Cyflymach, Tawelach, Glanach - Injan Awyrennau Newydd

Mae'n ymddangos, er mwyn newid llawer mewn hedfan, nid oes angen i chi chwilio am ysgogwyr newydd, dyluniadau dyfodolaidd neu ddeunyddiau gofod. Mae'n ddigon i ddefnyddio trosglwyddiad mecanyddol cymharol syml ...

Dyma un o arloesiadau pwysicaf y blynyddoedd diwethaf. Mae moduron turbofan wedi'u hanelu (GTF) yn caniatáu i'r cywasgydd a'r ffan gylchdroi ar wahanol gyflymder. Mae'r gêr gyriant ffan yn cylchdroi gyda siafft y gefnogwr ond yn gwahanu'r modur gefnogwr o'r cywasgydd pwysedd isel a'r tyrbin. Mae'r gefnogwr yn cylchdroi ar gyflymder arafach, tra bod y cywasgydd a'r tyrbin pwysedd isel yn gweithredu ar gyflymder uwch. Gall pob modiwl injan weithredu ar yr effeithlonrwydd gorau posibl. Ar ôl 20 mlynedd o wariant ymchwil a datblygu ac ymchwil a datblygu o tua $1000 biliwn, roedd teulu turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G yn weithredol ychydig flynyddoedd yn ôl ac mae wedi'i gyflwyno'n aruthrol i awyrennau masnachol ers XNUMX.

Mae peiriannau turbofan modern yn cynhyrchu gwthiad mewn dwy ffordd. Yn gyntaf, mae'r cywasgwyr a'r siambr hylosgi wedi'u lleoli yn ei graidd. Yn y blaen mae ffan sydd, wedi'i yrru gan y craidd, yn cyfeirio aer trwy'r siambrau osgoi o amgylch y craidd modur. Y gymhareb ffordd osgoi yw'r gymhareb o faint o aer sy'n mynd trwy'r craidd i faint o aer sy'n mynd trwyddo. Yn gyffredinol, mae cymhareb ffordd osgoi uwch yn golygu peiriannau tawelach, mwy effeithlon a mwy pwerus. Mae gan beiriannau turbofan confensiynol gymhareb osgoi o 9 i 1. Mae gan beiriannau Pratt PurePower GTF gymhareb osgoi o 12 i 1.

Er mwyn cynyddu'r gymhareb ffordd osgoi, rhaid i weithgynhyrchwyr modur gynyddu hyd llafnau'r ffan. Fodd bynnag, pan fydd yn hir, bydd y cyflymder cylchdro a geir ar ddiwedd y llafn mor uchel fel y bydd dirgryniadau diangen yn digwydd. Mae angen llafnau ffan arnoch i arafu, a dyna beth yw pwrpas y blwch gêr. Gall injan o'r fath fod mor uchel ag 16 y cant, yn ôl Pratt & Whitney. economi tanwydd gwych a 50 y cant. llai o allyriadau nwyon llosg ac mae'n 75 y cant. dawel. Yn ddiweddar, cyhoeddodd SWISS ac Air Baltic fod eu peiriannau jet cyfres C GTF yn defnyddio hyd yn oed llai o danwydd nag y mae'r gwneuthurwr yn ei addo.

Peiriant PW1100G-JM ar y llinell gynhyrchu

Enwodd cylchgrawn TIME yr injan PW1000G yn un o 50 dyfais bwysicaf 2011 ac yn un o chwe dyfais fwyaf ecogyfeillgar, gan fod Pratt & Whitney PurePower wedi'i gynllunio i fod yn lanach, yn dawelach, yn fwy pwerus ac yn defnyddio llai o danwydd na'r peiriannau jet presennol. Yn 2016, galwodd Richard Anderson, llywydd Delta Air Lines ar y pryd, yr injan yn "wir arloesiad cyntaf" ers i Dreamliner Boeing chwyldroi adeiladu cyfansawdd.

Arbedion a lleihau allyriadau

Mae'r sector hedfan masnachol yn allyrru mwy na 700 miliwn o dunelli o garbon deuocsid bob blwyddyn. Er mai dim ond tua 2 y cant ydyw. allyriadau carbon deuocsid byd-eang, mae tystiolaeth bod nwyon tŷ gwydr mewn tanwydd jet yn cael mwy o effaith ar yr atmosffer wrth iddynt gael eu rhyddhau ar uchderau uwch.

Mae gwneuthurwyr peiriannau mawr yn ceisio arbed tanwydd a lleihau allyriadau. Yn ddiweddar, cyflwynodd cystadleuydd Pratt, CFM International, ei injan ddatblygedig ei hun o'r enw LEAP, y mae swyddogion y cwmni'n dweud sy'n sicrhau canlyniadau tebyg i turbofan wedi'i anelu ar draul atebion eraill. Mae CFM yn honni y gellir cyflawni'r un buddion mewn pensaernïaeth turbofan traddodiadol heb bwysau ychwanegol a llusgo'r trên pwer. Mae LEAP yn defnyddio deunyddiau cyfansawdd ysgafn a llafnau ffan ffibr carbon i gyflawni gwelliannau effeithlonrwydd ynni y dywed y cwmni eu bod yn debyg i'r rhai a gyflawnwyd gydag injan Pratt & Whitney.

Hyd yn hyn, mae archebion ar gyfer peiriannau Airbus ar gyfer yr A320neo wedi'u rhannu'n gyfartal yn fras rhwng CFM a Pratt & Whitney. Yn anffodus i'r cwmni olaf, mae moduron PurePower yn achosi problemau i ddefnyddwyr. Ymddangosodd y cyntaf eleni, pan gofnodwyd oeri anwastad o beiriannau GTF yn Qatar Airways Airbus A320neo. Gall oeri anwastad arwain at ddadffurfiad a ffrithiant rhannau, ac ar yr un pryd cynyddu'r amser rhwng teithiau hedfan. O ganlyniad, daeth y cwmni hedfan i'r casgliad nad oedd y peiriannau'n bodloni gofynion gweithredol. Yn fuan wedi hynny, ataliodd awdurdodau hedfan India hediadau 11 o awyrennau Airbus A320neo a bwerwyd gan beiriannau PurePower GTF. Yn ôl yr Economic Times, daeth y penderfyniad ar ôl i awyrennau wedi’u pweru gan Airbus GTF ddioddef tri methiant injan dros gyfnod o bythefnos. Mae Pratt & Whitney yn bychanu'r anawsterau hyn, gan ddweud eu bod yn hawdd eu goresgyn.

Cefnogwr electronig Airbus

Mae cawr arall ym maes peiriannau awyrennau, Rolls-Royce, yn datblygu ei Power Gearbox ei hun, a fydd erbyn 2025 yn lleihau'r defnydd o danwydd mewn ffans tyrbohydrad mawr 25%. o'i gymharu â modelau hŷn o'r ystod injan Trent adnabyddus. Mae hyn, wrth gwrs, yn golygu cystadleuaeth ddylunio Pratt & Whitney newydd.

Mae'r Prydeinwyr hefyd yn meddwl am fathau eraill o arloesi. Yn ystod Sioe Awyr Singapore yn ddiweddar, lansiodd Rolls-Royce Fenter IntelligentEngine, sy'n anelu at ddatblygu peiriannau awyrennau deallus sy'n fwy diogel ac yn fwy effeithlon trwy'r gallu i gyfathrebu â'i gilydd a thrwy rwydwaith cymorth. Trwy ddarparu cyfathrebu dwy ffordd parhaus gyda'r injan a rhannau eraill o'r ecosystem gwasanaeth, bydd yr injan yn gallu datrys problemau cyn iddynt ddigwydd a dysgu sut i wella perfformiad. Byddent hefyd yn dysgu o hanes eu gwaith a pheiriannau eraill, ac ar y cyfan byddai'n rhaid iddynt hyd yn oed atgyweirio eu hunain wrth fynd.

Mae angen batris gwell ar Drive

Mae gweledigaeth hedfan y Comisiwn Ewropeaidd ar gyfer 2050 yn galw am leihau allyriadau CO.₂ gan 75 y cant, ocsidau nitrogen o 90 y cant. a sŵn o 65 y cant. Ni ellir eu cyflawni gyda thechnolegau presennol. Mae systemau gyrru trydan a hybrid-trydan yn cael eu hystyried ar hyn o bryd fel un o'r technolegau mwyaf addawol i gwrdd â'r heriau hyn.

Mae yna awyrennau golau trydan dwy sedd ar y farchnad. Mae cerbydau hybrid-trydan pedair sedd ar y gorwel. Mae NASA yn rhagweld, yn yr 20au cynnar, y bydd y math hwn o gwmnïau hedfan naw sedd pellter byr yn dod â gwasanaethau hedfan yn ôl i gymunedau llai. Yn Ewrop ac yn yr Unol Daleithiau, mae gwyddonwyr yn credu erbyn 2030 ei bod hi'n bosibl adeiladu awyren hybrid-drydan gyda chynhwysedd o hyd at 100 o seddi. Fodd bynnag, bydd angen cynnydd sylweddol ym maes storio ynni.

Ar hyn o bryd, nid yw dwysedd ynni batris yn ddigon. Fodd bynnag, gallai hyn i gyd newid. Dywedodd pennaeth Tesla, Elon Musk, unwaith y bydd y batris yn gallu cynhyrchu 400 wat-awr y cilogram, a'r gymhareb o bŵer celloedd i gyfanswm pwysau yn 0,7-0,8, bydd yr awyren draws-gyfandirol trydan yn dod yn "ddewis anodd arall." O ystyried bod batris lithiwm-ion wedi gallu cyflawni dwysedd ynni o 113 Wh/kg ym 1994, 202 Wh/kg yn 2004, a'u bod bellach yn gallu cyrraedd tua 300 Wh/kg, gellir tybio y byddant o fewn y degawd nesaf. yn cyrraedd y lefel 400 Wh/kg.

Prosiect tacsi aer dwy sedd trydan Kitty Hawk

Yn ddiweddar, bu Airbus, Rolls-Royce a Siemens yn gweithio mewn partneriaeth i ddatblygu’r arddangoswr hedfan E-Fan X, a fydd yn gam sylweddol ymlaen mewn gyriant hybrid-trydan awyrennau masnachol. Disgwylir i arddangosiad technoleg trydan hybrid E-Fan X fod -Fan X yn hedfan yn 2020 ar ôl ymgyrch prawf tir helaeth. Yn y cam cyntaf, bydd y BAe 146 yn disodli un o'r pedair injan gyda modur trydan XNUMX MW. Yn dilyn hynny, bwriedir disodli'r ail dyrbin gyda modur trydan ar ôl dangos aeddfedrwydd y system.

Bydd Airbus yn gyfrifol am yr integreiddio cyffredinol yn ogystal â'r bensaernïaeth gyriad trydan a rheoli batri hybrid a'i integreiddio â systemau rheoli hedfan. Rolls-Royce fydd yn gyfrifol am yr injan tyrbin nwy, generadur XNUMX-megawat ac electroneg pŵer. Ynghyd ag Airbus, bydd Rolls-Royce hefyd yn gweithio ar addasu'r gwyntyllau i'r modur trydan Siemens nacelle presennol. Bydd Siemens yn cyflenwi moduron trydan XNUMX MW a rheolydd pŵer electronig, yn ogystal â gwrthdröydd, trawsnewidydd a system dosbarthu pŵer.

Mae llawer o ganolfannau ymchwil ledled y byd yn gweithio ar awyrennau trydan, gan gynnwys NASA, sy'n adeiladu'r X-57 Maxwell. Mae prosiect tacsi aer dwy sedd trydan Kitty Hawk a llawer o strwythurau eraill o ganolfannau mawr, cwmnïau neu fusnesau newydd yn cael eu datblygu hefyd.

O ystyried bod hyd oes cyfartalog awyrennau teithwyr a chargo tua 21 a 33 mlynedd, yn y drefn honno, hyd yn oed os yw'r holl awyrennau newydd a gynhyrchir yfory yn holl-drydan, byddai'n cymryd dau i dri degawd i gael gwared yn raddol ar awyrennau sy'n cael eu pweru gan danwydd ffosil.

Felly ni fydd yn gweithio'n gyflym. Yn y cyfamser, gall biodanwyddau ysgafnhau'r amgylchedd yn y sector hedfan. Maent yn helpu i leihau allyriadau carbon deuocsid 36-85 y cant. Er gwaethaf y ffaith bod cyfuniadau biodanwydd ar gyfer peiriannau jet wedi'u hardystio yn ôl yn 2009, nid yw'r diwydiant hedfan ar unrhyw frys i weithredu newidiadau. Ychydig o rwystrau a heriau technolegol sy'n gysylltiedig â dod â chynhyrchu biodanwydd i lefelau diwydiannol, ond y prif ataliad yw pris - mae'n cymryd deng mlynedd arall i sicrhau cydraddoldeb â thanwydd ffosil.

Camwch i'r Dyfodol

Ar yr un pryd, mae'r labordai yn gweithio ar gysyniadau injan awyrennau ychydig yn fwy dyfodolaidd. Hyd yn hyn, er enghraifft, nid yw injan plasma yn swnio'n realistig iawn, ond ni ellir diystyru y bydd gwaith gwyddonol yn datblygu'n rhywbeth diddorol a defnyddiol. Mae byrwyr plasma yn defnyddio trydan i greu meysydd electromagnetig. Maen nhw'n cywasgu ac yn cyffroi nwy, fel aer neu argon, i mewn i blasma - cyflwr poeth, trwchus, wedi'i ïoneiddio. Mae eu hymchwil bellach yn arwain at y syniad o lansio lloerennau yn y gofod allanol (thrusters ion). Fodd bynnag, mae Berkant Goeksel o Brifysgol Dechnegol Berlin a'i dîm eisiau rhoi gwthwyr plasma ar awyrennau.

Nod yr ymchwil yw datblygu injan plasma jet aer y gellid ei defnyddio ar gyfer hediadau esgyn ac uchder uchel. Mae jetiau plasma fel arfer wedi'u cynllunio i weithredu mewn gwactod neu atmosffer gwasgedd isel lle mae angen cyflenwad nwy. Fodd bynnag, profodd tîm Göksel ddyfais sy'n gallu gweithredu yn yr aer ar bwysau un atmosffer. “Gall ein nozzles plasma gyrraedd cyflymder o hyd at 20 cilomedr yr eiliad,” meddai Göckel yng nghyfres gynadleddau Journal of Physics.

Injan SABER yng ngherbyd hypersonig y dyfodol

I ddechrau, fe wnaeth y tîm brofi gwthwyr bach 80 milimetr o hyd. Ar gyfer awyren fach, bydd hyn hyd at fil o'r hyn y mae'r tîm yn ei ystyried yn bosibl. Y cyfyngiad mwyaf, wrth gwrs, yw diffyg batris ysgafn. Mae gwyddonwyr hefyd yn ystyried awyrennau hybrid, lle byddai injan plasma yn cael ei chyfuno ag injans tanio mewnol neu rocedi.

Pan fyddwn yn siarad am gysyniadau injan jet arloesol, gadewch inni beidio ag anghofio'r SABER (Injan Roced Anadlu Awyr Synergaidd) a ddatblygwyd gan Reaction Engines Limited. Tybir mai injan fydd hon yn gweithredu yn yr atmosffer ac mewn gwactod, yn rhedeg ar hydrogen hylifol. Ar gam cychwynnol yr hediad, bydd yr ocsidydd yn aer o'r atmosffer (fel mewn peiriannau jet confensiynol), ac o uchder o 26 km (lle mae'r llong yn cyrraedd cyflymder o 5 miliwn o flynyddoedd) - ocsigen hylifol. Ar ôl newid i'r modd roced, bydd yn cyrraedd cyflymder o hyd at Mach 25.

Nid yw HorizonX, cangen fuddsoddi Boeing sy'n ymwneud â'r prosiect, wedi penderfynu eto sut y gallai SABER ei ddefnyddio, ac eithrio ei fod yn disgwyl "defnyddio technoleg chwyldroadol i helpu Boeing yn ei ymchwil am hedfan uwchsonig."

Mae RAMJET a scramjet (injan jet uwchsonig gyda siambr hylosgi) wedi bod ar wefusau cefnogwyr hedfan cyflym ers amser maith. Ar hyn o bryd, fe'u datblygir yn bennaf at ddibenion milwrol. Fodd bynnag, fel y mae hanes hedfan yn dysgu, bydd yr hyn a fydd yn cael ei brofi yn y fyddin yn mynd i hedfan sifil. Y cyfan sydd ei angen yw ychydig o amynedd.

Fideo Injan Deallus Rolls Royce:

Rolls-Royce | Arloesi mewn IntelligentEngine