Apakah pesawat listrik merupakan alternatif penerbangan modern?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Mesin turbin gas (turbofan) modern yang menggerakkan liner, tentu saja, bukan rattler dua langkah untuk peralatan berkebun, tetapi mesin yang sangat efisien dan sangat andal. Namun, menurut produsen pesawat, cadangannya hampir habis untuk perbaikan lebih lanjut.

Mengapa ada mesin - semua pesawat yang sedang dibangun sangat mirip satu sama lain sehingga hanya ahli penerbangan yang akan segera membedakan Boeing atau Airbus dari Bombardier atau MS-21. Dan meskipun tidak ada keraguan sedikit pun bahwa pesawat tipe modern dengan dua mesin turbin gas di bawah sayap akan menggulung kita melintasi langit selama beberapa dekade, harapan besar untuk tata letak baru dan aerodinamika baru pesawat dikaitkan dengan penggerak listrik.

Cepat, tapi tidak lama

Sampai saat ini, istilah "pesawat listrik" dipahami sebagai "pesawat yang lebih listrik" - pesawat dengan sayap tetap, di mana transmisi mekanis dan hidrolik diganti secara maksimal oleh transmisi listrik.

Tidak ada lagi pipa dan kabel - semua pekerjaan mekanis, seperti mengemudikan kemudi dan mekanisasi sayap, dilakukan oleh aktuator motor listrik kecil, yang disuplai dengan daya dan saluran untuk sinyal kontrol. Sekarang istilah itu telah diisi dengan arti baru: pesawat listrik yang sebenarnya harus bergerak sendiri pada traksi listrik.

Tentu saja, prospek penerbangan listrik tidak hanya bergantung (dan bahkan tidak terlalu banyak) pada perancang pesawat terbang, tetapi juga kemajuan di bidang teknik listrik. Lagi pula, ada pesawat terbang, seperti yang mereka katakan, "dengan baterai". Motor listrik tambahan dipasang pada glider beberapa dekade yang lalu.

Extra 330LE, yang pertama kali terbang pada tahun 2016, sudah membawa glider dan mencatatkan rekor kecepatan. Tetapi blok 14 baterai lithium-ion yang kuat dan motor listrik dari Siemens memungkinkan bayi ini hanya membawa dua orang, termasuk pilot, dan tetap di udara tidak lebih dari 20 menit.

Ekstra 330LE

Tentu saja, ada proyek dengan indikator yang jauh lebih mengesankan. Pada bulan September tahun lalu, maskapai penerbangan murah Inggris EasyJet mengumumkan bahwa dalam sepuluh tahun mereka akan meluncurkan kapal regional semua-listrik (jarak 540 km, yang cukup banyak untuk penerbangan intra-Eropa) dengan kapasitas 180 penumpang.

Startup Amerika Wright Electric, yang telah membangun demonstran terbang dua kursi, telah menjadi mitra dalam proyek tersebut. Namun, hari ini kepadatan energi baterai lithium-ion terbaik lebih dari urutan besarnya lebih rendah daripada bahan bakar hidrokarbon. Diasumsikan bahwa pada tahun 2030 baterai akan meningkatkan kinerjanya maksimal dua kali lipat.

Turbin, tinggal

Situasi dengan sel bahan bakar terlihat jauh lebih menguntungkan, di mana energi kimia bahan bakar diubah menjadi energi listrik secara langsung, melewati proses pembakaran.

Hidrogen dianggap sebagai bahan bakar yang paling menjanjikan untuk sumber tenaga seperti itu. Eksperimen dengan sel bahan bakar sebagai sumber daya untuk pesawat listrik sedang dilakukan di berbagai negara di dunia (di Rusia, CIAM terutama mengerjakan proyek untuk membuat pesawat semacam itu, dan sel bahan bakar untuk mereka dibuat di IPCP RAS di bawah bimbingan Profesor Yuri Dobrovolsky).

Dari konsep terbang dan berawak, orang dapat mengingat demonstran Eropa ENFICA-FC Rapid 200FC - ia menggunakan baterai listrik dan sel bahan bakar secara bersamaan. Namun teknologi ini juga membutuhkan peningkatan yang signifikan dan penelitian tambahan.

Prospek yang paling realistis untuk hari ini tampaknya adalah prospek pesawat listrik yang dibangun sesuai dengan skema hybrid. Artinya, baling-baling pesawat (baling-baling atau propfan) akan digerakkan oleh motor listrik, tetapi akan menerima listrik dari generator yang diputar … oleh mesin turbin gas (atau mesin pembakaran internal lainnya). Pada pandangan pertama, skema seperti itu tampak aneh: mereka ingin meninggalkan GTE demi motor listrik, tetapi mereka tidak akan melakukan ini.

Sudah ada beberapa proyek hibrida di dunia, tetapi kami terutama tertarik pada Rusia. Pengerjaan pesawat listrik, khususnya dengan skema hibrida, dilakukan di berbagai lembaga ilmiah profil penerbangan, seperti TsAGI atau TsIAM.

Hari ini, ini dan beberapa lembaga lainnya telah disatukan (sejak 2014) di bawah naungan Pusat Penelitian "Institusi yang dinamai N. Ye. Zhukovsky", yang dirancang untuk menjadi "kepercayaan otak" tunggal yang kuat dari industri ini. Tugas mengintegrasikan semua pekerjaan pada penerbangan listrik di dalam pusat diberikan kepada Sergei Galperin, yang telah kami kutip di awal artikel.

Lepas landas bertenaga baterai

“Transisi ke motor listrik dalam penerbangan membuka banyak prospek menarik,” kata Sergei Halperin, “tetapi tidak ada alasan untuk mengandalkan pembuatan pesawat listrik komersial dengan jangkauan yang layak untuk kondisi Rusia pada sumber energi kimia murni (baterai atau sel bahan bakar) dalam waktu dekat: potensi energi terlalu berbeda satu kilogram minyak tanah dan satu kilogram baterai. Sebuah desain hybrid bisa menjadi kompromi yang masuk akal. Harus dipahami bahwa mesin turbin gas yang secara langsung menciptakan gaya dorong dan mesin turbin gas yang akan menggerakkan poros generator sama sekali bukan hal yang sama.

Faktanya adalah bahwa kebutuhan energi pesawat berubah secara signifikan selama penerbangan. Saat lepas landas, mesin pesawat mengembangkan daya mendekati maksimum, dan selama jelajah (yaitu, untuk sebagian besar penerbangan) konsumsi daya pesawat berkurang 5-6 kali lipat.

Dengan demikian, pembangkit listrik tradisional harus dapat beroperasi dalam berbagai mode (tidak selalu optimal dari sudut pandang ekonomi) dan dengan cepat beralih dari satu ke yang lain. Tidak ada hal semacam itu yang diperlukan dari mesin turbin gas dalam instalasi hibrida. Ini akan mirip dengan turbin gas pembangkit listrik, yang selalu beroperasi dalam mode yang sama dan paling menguntungkan secara ekonomi. Mereka telah bekerja selama bertahun-tahun tanpa henti."

Ce-liner

Dengan bantuan generator, GTE akan dapat menghasilkan energi untuk catu daya langsung motor listrik, serta untuk membuat cadangan baterai. Bantuan baterai akan dibutuhkan hanya saat lepas landas.

Tetapi karena pengoperasian motor listrik dalam mode lepas landas hanya akan berlangsung beberapa menit, cadangan energi tidak boleh terlalu besar dan baterai yang terpasang cukup dapat diterima dalam ukuran dan berat. Pada saat yang sama, mesin turbin gas tidak akan memiliki rezim lepas landas - bisnisnya adalah menghasilkan listrik secara diam-diam.

Jadi, tidak seperti mesin pesawat, mesin turbin gas di pesawat listrik hibrida akan kurang bertenaga, lebih andal dan ramah lingkungan, lebih sederhana dalam desain, yang berarti lebih murah dan, akhirnya, akan memiliki sumber daya yang lebih besar.

Meniup di sayap

Pada saat yang sama, transisi ke motor listrik membuka prospek inovasi mendasar dalam desain pesawat sipil masa depan. Salah satu topik yang paling banyak dibicarakan adalah pembuatan pembangkit listrik terdistribusi.

Saat ini, tata letak liner klasik mengasumsikan dua titik penerapan daya dorong, yaitu, dua, jarang empat, mesin bertenaga yang tergantung pada tiang di bawah sayap. Di pesawat listrik, tata letak sejumlah besar motor listrik di sepanjang sayap, serta di ujungnya, dipertimbangkan. Mengapa ini dibutuhkan?

Intinya lagi-lagi pada perbedaan antara mode lepas landas dan jelajah. Saat lepas landas dengan kecepatan aliran insiden rendah, sebuah pesawat membutuhkan area sayap yang besar untuk menciptakan daya angkat. Pada kecepatan jelajah, sayap lebar menghalangi, menciptakan daya angkat berlebih.

Masalahnya terpecahkan karena mekanisasi yang kompleks - penutup dan bilah yang dapat ditarik. Pesawat yang lebih kecil, lepas landas dari lapangan terbang kecil dan memiliki sayap besar untuk ini, dipaksa untuk berlayar dengan sudut serang yang kurang optimal, yang mengarah pada konsumsi bahan bakar tambahan.

Tapi, jika saat lepas landas banyak motor listrik yang terhubung ke baling-baling juga akan meniup sayap, tidak perlu dibuat terlalu lebar. Pesawat akan lepas landas dengan lepas landas pendek, dan pada bagian jelajah, sayap yang sempit tidak akan menimbulkan masalah. Mobil akan ditarik ke depan oleh baling-baling yang digerakkan oleh motor penggerak, dan baling-baling di sepanjang sayap pada tahap ini akan dilipat atau ditarik kembali sebelum mendarat.

Contohnya adalah proyek X-57 Maxwell NASA. Demonstran konsep dilengkapi dengan 14 motor listrik yang ditempatkan di sepanjang sayap dan di ujung sayap. Semuanya bekerja hanya saat lepas landas dan mendarat. Pada bagian jelajah, hanya motor ujung sayap yang terlibat.

Penempatan motor seperti itu memungkinkan untuk mengurangi pengaruh negatif vortisitas yang muncul di tempat-tempat tersebut. Di sisi lain, pembangkit listrik ternyata rumit, yang berarti perawatannya lebih mahal dan kemungkinan kegagalannya juga lebih tinggi. Secara umum, para ilmuwan dan desainer memiliki sesuatu untuk dipikirkan.

X-57 Maxwell

Akan membantu nitrogen cair

“Pesawat listrik memberikan banyak peluang untuk pengoptimalan,” kata Sergei Halperin. - Anda dapat bereksperimen, misalnya, dengan kombinasi sekrup tarik dan dorong. Motor listrik jauh lebih menguntungkan dibandingkan dengan mesin turbin gas di pesawat konversi, karena rotasi aman motor listrik ke posisi horizontal tidak menimbulkan masalah rekayasa yang rumit seperti dalam kasus mesin tradisional.

Di pesawat listrik, Anda dapat memastikan integrasi penuh dari semua sistem, membuat sistem kontrol baru. Bahkan mobil hybrid akan menghasilkan lebih sedikit kebisingan dan emisi.”

Seperti baterai, motor listrik meningkatkan massa, volume, dan pembuangan panas saat daya meningkat. Teknologi baru diperlukan untuk membuatnya lebih kuat dan lebih ringan.

Untuk pengembang domestik sistem propulsi hibrida, terobosan nyata adalah kerja sama dengan perusahaan Rusia SuperOx, salah satu dari lima pemasok terbesar bahan dengan sifat superkonduktivitas suhu tinggi (HTSC) di dunia. Kini SuperOx sedang mengembangkan motor listrik dengan stator yang terbuat dari bahan superkonduktor (didinginkan dengan nitrogen cair).

Mesin dengan karakteristik penerbangan yang baik ini akan menjadi dasar pembangkit listrik hibrida untuk pesawat regional, yang mungkin akan mengudara pada pertengahan dekade berikutnya. Tahun ini, di pertunjukan udara MAKS, spesialis CIAM menghadirkan demonstran instalasi semacam itu dengan kapasitas 10 kW. Pesawat yang direncanakan akan dilengkapi dengan pembangkit listrik hibrida dengan masing-masing dua mesin 500 kW.

“Sebelum berbicara tentang pesawat listrik hibrida,” kata Halperin, “perlu untuk menguji instalasi kami di darat dan kemudian di laboratorium terbang. Kami berharap itu akan menjadi Yak-40. Alih-alih radar, kita dapat menempatkan motor listrik HTSC 500 kilowatt di hidung mobil.

Kami akan memasang generator turbo di bagian ekor, bukan di mesin pusat. Dua mesin Yak yang tersisa akan cukup untuk menguji gagasan kami dalam berbagai ketinggian (hingga 8000 m) dan kecepatan (hingga 500 km / jam). Dan bahkan jika instalasi hybrid gagal, pesawat dapat menyelesaikan penerbangan dan mendarat dengan aman. Laboratorium percontohan akan dilengkapi sesuai rencana pada 2019. Siklus tes sementara dijadwalkan untuk tahun 2020.

Langit pintar

Propulsi listrik dan hibrida menempati tempat yang signifikan dalam rencana produsen pesawat terbesar di dunia. Beginilah tampilan fitur utama penerbangan penumpang pertengahan abad ini menurut program Smarter Skies dari perusahaan AIBUS.

Penerbangan "Hijau"

Pesawat masa depan akan dirancang untuk meminimalkan jejak hidrokarbon di atmosfer. Mesin turbin gas hidrogen, hibrida, dan pesawat listrik bertenaga baterai akan mendapatkan popularitas.

Diasumsikan bahwa baterai akan diisi ulang dari sumber listrik yang ramah lingkungan. Munculnya ladang angin besar atau pembangkit listrik tenaga surya di area lapangan terbang dimungkinkan.

Kebebasan di langit

Liner cerdas akan secara mandiri memplot rute berdasarkan keramahan lingkungan dan parameter efisiensi bahan bakar berdasarkan analisis data cuaca dan atmosfer. Mereka juga akan dapat berkumpul dalam formasi seperti kawanan burung, yang akan mengurangi hambatan untuk masing-masing pesawat dalam formasi dan mengurangi konsumsi energi untuk penerbangan.

Melainkan dari tanah

Sistem propulsi baru dan aerodinamika pesawat akan memungkinkan mereka lepas landas di sepanjang lintasan yang paling curam untuk mengurangi kebisingan di area bandara dan mencapai tingkat jelajah sesegera mungkin, di mana pesawat menunjukkan karakteristik ekonomi yang optimal.

Mendarat tanpa mesin

Pesawat masa depan akan dapat mendarat dalam mode meluncur. Hal ini akan menghemat bahan bakar dan mengurangi tingkat kebisingan di area bandara. Kecepatan pendaratan juga akan berkurang. Ini akan memperpendek panjang landasan pacu.

Tidak ada knalpot

Bandara masa depan akan sepenuhnya menghilangkan penggunaan mesin pembakaran internal yang membakar bahan bakar. Untuk taxi, liner akan dilengkapi dengan roda motor listrik. Sebagai alternatif - traktor listrik tak berawak berkecepatan tinggi, yang akan dapat dengan cepat mengirimkan pesawat dari apron ke landasan pacu dan sebaliknya.