Стимулируемый автомобильной промышленностью и текущими тенденциями в области транспорта, интерес к полному или гибридному электрическому приводу самолетов вырос за последние несколько лет. Во многих научных и общих публикациях отмечается, что использование электроэнергии в аккумуляторах обещает новый экологически чистый мир с минимальной нагрузкой на окружающую среду и прекрасные возможности для экономического роста.
Рост авиаперевозок отчетливо виден с перспективой на будущее. По прогнозам, в ближайшие 20 лет будет продано более 37.000 новых самолетов. Авиаперевозки лишь незначительно затронуты глобальными кризисами, поэтому долгосрочные прогнозы рынка могут быть более точными. Прогнозируют почти постоянный ежегодный рост в 4,4%.
Этот рост ведет к увеличению воздействия на окружающую среду, так как в следующем периоде будет использоваться больше топлива. Чтобы сделать авиацию более экологичной, необходимо снизить расход топлива для поддержания (по крайней мере) уровня выбросов на постоянном уровне. Для достижения этой цели необходимы новые технологии и схемы эксплуатации, которые могли бы снизить расход топлива примерно на 15-20% за полет. Помимо проблемы загрязнения и выбросов, количество нефти ограничено. Учитывая растущий спрос и истощение запасов нефти, цены на сырую нефть на протяжении многих лет неуклонно растут, следуя ярко выраженной тенденции.
Электроприводная система может достичь нулевого уровня выбросов на месте. Эти системы также выигрывают от повышения эффективности при обсуждении вопросов энергетики. Ключевой вопрос здесь, который может проверить, является ли это более экологичной или только альтернативной технологией, заключается в том, как производится электрическая энергия.
В странах, где в основном используется возобновляемая энергия, электрические самолеты имеют преимущество с точки зрения выбросов. С другой стороны, если электрический самолет перезаряжается электроэнергией, вырабатываемой на угольной электростанции, то общий уровень выбросов выше, чем у бензинового самолета.
Соединение исследований в области возобновляемых источников энергии с технологией беспилотных летательных аппаратов (БЛА) может обеспечить более точные измерения с более высоким пространственным разрешением и, возможно, привести к более глубокому пониманию аэродинамического эффекта ветряных турбин. Большинство БЛА работают от электричества, накопленного в аккумуляторах, поэтому использование высокоскоростного и высокоэффективного электродвигателя очень выгодно.
Внедрение электродвигательной установки в наземный транспорт проще, чем в авиацию. Масса наземных транспортных средств не так критична, как масса воздушных судов, поэтому дополнительная масса аккумуляторов означает меньше проблем. Кроме того, воздушные суда имеют значительно большее стандартное расстояние движения, поэтому требуется больше энергии для хранения.
В основном все изучение сосредоточено на повышении емкости батарей с 300 Вт/кг до 2000 Вт/кг, что позволит внедрять полностью электрические самолеты в воздушный транспорт.
Концепции авиационных электроприводных установок
Системы топливных элементов
Этот вид системы аккумулирует энергию в химическом виде и преобразует ее в электрическую с помощью топливных элементов. Они используются во многих специальных применениях, но все же являются дорогостоящими, сложными и тяжелыми. Некоторые исследования направлены на то, чтобы представить себе возможную конструкцию самолета на топливных элементах. Другие делают меньший шаг вперед, исследуя использование топливных элементов в качестве вспомогательного энергоблока в концепции более электрических самолетов. Применение топливных элементов в малых БПЛА также может быть выгодным, например известно, что фотоэлементы с гибридной энергосистемой на водородных топливных элементах могут увеличить срок службы БПЛА в 1,9 раза.
Аккумуляторные системы
Энергия в этих системах накапливается в батареях, что позволяет напрямую извлекать электроэнергию. Химический процесс зарядки и разрядки аккумуляторов ограничивает общую эффективность. Другим значительным ограничением является емкость аккумуляторов, так как энергия, необходимая для полного полета, должна храниться на борту. Ясно, что необходимо значительно увеличить емкость аккумуляторов, прежде чем электрический самолет сможет составить конкуренцию современному самолету по дальности и скорости полета.
Учитывая технологии производства аккумуляторов, которые являются единственным коммерчески доступным решением для электрических самолетов, можно увидеть, что литиевые аккумуляторы имеют самую высокую на сегодняшний день (в 2019) плотность энергии.
Очевидно, что даже при сегодняшней наиболее перспективной аккумуляторной технологии плотность энергии остается ниже 1/4 энергетической плотности керосина, что означает, что энергоэффективность бортовых потребителей (в основном электродвигателей) все еще является важным фактором. Также разрабатываются альтернативные технологии хранения электроэнергии, такие как гибридные системы аккумуляторов/суперконденсаторов.
Имеющиеся в настоящее время технологии позволяют разрабатывать парапланы с электрическим приводом, которые широко используются в качестве спортивных и рекреационных летательных аппаратов.
Электродвигатели в авиации
Электродвигатели должны быть специально разработаны для непрерывной работы при номинальной (круизной) мощности. В некоторых случаях, например, в гибридных автомобилях, электродвигатель рассчитан на работу только при кратковременном повышении мощности, поэтому сравнение с этими электродвигателями следует делать осторожно. Гибридные автомобили могут полностью раскрыть свой потенциал только при условии серьезного управления энергопотреблением.
Некоторые электродвигатели доступны сегодня для двигателей самолетов, которые имеют выходную мощность в диапазоне 100 кВт. Крупные электродвигатели также используются в тех областях применения, где масса менее важна (например, на судах или поездах). Сегодня возможно изготовление электродвигателей удельной мощностью около 2-4 кВт/кг. Для дальнейшего повышения удельной мощности электродвигателей необходимо внедрять новые материалы и технологии.
Существует острая потребность в электронных двигателях, специально разработанных для авиации, которые легче, мощнее и могут отвечать более высоким требованиям безопасности. Самолет с полным электрическим приводом поднимает новые вопросы, такие как проблема отвода тепла, что еще больше усиливает потребность в улучшенных электродвигателях.
Некоторые исследования также указывают на то, что для внедрения полностью электрических самолетов в коммерческую авиацию потребуется новая конструкция самолета . Например, экспериментальный самолет NASA X-57 использует концепцию распределенных электрических двигателей, которая больше подходит для полностью электрических самолетов, чем обычные двигательные установки.
На самом деле, эта концепция не нова: в проекте прототипа НАСА "Гелиос", который был полностью электрическим БПЛА на солнечной энергии, эта концепция была использована в результате обширных исследований и оптимизации. Предшественники NASA Helios, такие как NASA Pathfinder относятся к 80-м годам.
Повышение механических свойств электродвигателей ротора
Электродвигатели с высокой частотой вращения страдают от дополнительных проблем, таких как дисбаланс ротора, перегрузка подшипников и деформация ротора. Последний эффект (помимо прочего) заставляет конструкторов двигателей увеличивать воздушный зазор между ротором и статором, чтобы избежать столкновения между ними. Увеличение воздушного зазора приводит к дополнительным потерям, что делает электронный двигатель менее эффективным.
Похоже, что в ближайшем будущем эта технология не позволит заменить существующие двигательные технологии, однако некоторые перспективные проекты хотят доказать ее эффективность. КПД электродвигателя выше по сравнению с поршневыми двигателями или газовыми турбинами. Однако из-за очень ограниченного количества энергии, доступного на борту, парочка процентов эффективности может дать значительное увеличение дальности и времени полета, поэтому разработка более эффективного электронного двигателя так же важна, как и разработка технологий хранения аккумуляторов.