Нет недостатка в информации о том, как электрические самолеты преобразуют авиационную отрасль. Но не ждите, что электрическая силовая установка в ближайшее время заменит турбовентиляторный двигатель
Прежде чем это произойдет, авиация должна решить вполне реальную техническую проблему: замена турбовентиляторных двигателей на электрические аналогичного размера потребует серьезного скачка в технологии производства аккумуляторов.
К такому выводу пришли исследователи из Carnegie Mellon University в Питтсбурге, которые провели сотни тысяч опытов для определения количества энергии батареи, необходимой для электрического снабжения трех классов самолетов: региональных, узкофюзеляжных и широкофюзеляжных. American Chemical Society - Американское химическое общество опубликовало результаты исследования 2020 года под названием «Производительность, необходимая для аккумуляторных батарей нового поколения для электрификации пассажирских самолетов».
Итог: в то время как полностью электрический привод может использоваться в небольших пригородных самолетах, даже лучшие сегодня литий-ионные батареи не имеют плотности энергии, которая потребуется для большого электрического самолета. Ряд стартапов и операторов продвигает разработку электрических летательных аппаратов, и выводы говорят о том, что электрические силовые установки не скоро вытеснят жидкотопливные двигатели больших коммерческих самолетов. Плотность энергии этого топлива просто не имеет себе равных.
Даже региональному самолету потребуются батареи со значительно большей плотностью энергии, чем существуют сегодня. Литий-ионные батареи нынешнего поколения имеют плотность энергии около 250 Втч/кг.
И только когда это значение составит около 480 Втч/кг, проекты региональных самолетов станут жизнеспособным, говорит соавтор исследования Venkat Viswanathan, доцент кафедры машиностроения в Carnegie Mellon University.
Если Venkat Viswanathan и его коллеги правы, жизнеспособность крупных авиакомпаний, работающих на электричестве, будет в некотором роде невозможной. Даже если новые технологии позволят увеличивать удельную энергию на 5% процентов в год - показатель недавнего улучшения - батареи не достигнут показателя, необходимого для региональных самолетов, примерно до 2033 года.
КАКИМ ОН ДОЛЖЕН БЫТЬ
Как могут выглядеть электрические авиалайнеры будущего? Исследователи Carnegie Mellon University рассчитали требования к плотности энергии для гипотетических самолетов, используя многолетние данные. Они собрали данные о массе пустого самолета, нагрузке на крыло, удлинении крыла, коэффициенте лобового сопротивления более чем двух десятков типов пассажирских самолетов, таких как турбовинтовой De Havilland Canada Dash 8-400, узкофюзеляжный B737 и широкофюзеляжный A350.
Используя эти параметры, они создали 100 тысяч возможных вариантов дизайна для каждого класса самолетов, а затем смоделировали их характеристики. Региональные самолеты были предназначены для полета на 650 км с 30 пассажирами и массой 50 тонн, узкофюзеляжные самолеты - на полетах на 900 км с 150 пассажирами и массой 100 тонн, а широкофюзеляжные - на рейсах на 2000 км с 300 пассажирами и массой 250 тонн.
Моделирование показало, что региональному самолету потребуется емкость батареи 600 Втч/кг, узкофюзеляжному - 820 Втч/кг, а широкофюзеляжному – пока невообразимые 1280 Втч/кг.
НИШЕВЫЙ РЫНОК?
Электрификация регионального самолета, например, Embraer ERJ или Bombardier CRJ, в ближайшем будущем кажется маловероятной. «Нельзя сказать, что нет региональных самолетов, которые смогут летать с электрическими двигателями», - говорит Viswanathan. «Возможно, это получится в 10-местном самолете, но это совсем другая история».
Большинство сегодняшних проектов по разработке электрических самолетов сосредоточены на небольших машинах пригородного типа. Например, Harbour Air из Ванкувера, работает над электрификацией своего 6-местного гидросамолета DHC-2 Beaver. Airframer Tecnam разрабатывает полностью электрическую версию своего Tecnam с 9 пассажирами.
Эти и другие компании заявляют, что их разработки будут стоить меньше в эксплуатации, чем самолеты на авиакеросине, и не будут иметь выбросов углерода. Электроэнергия дешевле, чем бензин, а электродвигатели проще, чем реактивные, что означает меньшие затраты на техническое обслуживание.
Чтобы воспользоваться своими преимуществами, электрический самолет должен иметь возможность пролететь достаточное расстояние, прежде чем разрядится, а это означает, что ему нужны более качественные аккумуляторы. Этот фактор является причиной того, что самолеты с батарейным питанием кажутся, по крайней мере, на данный момент, подходящими только для узкого сегмента маршрутов и определенного типа самолетов. EBeaver может отлично сработать на 200-километровом перелете по Салишскому морю между Ванкувером и Викторией, но современные аккумуляторные технологии могут не справиться с полетом на 600 км из Сан-Франциско в Лос-Анджелес.
Разработчики, вероятно, могут достичь большей дальности с помощью новых силовых установок и разработки моделей самолетов с чистого листа, специально предназначенных для электрических двигателей. Американская компания Eviation как раз придерживается стратегии чистого листа, разрабатывая электрический 9-местный самолет Alice, который, по данным компании, будет иметь дальность полета около 800 км. Тем временем NASA изучает, как 12 небольших винтов с электродвигателем повысят эффективность электрического Tecnam P2006T.
Теоретически некоторые испытанные варианты должны позволить региональным самолетам летать с меньшей плотностью энергии батареи. По словам Alec Bills, из 100 тысяч вариантов региональных самолетов, смоделированных командой Carnegie Mellon, только небольшая часть - семнадцать - смогла бы летать с 30 пассажирами на расстояние более 500 км с батареями, имеющими плотность 450-500 Втч/кг.
Venkat Viswanathan предупреждает, что он стал менее оптимистично оценивать важность распределенной силовой установки. Он также отмечает, что, хотя некоторые конструкции, такие как легкие планёры, могут повысить эффективность электрических самолетов, на то, чтобы воплотить эти достижения в создание новых типов самолетов, потребуются годы.
Распределенная силовая установка - это тип силовой установки летательного аппарата, в которой двигатели распределены по судну. Его цель - повысить эффективность использования топлива, уровень шума, выбросы, длину посадочной площадки и управляемость. Из en.wikipedia.org
ЛУЧШИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
"Многие компании, создающие испытательные образцы электрических самолетов, используют литий-ионные аккумуляторы, разработанные автомобильной промышленностью. Чтобы сделать электрические полеты жизнеспособными, сама авиационная отрасль должна развивать аккумуляторные технологии", - говорит Viswanathan.
Отчасти это связано с тем, что автомобильный рынок удовлетворен производительностью существующих аккумуляторных батарей. В июне Tesla отменила планы по выпуску Model S Plaid+ с запасом хода в 830 км, а Илон Маск заявил, что 650 км достаточно для большинства водителей, сообщило в июне издание Electrek.
Хотя литий-ионные батареи добились больших успехов за последние годы, кажется, что их возможности ограничены. Viswanathan говорит, что прогнозируемая максимальная удельная энергия для этого типа составляет около 400–500 Втч/кг. А это меньше, чем требуется среднему региональному авиалайнеру.
«Нам необходимо выйти за рамки современных аккумуляторных технологий», - говорит он.
По словам Viswanathan, одним из химических элементов аккумулятора с большим потенциалом высокой плотности энергии является литий/перфторуглерод. Такие батареи требуют доработки, но теоретически могут использоваться на средних узкофюзеляжных самолетах.
Хотя у самолетов и автомобилей разные требования к аккумуляторным батареям, эти сектора вполне могут дополнять друг друга, говорит Viswanathan.
«Авиационные батареи точно будут отличаться от автомобильных с точки зрения химии, но есть много синергии, которую можно использовать с точки зрения процесса производства», - говорит он. «Производственные предприятия можно использовать и для нового направления».
И электрические самолеты должно стать лидером в этом движении. Развиваясь, компании, которые сейчас разрабатывают небольшие электрические самолеты, будут продвигать вперед весь сектор аккумуляторных батарей.
«Я думаю, что это действительно огромное поле деятельности для большого количества ученых, занимающихся аккумуляторными батареями», - говорит Viswanathan. «Лучше всего добиваться бОльшего взаимного обмена идеями между специалистами, занимающимися аккумуляторными батареями и аэрокосмическими инженерами. Авиация - это следующий рубеж».
Источник: FlightGlobal
Перевод: АвиаОбоз
Ставьте лайки, подписывайтесь на наш канал и оставляйте комментарии внизу. Теперь мы и в Телегараме t.me/aviaoboz
Читайте еще на канале