Что приводит в движение самолет с поршневыми двигателями
Авиационные газотурбинные двигатели
Здравствуйте! В начале сороковых годов XX века газовая турбина нашла применение в авиации. За сравнительно короткий срок поршневые двигатели были вытеснены из скоростной авиации более совершенными газотурбинными двигателями (ГТД).
Очень важным показателем для авиации является удельная масса двигателя. У поршневого двигателя она составляет 0,55— 0,82 кг/кВт, а у газотурбинного — всего лишь 0,11—0,14 кг/кВт.
Принципиальное отличие газотурбинного двигателя от поршневого состоит в характере движения рабочего органа. Если в поршневом двигателе поршень совершает возвратно — поступательное движение, которое затем с помощью коленчатого вала преобразуется во вращательное, то в ГТД рабочий орган (ротор турбины) сразу же совершает вращательное движение.
Это обстоятельство в основном и предопределило успех ГТД, так как оно позволило получить большее число оборотов и, следовательно, увеличить мощность двигателя при одинаковой массе. Кроме того, поперечные габаритные размеры ГТД, отнесенные к силе тяги, оказались во много раз меньшими, чем у лучших поршневых двигателей. Все это позволило резко увеличить скорость полета самолетов при установке на них газотурбинных двигателей. Если для самолетов с поршневыми двигателями скорость полета обычно составляет 200—300 км/ч, то самолеты гражданской авиации, оснащенные газотурбинными двигателями, развивают скорость значительно выше.
В ходе развития и совершенствования ГТД появились различные конструктивные решения. Однако все авиационные ГТД подразделяются на две основные группы: турбореактивные (ТРД, рис. 1.) и турбовинтовые (ТВД, рис. 2).
Турбореактивный двигатель состоит из входного устройства 1, осевого компрессора 2, топливной системы 3, камеры сгорания 4, турбины 5 и выходного устройства (сопла) 6. Воздух, поступающий через входное устройство 1 внутрь двигателя, сжимается в компрессоре 2 и нагнетается им в камеру сгорания 4.
Сюда же подается через форсунки жидкое топливо. Образующиеся в процессе сгорания топлива газы повышенной температуры и высокого давления направляются на рабочие лопатки турбины 5, приводя во вращение ее ротор, который опирается на роликовые 7 и шариковые раднально -упорные 8 подшипники. Затем через сопло газы отводятся наружу.
Выходное устройство 6 служит для преобразования потенциальной энергии газового потока в кинетическую и отвода газов из двигателя. Скорость истечения газов из реактивного насадка дозвукового выходного устройства близка к критической или равна ей и составляет 500—600 м/с.
Для газовой турбины характерны непрерывность рабочего процесса, высокие скорости газа и отсутствие возвратного движения масс. Газовая турбина служит приводом компрессора, а избыток энергии используется для сообщения газу большой скорости. При истечении газа в сторону, противоположную направлению полета, возникает реактивная тяга, которой приводится в движение самолет. Реактивная струя частично создается турбиной и частично соплом, отсюда и название — турбореактивный двигатель.
Таким образом, движущей силой или тягой в турбореактивном двигателе является реакция струи горячих газов, истекающих из сопла. Тяга — основная характеристика ТРД. Для создания постоянной тяги в течение продолжительного времени топливо непрерывно сжигается в камере. Благодаря этому в камере поддерживается давление, большее давления окружающей среды. Под действием перепада давления и происходит истечение газов из сопла в атмосферу и образование реактивной струи.
Постоянство тяги и давления в камере сгорания обеспечивается при условии, что количество газа, образующегося в единицу времени при сжигании топлива, равно количеству газа, истекающего за это же время из камеры. Величина тяги зависит в основном от секундного расхода газов и скорости их истечения из двигателя в атмосферу. Чем больше расход газов и скорость истечения, тем большей (при прочих равных условиях) будет тяга. Для увеличения скорости истечения и, следовательно, тяги служит сопло.
Основными элементами турбовинтового двигателя (рис.2.) являются воздушный винт 1, редуктор числа оборотов 2, компрессор 3, камера сгорания 4, турбина 5 и выходное устройство б. Характерная особенность турбовинтового двигателя состоит в том, что его газовая турбина приводит в действие наряду с компрессором воздушный винт, причем основная тяга создается винтом, а расширение выхлопных газов в реактивном сопле дает дополнительную тягу. Однако скорость выхода газов из сопла в ТВД значительно меньше, чем в ТРД. Теплоперепад здесь срабатывается более полно, поэтому ТВД отличаются большей экономичностью. Таким образом, разница между ТВД и ТРД состоит в методе преобразования энергии сжатых газов в работу силы тяги.
Существует различие также между движителями указанных двигателей. Если в ТРД движитель состоит из выхлопной трубы и сопла, то в ТВД, кроме отмеченных узлов, он включает дополнительную турбину или отдельные ступени, связанные с воздушным винтом. Количество и скорости отбрасываемого воздуха у них будут также различными.
Турбовинтовые двигатели обычно применяются при дозвуковых скоростях полета, а турбореактивные — при сверхзвуковых. По конструктивным признакам элементов ГТД различают двигатели с центробежными, осевыми и осецентробежными компрессорамн, с трубчатыми, кольцевыми и трубчато — кольцевыми камерами сгорания, с осевыми и радиальными турбинами, с прямоточным и петлевым движением газов и т. д.
В основном применяются осевые компрессоры, так как они имеют высокий к.п.д., малый вес, малые поперечные габариты и позволяют получать большую степень повышения давления. Они хорошо вписываются в плавные контуры двигательной установки, снижая тем самым лобовое сопротивление самолета. Среди камер сгорания наибольшее распространение получили кольцевые и трубчато — кольцевые, поскольку их стенки могут быть включены в силовые корпусы двигателя, что приводит к снижению его веса.
В двигателях большой тяги используются газовые турбины только осевого типа и лишь на малых ТРД и ТВД встречаются радиальные турбины. Число ступеней турбины определяется величиной срабатываемого теплоперепада и его распределения по ступеням. В турбореактивных самолетах основной упор делается на скорость полета, поэтому они оборудуются турбинами с малым числом ступеней — от одной до трех. В турбовинтовых самолетах скорости полета меньшие, теплоперепад срабатывается более полно за счет применения многоступенчатых турбин (число ступеней 3—5).
Число оборотов роторов ТВД находится в пределах 6000—18 000 об/мин. С помощью редуктора оно снижается до наивыгоднейшего числа оборотов винта, равного 800—1500 об/мин. Компрессор, камера сгорания, турбина и реактивное сопло как в ТВД, так и в ТРД располагают обычно так, чтобы обеспечить прямоточное движение воздуха и продуктов сгорания. Этим снижаются гидравлические потери двигателя.
На тепловой экономичности ГТД сказывается также высота полета самолета, так как ею определяется температура T2 холодного источника. С увеличением высоты отношение максимальной температуры Т1 к минимальной Т2 в цикле растет (при высоте 10 км T2 = 232 К или t2 = — 41°C), а это положительно влияет на к.п.д. двигателя. Кроме того, относительно небольшой срок службы двигателя в авиации облегчает его создание для работы на повышенных температурах.
При сверхзвуковых скоростях полета в ТРД применяется форсирование двигателей по тяге. Наиболее распространенным способом форсирования является применение в выхлопной системе двигателей форсажных камер. Скорость газов, выходящих из турбины, снижается диффузором до 150—200 м/с. В форсажной камере в этот поток газов впрыскивается топливо, которое при сгорании создает дополнительную тягу. Ее величина может составлять 20—50% от номинальной тяги двигателя.
Важнейшими параметрами, характеризующими совершенство ГТД и их технические данные, являются тяга, удельный расход топлива, масса, габаритные размеры и ресурс (продолжительность безотказной работы двигателя в эксплуатации). По мере развития и совершенствования конструкции ГТД, технологии изготовления, применения новых материалов отмеченные параметры существенно изменяются: тяга двигателей непрерывно возрастает, улучшается экономичность, снижается масса на единицу тяги, уменьшаются габаритные размеры, а ресурс возрастает.
Существенным показателем для оценки ТРД является удельная масса, под которой понимается отношение массы двигателя к его номинальной тяге: mуд = mдв/R. С начала строительства турбореактивных двигателей их удельная масса снизилась в несколько раз, и начиная с 1951 г. средние значения удельной массы ТРД с осевыми компрессорами имеют меньшую величину, чем с центробежными.
Для турбовинтовых двигателей удельная масса оценивается отношением массы двигателя к суммарной мощности Ne, которая равна сумме мощности Nв на валу винта и мощности Np реакции струи газов: mуд = mдв/Ne. За период строительства ТВД их удельная масса снизилась примерно в несколько раз. Удельная масса является важнейшим показателем для авиационных двигателей, поскольку ею определяется скороподъемность и дальность полета самолета. Как следует из статистических данных, увеличение массы двигателя на 1 кг приводит к увеличению массы самолета на 3—5 кг.
Благодаря небольшой удельной массе ГТД целесообразно использование их в водном и наземном транспорте. Имеется также опыт применения ГТД на морских судах, локомотивах, автомашинах, и только недостаточная экономичность сдерживает пока их широкое применение. Исп. литература: 1) Теплотехника, под редакцией А.П.Баскакова, Москва, Энергоиздат, 1982. 2) Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.
masterok
Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
Мы сейчас не рассматриваем старые самолеты с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания. Рассмотрим современные самолеты. Сейчас прочитал, что «Авиастар-СП» приступил к изготовлению агрегатов для второго опытного образца нового российского регионального двухмоторного турбовинтового пассажирского самолета Ил-114-300. Как вы уже отметили по слову «турбовинтовой» — это самолет лопастями.
А вот хотелось бы по максимуму узнать все причины, которые диктуют какой двигатель ставить на самолет — турбовинтовой или турбореактивный?
На сколько я выяснил причина собственно одна.
Турбовинтовые двигатели используются в тех случаях, когда скорости полета самолета относительно невелики. На большом количестве современных транспортных самолетов применяются именно ТВД. Их преимущество прежде всего в экономичности. Двигатель снабжен воздушным винтом, который устанавливается впереди компрессора.
Воздушный винт с валом связан редуктором, так как его скорость вращения значительно меньше скорости вращения компрессора-турбины. Для турбовинтовых двигателей сила тяги состоит из тяги воздушного винта и силы тяги, возникающей при истечении газа из сопла. В зависимости от скорости полета самолета изменяются доли двух составляющих тяги. При малых скоростях (крейсерских для транспортных самолетов) доля тяги от воздушных винтов значительно превышает вторую составляющую. В ТВД часто используется комбинация компрессоров.
Стандартом современной гражданской авиации являются турбовентиляторные двигатели. По сути это разновидность двухконтурного турбореактивного двигателя, общий принцип работы которого достаточно прост. При полете самолета набегающий воздух всасывается внутрь двигателя компрессором низкого давления (имеющего привод от вала турбины). Далее часть воздуха направляется внутрь двигателя и участвует как окислитель в сжигании топлива, а другая часть идет в обход камеры сгорания и вырывается назад через сопло, создавая реактивную тягу.
Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя. Отношение объемов воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, называется «степенью двухконтурности». Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.
Преимущества турбовентиляторного двигателя от турбореактивного (так ведь?) таковы: во‑первых, если большая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во‑вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.
Правильно ли сделать вывод, что турбовинтовые ставят все же на более медленные самолеты? А по какой причине? В результате получается экономия топлива при такой конструкции двигателя?
С турбореактивными все и так понятно. Это в основной своей массе военная техника и вертолеты.
Туробореактивные двигатели ставят на самолеты с требованием значительной скорости и соответственно мощности. Конструкция двухконтурных турбореактивных двигателей обеспечивает поступление воздуха в значительных количествах, что на высоких скоростях обеспечивает большую тягу. Второй контур, контур низкого давления, таким образом, дает дополнительную силу тяги. Соотношение двух составляющих общей тяги зависит от конструкции двигателей и режимов работы.
Есть еще какие то причины, по которым на самолете ставят турбовинтовой или турбовентиляторный двигатель?
И вот еще про будущий региональный самолет. Первый опытный Ил-114-300 в настоящее время находится в ангаре филиала ПАО «Ил» (головного разработчика самолета) в Жуковском, где проходит его сборка на основе существующего задела.
Пассажирский самолет Ил-114-300 предназначен для эксплуатации на местных воздушных линиях и является модернизированной версией турбовинтового самолета Ил-114. Самолет будет производиться на отечественных авиапредприятиях.
Серийное производство таких самолетов планируется начать в 2021 году.
Драма большой поршневой авиации: проекты из прошлого
Bristol Brabazon
Так назывался экспериментальный британский пассажирский лайнер с трансконтинентальными возможностями. Расшифруем. Bristol – это город в Англии, а также одна из старейших и давно поглощенных авиастроительных компаний страны. Brabazon – фамилия подполковника, английского лорда и пионера британской авиации. В военные годы лорд Джон Брабазон возглавлял Министерство транспорта, но потом был вынужден подать в отставку после того, как выразил надежду на взаимное уничтожение СССР и Германии в ходе Сталинградской битвы. Это был скандал. Тем не менее в 1943 году подполковник возглавил правительственную комиссию, в задачу которой входило определение послевоенного будущего британского авиапрома.
Комиссией было установлено несколько типов самолетов, в которых Британия будет нуждаться после окончания боев в Европе. Среди них был так называемый Type 1 – вместительный пассажирский самолет, способный совершать трансатлантические полеты. Накануне и во время войны компания Bristol пыталась разрабатывать сверхтяжелый дальний бомбардировщик, но проект оказался невостребованным: в войне с Гитлером вполне хватало американских бомберов и местных «Ланкастеров». Однако предложенный комиссией Брабазона Type 1 вдохновил конструкторов и менеджмент Bristol. Заявка была подана и Bristol получила правительственный заказ на строительство двух прототипов.
В основу нового пассажирского лайнера были положены разработки по несостоявшемуся бомбардировщику. В результате у конструктора Лесли Фрайса получился один из самых больших пассажирских самолетов в мире, и самый большой из когда-либо произведенных в Британии. Достаточно сказать, что размахом крыльев он превосходил Boeing 747, который появится только через пару десятилетий, а диаметром фюзеляжа – самый современный A350 XWB (напомним, что XWB – это extra wide body, «сверхширокий фюзеляж»). Самолет оснастили восьмеркой поршневых двигателей Bristol Centaurus (2650 л.с. каждый) – ранее такие устанавливались на истребители Hawker Tempest и Hawker Sea Fury. Лайнер обеспечивал дальность 8900 км при скорости 400 км/ч.
Первый полет первого и единственного образца был совершен 4 сентября 1949 года, в следующем году он уже красовался на авиасалоне в Фарнборо. Тем не менее Bristol Brabazon, названный в честь лорда-покровителя, оказался ошибкой и тупиком. И дело не только в поршневых двигателях в эпоху, когда на крыло уже становилась реактивная и турбовинтовая пассажирская авиация, но и в чисто маркетинговом просчете. При огромных размерах самолет должен был брать на борт около 100 человек, которым предлагались просто царские условия: огромное пространство на каждого пассажира, плюс бар, кинотеатр, лаунж. В общем, подсчитали и прослезились: в экономику авиаперевозок послевоенного времени такой шик никак не вписывался. Проект закрыли, самолет утилизировали наряду со вторым, недостроенным опытным образцом. Кстати, его проектировали уже под турбовинтовые силовые установки.
Lockheed Сonstellation
Одной из причин неудач британского авиапрома, приведшей к его почти полному исчезновению, были успехи американских конкурентов (мы об этом рассказывали в нашей статье «Жертвы конкуренции и катастроф: куда подевались британские лайнеры»). Даже в «поршневом» сегменте американцам удалось сработать успешнее. В 1939 г. авиакомпания TWA, крупным акционером которой являлся легендарный Говард Хьюз, предложила фирме Lockheed разработать самолет вместимостью 40 пассажиров и дальностью свыше 5600 км, что достаточно для перелета через Атлантику. Конструкторы Келли Джонсон и Рон Хиббард превысили заданный показатель. Самолет Lockheed Constellation (т.е. «Созвездие»), отправившийся в первый полет в январе 1943 года имел дальность 7300 км и мог развивать скорость до 550 км/ч (сравним с 400 км/ч неудачливого «Брабазана»).
Во время войны было выпущено 22 машины в военно-транспортном варианте С-69С, а уже в 1945 г. началась коммерческая эксплуатация гражданского самолета в авиакомпаниях, прежде всего TWA и Pan American. В разных модификациях «Созвездие» мог принимать на борт до 109 пассажиров. Машину оснастили четырьмя поршневым звездообразными турбированными 18-цилиндровыми двигателями Wright R-3350 Turbo Compound (мощность порядка 2500 л.с. ). Несмотря на то, что на больших дистанциях Constellation быстро вытеснили самолеты с газотурбинными двигателями, эти рабочие лошадки с причудливо выгнутыми фюзеляжами и тремя килями еще долго работали у военных и на местных линиях на разных континентах вплоть до 1990-х годов. Стоит упомянуть, что и другие производители – Boeing и Douglas — имели в своем ассортименте машины близкого класса. Например, отличавшийся высочайшим уровнем комфорта также поршневой Boeing 377, который являлся по сути глубокой модификацией знаменитой «суперкрепости» — тяжелого бомбардировщика B-29.
Были у B-29 и другие, не вполне официальные, потомки. Как известно, советский бомбардировщик Ту-4 – это нелицензионный клон американской «суперкрепости», созданный методом обратной разработки (реверс-инжиниринга). Времена менялись, у США появилось ядерное оружие, а Советский союз вот-вот собирался им обзавестись. Чтобы не остаться беззащитными и получить возможность при необходимости ответить Америке, понадобился бомбардировщик с большей дальностью и большей боевой нагрузкой. Кроме того, и американский авиапром не стоял на месте, произведя глубокую модернизацию B-29 под именем B-50.
ОКБ Туполева пошло в том же направлении, начав в ответ работы над модификацией Ту-4, которая получила название Ту-80. Потом в США появился межконтинентальный стратегический бомбардировщик B-36 и задача для советских авиаконструкторов стала еще сложнее. Следующей ступенью стал Ту-85 – бомбардировщик с практической дальностью 12000 км при бомбовой нагрузке 5 т. На высоте 10 000 м он мог развивать скорость 638 км/ч. Первый полет опытного экземпляра Ту-85 состоялся в январе 1951 года. Самолет оснастили четырьмя турбокомпаундными (то есть дополнительно использующими энергию турбин) поршневым двигателем со звездчатым расположением блоков цилиндров (четыре цилиндра – 6 лучей). Охлаждение силовых установок – жидкостное с дополнительным воздушным. Существовала и конкурирующая силовая установка на воздушном охлаждении — АШ-2ТК – но она так и не была доведена до нужной кондиции. В том же 1951 году проект Ту-85 был закрыт.
Опыт боев в Корее показал, что поршневому бомбардировщику не хватает скорости для борьбы с реактивными истребителями. Поэтому туполевцы перешли к проектированию турбовинтового бомбардировщика Ту-95, поздние модификации которого находятся в рядах российских ВКС до сих пор. В его создании, разумеется, были учтены наработки по Ту-80 и ТУ-85, что позволяет некоторым злым языкам на Западе называть нашего «Медведя» модификацией B-29 Superfortress.
Convair B-36
Convair B-36 Peacemaker («Миротворец») – шестимоторный бомбардировщик, в котором Советский Союз видел угрозу и на который ответил, разработав Ту-85, изначально не проектировался как оружие холодной войны. Потребность в тяжелом дальнем бомбардировщике стала ощущаться у американцев в начале 1941 года, когда все еще сохранялась возможность падения Англии. В этом случае США (при условии вступления в войну, а дело было до Пирл-Харбора) лишились бы аэродромов Великобритании, и бомбы для Гитлера пришлось бы возить через океан, желательно побыстрее, без дозаправок и вне досягаемости немецких зениток. Несколько позже обсуждалась возможность бомбить Японию с аэродромов на Гавайях.
Поначалу военные запросили нечто фантастическое – рабочий потолок 14 000м, максимальная скорость 720 км/ч и дальность 19 000 км. Им объяснили, что существующие технологии пока не позволяют соответствовать этим запросам. Тогда требования снились: потолок 12000 м, дальность 16000 км, максимальная скорость 700 км/ч. Самолет впервые поднялся в воздух уже после окончания войны – в 1946 г., а в 1948 году был принят на вооружение.
Гибридный двигатель для самолета: прорыв или отложенное решение
Любой выигрыш в эффективности достигается за счет участия в переходных процессах газовой турбины, когда крутящий момент двигателя возвращается через коробку передач и используется в качестве стартового двигателя. Но эти эффекты не могут компенсировать 9% потерь, вызванных весом батареи.
Каждый раз, когда разработчики пытаются пойти по пути повышения эффективности авиалайнеров с помощью энергии аккумулятора, вес аккумулятора убивает эту идею.
Лучшие литий-ионные аккумуляторы достигают 300 Вт/кг, что достаточно для небольших самолетов, в то время как региональному авиалайнеру потребуется блок батарей на 500 Вт/кг. Параллельный гибрид без большой батареи, по сути, является встроенным стартовым двигателем. Однако, он не может заменять или поддерживать мощность газовой турбины при взлете, наборе высоты или крейсерском режиме. Это связано с тем, что в этом случае размер и вес батареи значительно увеличивается, и все преимущества теряются.
Гибридные двигатели коммерческих транспортных самолетов — это актуальная область с большим потенциалом, позволяющая повысить эффективность использования топлива, снижения выбросов и уровня шума в них. Исследования НАСА в этой области включают в себя концепции самолетов, системы электропитания, материалы для компонентов и испытательные установки, а также исследовательские инвестиции в турбогенераторные взаимодействия.
Электрическая силовая установка в коммерческих воздушных судах может быть в состоянии уменьшить выбросы углекислого газа, но только тогда, когда новые технологии достигают необходимых параметров для успешного коммерческого флота, прежде всего таких как вес и надежность. Для региональных самолетов и больших самолетов конструктивные конфигурации обычно делятся на три категории: частично турбоэлектрические, полностью турбоэлектрические и гибридные электрические.
Концепции двигательных установок на электрифицированных самолетах
В ближайшее время предполагается развитие следующих направлений создания самолетов: полностью электрические, гибридные (параллельный гибрид, серийный гибрид, параллельный частичный гибрид) и турбоэлектрические (полностью турбоэлектрический, частично турбоэлектрический). Эти шесть архитектур основаны на различных электрических технологиях (батареи, двигатели, генераторы и т. д.). Уровни снижения выбросов CO2, связанные с различными архитектурами, зависят от конфигурации, характеристик компонентов и задач.
Во всех электрических системах батареи используются в качестве единственного источника энергии на летательном аппарате.
Гибридные системы используют газотурбинные двигатели для приведения в движение и для зарядки аккумуляторов; батареи также обеспечивают энергию для движения в течение одного или нескольких этапов полета.
В параллельной гибридной системе двигатель с батарейным питанием и турбинный двигатель оба установлены на валу, который приводит в движение вентилятор, так что один или оба могут обеспечивать движение в любой момент времени.
В последовательной гибридной системе только вентиляторы механически связаны с вентиляторами; газовая турбина используется для привода электрического генератора, выходной сигнал которого приводит в движение двигатели и/или заряжает аккумуляторы. Серия гибридных систем совместима с концепциями определенного движения, которые используют несколько относительно небольших двигателей и вентиляторов.
Последовательная /параллельная частичная гибридная система имеет один или несколько вентиляторов, которые могут приводиться в движение непосредственно газовой турбиной, а также другие вентиляторы, которые приводятся в действие исключительно электрическими двигателями; Эти двигатели могут питаться от батареи или от турбогенератора.
Полные и частичные турбоэлектрические конфигурации не полагаются на батареи для энергии движения в течение любой фазы полета. Скорее, они используют газовые турбины для привода электрических генераторов, которые приводят в действие инверторы и, в конечном итоге, двигатели постоянного тока, которые приводят в действие распределенные электрические вентиляторы.
Частичная турбоэлектрическая система является вариантом полной турбоэлектрической системы, которая использует электрическую тягу для обеспечения части движущей силы; остальное обеспечивается турбовентилятором, приводимым в движение газовой турбиной. В результате электрические компоненты для частичной турбоэлектрической системы могут быть разработаны с меньшими достижениями по сравнению с уровнем техники, чем требуется для полной турбоэлектрической системы. Поскольку относительно легко передавать электроэнергию нескольким широко разнесенным двигателям,
Исследование турбоэлектрической тяги является одним из четырех высокоприоритетных подходов для разработки передовых технологий движителей и энергетических систем, которые могут быть введены в эксплуатацию в течение следующих 10-30 лет для сокращения выбросов CO2. Гибридно-электрические и полностью электрические системы не рекомендуются в качестве высокоприоритетного подхода, поскольку аккумуляторы с емкостью и удельной мощностью, необходимые для коммерческих воздушных судов пока не достигают характеристик, удовлетворяющих требованиям сертификации FAA.
Альтернатива на ближайший период
Итак, можно сделать вывод, что на сегодняшний день при современных устройствах хранения энергии ни электрические авиалайнеры на акумуляторах ни гибридные электрические авиалайнеры для коммерческого использования применять не придется. Этот тезис остается как минимум до тех пор, пока сертифицируемые аккумуляторные системы не повысят плотность своей энергии. Для ближнемагистральных самолетов – эта задача будет решена в ближайшие годы.
В течение ближайшего 30-летнего периода та же ситуация применима к технологиям, связанным со сверхпроводящими двигателями и генераторами, топливными элементами и криогенным топливом. Конфигурации самолетов с полностью электрическим аккумулятором вероятно всего будут ограничены небольшими самолетами (авиация общего назначения и пригородных самолетов), которые не являются значительным источником выбросов CO2 по сравнению с более крупными коммерческими самолетами. Для больших коммерческих самолетов вполне вероятно, что применение топливных элементов будет ограничено вторичными системами, такими как вспомогательные силовые установки и стартовые системы. Значительные улучшения в удельной мощности батарей и топливных элементов должны быть достигнуты, прежде чем эти источники энергии будут рассмотрены для больших самолетов. Кроме того, чистое сокращение CO2, выбросов от использования полностью электрических систем или систем с топливными элементами значительно минимизируются, если электрическая энергия, используемая для зарядки батарей или производства водорода, используемого для питания топливных элементов, будет генерируется с использованием возобновляемых источников или технологий с низким уровнем выбросов углерода.
Реальные планы на перспективу
Концепции двигательных установок на электрифицированных самолетах, в которых используется комбинация обычной и электрической энергии, представляют собой один многообещающий подход к двигателям с низким выбросом вредных веществ в период до 2025 года и в последующий период. В этих концепциях предполагается использовать лучший источник питания или комбинацию источников для обеспечения мощности, необходимой в различных условиях полета, и они предлагают гибкие возможности проектировщикам планера для уменьшения сопротивления или достижения других требуемых характеристик.
Предполагается, что в течение следующего десятилетия альтернативная энергия начнет существенно влиять на сокращение выбросов и повышения эффективности, а рынки начнут открываться для электрифицированных небольших самолетов. При этом усовершенствованные двигательные установки с оптимизированным использованием устойчивых топлив, которые производятся экономически в достаточных количествах, существенно сократят выбросы углерода в парке, а сертифицированные малые летательные аппараты, оснащенные двигателем с электрифицированным самолетом, предоставят новые варианты мобильности. В этом десятилетии возможно первоначальное применение альтернативной двигательной установки на больших самолетах.
Ожидается, что после 2035 года устойчивое потребление альтернативного топлива станет нормой для оптимизированных газовых турбин и альтернативных двигательных установок.
Это обеспечит улучшение технико-экономических показателей, повышение производительности, безопасности и меньшего вредного воздействия на окружающую среду, в то время как увеличение парка воздушных судов больших самолетов с более чистыми, более эффективными альтернативными двигательными установками будет в значительной степени способствовать снижению выбросов углерода.
