Centre de Recerca "Institut anomenat després de N. Ye. Zhukovsky", dissenyat per convertir-se en un únic poderós "cervell de confiança" de la indústria. La tasca d'integrar tot el treball sobre l'aviació elèctrica dins del centre està assignada a Sergei Galperin, a qui ja vam citar al principi de l'article.

Enlairament amb bateria

"La transició als motors elèctrics a l'aviació obre moltes perspectives interessants", diu Sergei Halperin, "però no hi ha cap raó per comptar amb la creació d'un avió elèctric comercial amb un rang decent per a les condicions russes amb fonts d'energia purament químiques (bateries o piles de combustible) en un futur proper: el potencial energètic difereix massa entre un quilogram de querosè i un quilo de bateries. Un disseny híbrid podria ser un compromís raonable. Cal entendre que un motor de turbina de gas que crea directament empenta i un motor de turbina de gas que posarà en moviment l'eix del generador no són gens el mateix.

El fet és que els requeriments energètics de l'avió canvien significativament durant el vol. En l'enlairament, el motor de l'avió desenvolupa una potència propera al seu màxim, i durant el creuer (és a dir, durant la major part del vol) el consum d'energia de l'avió es redueix entre 5 i 6 vegades.

Així, una central elèctrica tradicional ha de poder funcionar en un ampli ventall de modes (no sempre òptims des del punt de vista econòmic) i passar ràpidament d'un a un altre. No es requereix res d'aquest tipus d'un motor de turbina de gas en una instal·lació híbrida. Serà similar a les turbines de gas de les centrals elèctriques, que funcionen sempre de la mateixa manera, la més beneficiosa econòmicament. Fa anys que treballen sense parar.

Ce-liner

Amb l'ajuda d'un generador, el GTE serà capaç de generar energia per a l'alimentació directa de motors elèctrics, així com per crear una reserva a les bateries. Es necessitarà ajuda amb la bateria només a l'enlairament.

Però com que el funcionament dels motors elèctrics en mode d'enlairament només durarà uns minuts, la reserva d'energia no hauria de ser molt gran i les bateries a bord poden ser bastant acceptables en mida i pes. Al mateix temps, el motor de turbina de gas no tindrà cap règim d'enlairament: el seu negoci és generar electricitat en silenci.

Així, a diferència d'un motor d'avió, un motor de turbina de gas en un avió elèctric híbrid serà menys potent, més fiable i respectuós amb el medi ambient, més senzill de disseny, és a dir, més barat i, finalment, tindrà un major recurs.

Bufant a l'ala

Al mateix temps, la transició als motors elèctrics obre perspectives per a innovacions fonamentals en el disseny d'avions civils del futur. Un dels temes més tractats és la creació de centrals elèctriques distribuïdes.

Avui en dia, el disseny clàssic del revestiment assumeix dos punts d'aplicació d'empenta, és a dir, dos, rarament quatre, potents motors penjats sobre pilones sota l'ala. En els avions elèctrics, es considera la disposició d'un gran nombre de motors elèctrics al llarg de l'ala, així com als seus extrems. Per què és necessari això?

El punt està de nou en la diferència entre els modes d'enlairament i de creuer. En l'enlairament a una velocitat baixa del flux incident, una aeronau necessita una gran àrea d'ala per crear sustentació. A velocitat de creuer, l'ala ampla s'interposa, creant un excés de sustentació.

El problema es resol a causa d'una mecanització complexa: solapes i llistons retràctils. Els avions més petits, que enlairen des de petits aeròdroms i tenen ales grans per a això, es veuen obligats a navegar amb un angle d'atac subòptim, la qual cosa comporta un consum de combustible addicional.

Però, si a l'enlairament molts motors elèctrics connectats a les hèlixs també faran volar l'ala, no s'haurà de fer massa ampla. L'avió s'enlairarà amb un enlairament breu, i en el tram de creuer, una ala estreta no crearà problemes. El cotxe serà tirat cap endavant per hèlixs impulsades pels motors de propulsió, i les hèlixs al llarg de l'ala en aquesta etapa es plegaran o es retrauran abans d'aterrar.

Un exemple és el projecte X-57 Maxwell de la NASA. El demostrador de concepte està equipat amb 14 motors elèctrics situats al llarg de l'ala i a les puntes de les ales. Tots funcionen només durant l'enlairament i l'aterratge. A la secció de creuer, només intervenen els motors de punta de l'ala.

Aquesta col·locació de motors permet reduir la influència negativa dels vòrtexs que sorgeixen en aquests llocs. D'altra banda, la central resulta complexa, la qual cosa fa que el seu manteniment sigui més car i la probabilitat de fallades també és més alta. En general, els científics i els dissenyadors tenen alguna cosa en què pensar.

X-57 Maxwell

Ajudarà al nitrogen líquid

"Un avió elèctric ofereix moltes oportunitats d'optimització", diu Sergei Halperin. - Podeu experimentar, per exemple, amb una combinació de cargols de tracció i d'empenta. Els motors elèctrics són molt més avantatjosos en comparació amb els motors de turbina de gas en convertiplans, ja que la rotació segura del motor elèctric a una posició horitzontal no presenta un problema d'enginyeria tan complex com en el cas dels motors tradicionals.

En un avió elèctric, podeu garantir la plena integració de tots els sistemes, crear un nou sistema de control. Fins i tot els cotxes híbrids produiran menys soroll i emissions.

Igual que les bateries, els motors elèctrics augmenten en massa, volum i dissipació de calor a mesura que augmenta la potència. Es necessiten noves tecnologies per fer-los més potents i lleugers.

Per als desenvolupadors nacionals de sistemes de propulsió híbrids, un veritable avenç va ser la cooperació amb l'empresa russa SuperOx, un dels cinc majors proveïdors de materials amb propietats de superconductivitat a alta temperatura (HTSC) del món. Ara SuperOx està desenvolupant motors elèctrics amb un estator fet de materials superconductors (refredats amb nitrogen líquid).

Aquests motors amb bones característiques aeronàutiques seran la base d'una central elèctrica híbrida per a un avió regional, que pot arribar al cel a mitjans de la propera dècada. Enguany, al saló aeri MAKS, els especialistes del CIAM van presentar una demostració d'aquesta instal·lació amb una potència de 10 kW. L'avió previst estarà equipat amb una central elèctrica híbrida amb dos motors de 500 kW cadascun.

"Abans de parlar d'un avió elèctric híbrid", diu Halperin, "cal provar la nostra instal·lació a terra i després en un laboratori de vol. Esperem que sigui el Yak-40. En lloc d'un radar, podem posar un motor elèctric HTSC de 500 quilowatts al morro del cotxe.

Instal·larem un turbogenerador a la cua en comptes del motor central. Els dos motors Yak restants seran suficients per provar la nostra idea en una àmplia gamma d'altures (fins a 8000 m) i velocitats (fins a 500 km/h). I fins i tot si la instal·lació híbrida falla, l'avió pot completar el vol i aterrar amb seguretat . El laboratori de demostració estarà equipat segons el pla el 2019. El cicle de proves està previst provisionalment per al 2020.

Cels intel·ligents

La propulsió elèctrica i híbrida ocupa un lloc important en els plans dels fabricants d'avions més grans del món. Així es veuen les principals característiques de l'aviació de passatgers de mitjans d'aquest segle segons el programa Smarter Skies de la companyia AIRBUS.

Vol "verd"

L'avió del futur estarà dissenyat per minimitzar la petjada d'hidrocarburs a l'atmosfera. Els motors de turbina de gas d'hidrogen, els híbrids i els avions totalment elèctrics alimentats per bateries guanyaran popularitat.

Se suposa que les bateries es recarreguen amb fonts d'electricitat respectuoses amb el medi ambient. És possible l'aparició de grans parcs eòlics o centrals solars a la zona dels aeròdroms.

Llibertat al cel

Els transbordadors intel·ligents traçaran rutes de manera independent basant-se en paràmetres de respecte al medi ambient i eficiència del combustible basats en l'anàlisi de dades meteorològiques i atmosfèriques. També podran reunir-se en formacions com estols d'ocells, cosa que reduirà l'arrossegament dels avions individuals a la formació i reduirà el consum d'energia per al vol.

Més aviat des de la terra

Els nous sistemes de propulsió i l'aerodinàmica de l'aeronau els permetran enlairar-se al llarg de la trajectòria més pronunciada possible per tal de reduir el soroll a la zona de l'aeroport i assolir el més aviat possible el nivell de creuer, on l'avió demostra unes característiques econòmiques òptimes.

Aterratge sense motor

Els avions del futur podran aterrar en mode planejador. Això permetrà estalviar combustible i reduir els nivells de soroll a la zona de l'aeroport. La velocitat d'aterratge també disminuirà. Això escurçarà la longitud de les pistes.

Sense escapament

Els aeroports del futur eliminaran completament l'ús de motors de combustió interna que cremen combustible. Per al rodatge, els vaixells estaran equipats amb rodes de motor elèctric. Com a alternativa: tractors elèctrics no tripulats d'alta velocitat, que podran lliurar ràpidament avions des de la plataforma a la pista i viceversa.