أسرع وأكثر هدوءًا وأنظف - محرك طائرات جديد
اتضح أنه من أجل تغيير الكثير في مجال الطيران ، لا تحتاج إلى البحث عن مراوح جديدة أو تصميمات مستقبلية أو مواد فضائية. يكفي استخدام ناقل حركة ميكانيكي بسيط نسبيًا ...
هذا هو أحد أهم ابتكارات السنوات الأخيرة. تسمح محركات المروحة التوربينية الموجهة (GTF) للضاغط والمروحة بالدوران بسرعات مختلفة. يدور ترس محرك المروحة مع عمود المروحة ولكنه يفصل محرك المروحة عن ضاغط الضغط المنخفض والتوربين. تدور المروحة بسرعة أبطأ ، بينما يعمل الضاغط والتوربينات ذات الضغط المنخفض بسرعة أعلى. يمكن أن تعمل كل وحدة محرك بكفاءة مثالية. بعد 20 عامًا من إنفاق البحث والتطوير والبحث والتطوير بحوالي 1000،2016 مليار دولار ، تم تشغيل عائلة المحركات المروحية Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG قبل بضع سنوات وتم إدخالها على نطاق واسع في الطائرات التجارية منذ عام XNUMX.
تولد المحركات المروحية الحديثة الدفع بطريقتين. أولاً ، تقع الضواغط وغرفة الاحتراق في جوهرها. يوجد في المقدمة مروحة ، مدفوعة من القلب ، توجه الهواء عبر الغرف الالتفافية حول قلب المحرك. نسبة الالتفافية هي نسبة كمية الهواء التي تمر عبر القلب إلى كمية الهواء التي تمر عبرها. بشكل عام ، تعني نسبة التجاوز الأعلى محركات أكثر هدوءًا وفعالية وقوة. المحركات المروحية المروحية التقليدية لها نسبة تجاوز 9 إلى 1. محركات Pratt PurePower GTF لها نسبة تجاوز 12 إلى 1.
لزيادة نسبة الالتفافية ، يجب على الشركات المصنعة للمحركات زيادة طول شفرات المروحة. ومع ذلك ، عند الاستطالة ، فإن سرعات الدوران التي يتم الحصول عليها في نهاية الشفرة ستكون عالية جدًا بحيث تحدث اهتزازات غير مرغوب فيها. أنت بحاجة إلى شفرات المروحة لإبطاء السرعة ، وهذا هو الغرض من علبة التروس. يمكن أن يصل ارتفاع هذا المحرك إلى 16 بالمائة ، وفقًا لشركة Pratt & Whitney. اقتصاد كبير في استهلاك الوقود و 50 بالمائة. انبعاثات عادم أقل و 75 بالمائة. هادئ. في الآونة الأخيرة ، أعلنت SWISS و Air Baltic أن محركاتهما النفاثة GTF C-series تستهلك وقودًا أقل مما وعدت الشركة المصنعة.
محرك PW1100G-JM على خط الإنتاج
صنفت مجلة TIME محرك PW1000G كأحد أهم 50 اختراعًا لعام 2011 وواحدًا من ستة اختراعات صديقة للبيئة ، حيث تم تصميم Pratt & Whitney PurePower ليكون أنظف وأكثر هدوءًا وأكثر قوة ويستخدم وقودًا أقل من المحركات النفاثة الحالية. في عام 2016 ، وصف ريتشارد أندرسون ، رئيس شركة دلتا إيرلاينز آنذاك ، المحرك بأنه "أول ابتكار حقيقي" منذ أن أحدثت شركة بوينج دريملاينر ثورة في البناء المركب.
التوفير وخفض الانبعاثات
يصدر قطاع الطيران التجاري أكثر من 700 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا. على الرغم من أنها لا تزيد عن 2 في المائة. انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية ، هناك دليل على أن غازات الاحتباس الحراري في وقود الطائرات لها تأثير أكبر على الغلاف الجوي حيث يتم إطلاقها على ارتفاعات أعلى.
يتطلع كبار مصنعي المحركات إلى توفير الوقود وتقليل الانبعاثات. طرحت شركة CFM International المنافسة لشركة Pratt مؤخرًا محركها المتطور المسمى LEAP ، والذي يقول مسؤولو الشركة إنه يقدم نتائج مماثلة لمحرك توربيني موجه على حساب الحلول الأخرى. تدعي CFM أنه في الهندسة المعمارية التقليدية للمحركات المروحية ، يمكن تحقيق نفس الفوائد دون زيادة الوزن وسحب مجموعة نقل الحركة. تستخدم LEAP مواد مركبة خفيفة الوزن وشفرات مروحة من ألياف الكربون لتحقيق تحسينات في كفاءة الطاقة تقول الشركة إنها قابلة للمقارنة مع تلك التي تم تحقيقها باستخدام محرك Pratt & Whitney.
حتى الآن ، تم تقسيم طلبات محركات إيرباص لطائرة A320neo بالتساوي تقريبًا بين CFM و Pratt & Whitney. لسوء حظ الشركة الأخيرة ، تسبب محركات PurePower مشاكل للمستخدمين. ظهر الأول هذا العام ، عندما تم تسجيل تبريد غير متساوٍ لمحركات GTF في طائرة الخطوط الجوية القطرية إيرباص A320neo. يمكن أن يؤدي التبريد غير المتكافئ إلى تشوه الأجزاء واحتكاكها ، وفي نفس الوقت يزيد الوقت بين الرحلات الجوية. نتيجة لذلك ، خلصت شركة الطيران إلى أن المحركات لا تلبي المتطلبات التشغيلية. بعد ذلك بوقت قصير ، أوقفت سلطات الطيران الهندية رحلات 11 طائرة إيرباص A320neo تعمل بمحركات PurePower GTF. وفقًا لصحيفة "إيكونوميك تايمز" ، جاء القرار بعد أن تعرضت طائرة إيرباص التي تعمل بالطاقة GTF لثلاثة أعطال في المحرك على مدار أسبوعين. يقلل برات آند ويتني من أهمية هذه الصعوبات ، قائلين إنه من السهل التغلب عليها.
مروحة الكترونية ايرباص
عملاق آخر في مجال محركات الطائرات ، Rolls-Royce ، يقوم بتطوير Power Gearbox الخاص به ، والذي بحلول عام 2025 سيقلل من استهلاك الوقود في المحركات التوربينية الكبيرة بنسبة 25٪. مقارنة بالموديلات القديمة من مجموعة محركات ترينت المعروفة. هذا ، بالطبع ، يعني مسابقة تصميم Pratt & Whitney جديدة.
يفكر البريطانيون أيضًا في أنواع أخرى من الابتكار. خلال معرض سنغافورة للطيران الأخير ، أطلقت Rolls-Royce مبادرة IntelligentEngine ، التي تهدف إلى تطوير محركات طائرات ذكية أكثر أمانًا وكفاءة من خلال القدرة على التواصل مع بعضها البعض ومن خلال شبكة دعم. من خلال توفير اتصال مستمر ثنائي الاتجاه مع المحرك وأجزاء أخرى من النظام البيئي للخدمة ، سيكون المحرك قادرًا على حل المشكلات قبل حدوثها وتعلم كيفية تحسين الأداء. سوف يتعلمون أيضًا من تاريخ عملهم والمحركات الأخرى ، وعلى العموم سيتعين عليهم إصلاح أنفسهم أثناء التنقل.
محرك يحتاج بطاريات أفضل
تدعو رؤية الطيران للمفوضية الأوروبية لعام 2050 إلى خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.2 بنسبة 75 في المائة ، أكاسيد النيتروجين بنسبة 90 في المائة. والضوضاء بنسبة 65 في المائة. لا يمكن تحقيقها مع التقنيات الحالية. يُنظر إلى أنظمة الدفع الكهربائية والهجينة الكهربائية حاليًا على أنها واحدة من أكثر التقنيات الواعدة لمواجهة هذه التحديات.
هناك طائرات كهربائية ذات مقعدين في السوق. السيارات الهجينة ذات الأربعة مقاعد تلوح في الأفق. تتوقع وكالة ناسا أنه في أوائل العشرينات من القرن الماضي ، سيعيد هذا النوع من الطائرات قصيرة المدى ذات التسعة مقاعد خدمات الطيران إلى المجتمعات الأصغر. في كل من أوروبا والولايات المتحدة ، يعتقد العلماء أنه بحلول عام 20 سيكون من الممكن بناء طائرة كهربائية هجينة بسعة تصل إلى 2030 مقعد. ومع ذلك ، ستكون هناك حاجة لإحراز تقدم كبير في مجال تخزين الطاقة.
في الوقت الحالي ، لا تكفي كثافة طاقة البطاريات. ومع ذلك ، كل هذا يمكن أن يتغير. قال رئيس شركة Tesla Elon Musk إنه بمجرد أن تصبح البطاريات قادرة على إنتاج 400 واط / ساعة لكل كيلوغرام ، وتكون نسبة طاقة الخلية إلى الوزن الإجمالي 0,7-0,8 ، ستصبح الطائرة الكهربائية العابرة للقارات "بديلاً صعبًا". بالنظر إلى أن بطاريات الليثيوم أيون كانت قادرة على تحقيق كثافة طاقة قدرها 113 واط / كغم في 1994 ، 202 واط / كغم في عام 2004 ، وهي الآن قادرة على الوصول إلى حوالي 300 واط / كغم ، يمكن افتراض أنها خلال العقد القادم سيصل إلى المستوى 400 واط / كغم.
مشروع كيتي هوك للتاكسي الجوي الكهربائي بمقعدين
اشتركت إيرباص ورولز رويس وسيمنز مؤخرًا في تطوير جهاز عرض الطيران E-Fan X ، والذي سيكون خطوة مهمة إلى الأمام في مجال الدفع الهجين للطائرات التجارية. من المتوقع أن يكون عرض التكنولوجيا الكهربائية الهجينة E-Fan X - Fan X سيطير في عام 2020 بعد حملة اختبار أرضية واسعة النطاق. في المرحلة الأولى ، ستستبدل BAe 146 أحد المحركات الأربعة بمحرك كهربائي XNUMX ميجاوات. بعد ذلك ، من المخطط استبدال التوربين الثاني بمحرك كهربائي بعد إثبات نضج النظام.
ستكون شركة إيرباص مسؤولة عن التكامل الشامل بالإضافة إلى هندسة الدفع الكهربائي الهجين والتحكم في البطارية وتكاملها مع أنظمة التحكم في الطيران. ستكون رولز رويس مسؤولة عن محرك التوربينات الغازية والمولد XNUMX ميغاواط وإلكترونيات الطاقة. وبالتعاون مع شركة إيرباص ، ستعمل Rolls-Royce أيضًا على تكييف المراوح لتلائم محرك سيمنز الحالي والمحرك الكهربائي. ستزود شركة Siemens بمحركات كهربائية بقدرة XNUMX ميجاوات ووحدة تحكم إلكترونية في الطاقة ، بالإضافة إلى نظام عاكس ومحول وتوزيع الطاقة.
تعمل العديد من مراكز الأبحاث حول العالم على الطائرات الكهربائية ، بما في ذلك وكالة ناسا التي تبني X-57 ماكسويل. كما يتم تطوير مشروع التاكسي الجوي الكهربائي بمقعدين والعديد من الهياكل الأخرى للمراكز الكبيرة والشركات أو الشركات الناشئة الصغيرة.
بالنظر إلى أن متوسط عمر طائرات الركاب والبضائع يبلغ حوالي 21 و 33 عامًا ، على التوالي ، حتى لو كانت جميع الطائرات الجديدة المنتجة غدًا تعمل بالكهرباء بالكامل ، فقد يستغرق الأمر عقدين إلى ثلاثة عقود للتخلص التدريجي من الطائرات التي تعمل بالوقود الأحفوري.
لذلك لن يعمل بسرعة. وفي الوقت نفسه ، يمكن للوقود الحيوي أن يخفف البيئة في قطاع الطيران. إنها تساعد في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 36-85 في المائة. على الرغم من حقيقة أن مزيج الوقود الحيوي لمحركات الطائرات قد تم اعتماده في عام 2009 ، إلا أن صناعة الطيران ليست في عجلة من أمرها لتنفيذ التغييرات. هناك عدد قليل من العقبات والتحديات التكنولوجية المرتبطة بجلب إنتاج الوقود الحيوي إلى المستويات الصناعية ، ولكن الرادع الرئيسي هو السعر - يستغرق الأمر عشر سنوات أخرى لتحقيق التكافؤ مع الوقود الأحفوري.
خطوة الى المستقبل
في الوقت نفسه ، تعمل المعامل على مفاهيم أكثر مستقبلية لمحركات الطائرات. حتى الآن ، على سبيل المثال ، لا يبدو محرك البلازما واقعيًا للغاية ، لكن لا يمكن استبعاد أن الأعمال العلمية ستتطور إلى شيء مثير للاهتمام ومفيد. تستخدم دافعات البلازما الكهرباء لإنشاء مجالات كهرومغناطيسية. يضغطون ويثيرون غازًا ، مثل الهواء أو الأرجون ، في بلازما - وهي حالة ساخنة وكثيفة ومتأينة. يقود بحثهم الآن إلى فكرة إطلاق أقمار صناعية في الفضاء الخارجي (الدفع الأيوني). ومع ذلك ، يريد بيركانت جوكسل من الجامعة التقنية في برلين وفريقه وضع دافعات البلازما على الطائرات.
الهدف من البحث هو تطوير محرك بلازما هوائي يمكن استخدامه في كل من الإقلاع والرحلات الجوية على ارتفاعات عالية. تُصمم محركات البلازما النفاثة عادةً لتعمل في جو خوائي أو ضغط منخفض حيث يلزم تزويد الغاز. ومع ذلك ، اختبر فريق Göksel جهازًا قادرًا على العمل في الهواء بضغط جوي واحد. يقول جوكل في سلسلة مؤتمرات جورنال أوف فيزيكس: "يمكن أن تصل فوهات البلازما لدينا إلى سرعات تصل إلى 20 كيلومترًا في الثانية".
محرك SABER في سيارة المستقبل التي تفوق سرعتها سرعة الصوت
بادئ ذي بدء ، اختبر الفريق الدافعات المصغرة التي يبلغ طولها 80 ملمًا. بالنسبة للطائرة الصغيرة ، سيكون هذا ما يصل إلى ألف مما يعتبره الفريق ممكنًا. أكبر قيود ، بالطبع ، هو عدم وجود بطاريات خفيفة الوزن. يفكر العلماء أيضًا في الطائرات الهجينة ، حيث سيتم دمج محرك البلازما مع محركات الاحتراق الداخلي أو الصواريخ.
عندما نتحدث عن مفاهيم مبتكرة للمحرك النفاث ، دعونا لا ننسى SABER (محرك صاروخ تنفس الهواء التآزري) الذي طورته شركة Reaction Engines Limited. من المفترض أن يكون هذا محركًا يعمل في الغلاف الجوي وفي الفراغ على حد سواء ، ويعمل بالهيدروجين السائل. في المرحلة الأولى من الرحلة ، سيكون المؤكسد هو الهواء من الغلاف الجوي (كما هو الحال في المحركات النفاثة التقليدية) ، ومن ارتفاع 26 كم (حيث تصل سرعة السفينة إلى 5 ملايين سنة) - الأكسجين السائل. بعد التحول إلى وضع الصاروخ ، ستصل إلى سرعات تصل إلى 25 ماخ.
لم تقرر HorizonX ، الذراع الاستثمارية لشركة Boeing المشاركة في المشروع ، بعد كيف يمكن لشركة SABER استخدامها ، باستثناء أنها تتوقع "استخدام التكنولوجيا الثورية لمساعدة Boeing في سعيها لرحلة أسرع من الصوت".
لطالما كانت RAMJET و scramjet (محرك نفاث أسرع من الصوت مع غرفة احتراق) على شفاه عشاق الطيران عالي السرعة. حاليًا ، تم تطويرها بشكل أساسي للأغراض العسكرية. ومع ذلك ، وكما يعلمنا تاريخ الطيران ، فإن ما سيتم اختباره في الجيش سوف يذهب إلى الطيران المدني. كل ما يتطلبه الأمر هو القليل من الصبر.
فيديو المحرك الذكي من رولز رويس:
رولز رويس | الابتكار في المحرك الذكي
