更快、更安靜、更清潔 - 新型飛機發動機

事實證明，為了改變航空業，你不需要尋找新的螺旋槳、未來派設計或太空材料。 使用比較簡單的機械傳動就足夠了……

這是近年來最重要的創新之一。 齒輪渦輪風扇發動機 (GTF) 允許壓縮機和風扇以不同的速度旋轉。 風扇驅動齒輪與風扇軸一起旋轉，但將風扇電機與低壓壓縮機和渦輪分離。 風扇以較慢的速度旋轉，而壓縮機和低壓渦輪以較高的速度運行。 每個發動機模塊都能以最佳效率運行。 經過 20 年的研發和約 1000 萬億美元的研發支出，普惠 PurePower PW2016G 渦扇系列於幾年前投入運營，並自 XNUMX 年起大規模引入商用飛機。

現代渦輪風扇發動機以兩種方式產生推力。 首先，壓縮機和燃燒室位於其核心。 前面是一個風扇，由核心驅動，引導空氣通過電機核心周圍的旁路室。 涵道比是通過芯部的空氣量與通過芯部的空氣量之比。 一般來說，較高的涵道比意味著發動機更安靜、更高效和更強大。 傳統渦輪風扇發動機的涵道比為 9 比 1。Pratt PurePower GTF 發動機的涵道比為 12 比 1。

為了提高涵道比，電機製造商必須增加風扇葉片的長度。 然而，當伸長時，在葉片端部獲得的旋轉速度將非常高，以致會發生不需要的振動。 您需要風扇葉片來減速，這就是變速箱的用途。 據 Pratt & Whitney 稱，這種發動機的效率可高達 16%。 燃油經濟性極佳，節省 50%。 廢氣排放量減少 75%。 安靜的。 最近，瑞士航空公司和波羅的海航空公司宣布，他們的 GTF C 系列噴氣發動機消耗的燃油甚至比製造商承諾的還要少。

生產線上的PW1100G-JM發動機

《時代》雜誌將PW1000G 發動機評為50 年2011 項最重要的發明之一和六大最環保的發明之一，因為普惠PurePower 的設計比現有噴氣發動機更清潔、更安靜、更強大且使用更少的燃料。 2016 年，時任達美航空總裁的理查德·安德森 (Richard Anderson) 稱這款發動機是自波音夢想飛機徹底改變複合材料結構以來的“第一次真正的創新”。

節約和減少排放

商業航空業每年排放超過 700 億噸二氧化碳。 雖然只有百分之二左右。 就全球二氧化碳排放而言，有證據表明噴氣燃料中的溫室氣體對大氣的影響更大，因為它們在更高的海拔處釋放。

主要發動機製造商正在尋求節省燃料和減少排放。 普拉特的競爭對手 CFM International 最近推出了自己的先進發動機，稱為 LEAP，該公司官員表示，該發動機可提供與齒輪傳動渦輪風扇類似的結果，但代價是其他解決方案。 CFM聲稱，在傳統的渦輪風扇架構中，可以在不增加動力系統重量和阻力的情況下實現相同的優勢。 LEAP 使用輕質複合材料和碳纖維風扇葉片來實現能源效率的提高，該公司稱其可與普惠發動機實現的能源效率相媲美。

迄今為止，空客 A320neo 發動機的訂單大致由 CFM 和普惠公司平分。 不幸的是，對於後者公司來說，PurePower 電機給用戶帶來了問題。 第一次出現在今年，當時卡塔爾航空公司的空客 A320neo 記錄了 GTF 發動機冷卻不均勻的情況。 冷卻不均勻會導致零件變形和摩擦，同時增加飛行間隔時間。 結果，航空公司得出結論，發動機不符合運行要求。 此後不久，印度航空當局暫停了 11 架搭載 PurePower GTF 發動機的空客 A320neo 飛機的航班。 據《經濟時報》報導，空客 GTF 動力飛機在兩週內遭遇 XNUMX 次發動機故障後做出了這一決定。 普惠公司淡化了這些困難，稱它們很容易克服。

空客電子風扇

飛機發動機領域的另一家巨頭勞斯萊斯正在開發自己的動力變速箱，到2025年，該變速箱將使大型渦扇發動機的燃油消耗降低25%。 與著名的遄達發動機系列的舊型號相比。 當然，這意味著新的普惠設計競賽。

英國人也在考慮其他類型的創新。 在最近的新加坡航展上，羅爾斯·羅伊斯推出了“智能發動機”計劃，旨在通過相互通信和支持網絡的能力來開發更安全、更高效的智能飛機發動機。 通過與引擎和服務生態系統的其他部分提供持續的雙向通信，引擎將能夠在問題發生之前解決問題並學習如何提高性能。 他們還將從他們的工作和其他發動機的歷史中學習，總的來說，他們甚至必須在旅途中進行自我修復。

驅動器需要更好的電池

歐盟委員會 2050 年航空願景呼籲減少二氧化碳排放。₂ 減少 75%，氮氧化物減少 90%。 噪音降低 65%。 這些是現有技術無法實現的。 電動和混合動力電動推進系統目前被視為應對這些挑戰最有前途的技術之一。

市場上有兩座電動輕型飛機。 四座混合動力電動汽車即將問世。 NASA 預測，在 20 年代初，這種短途九座客機將把航空服務帶回較小的社區。 在歐洲和美國，科學家們都認為，到 2030 年，有可能製造出最多可容納 100 個座位的混合動力飛機。 然而，能源存儲領域還需要取得重大進展。

目前，電池的能量密度根本不夠。 然而，這一切都可能改變。 特斯拉老闆埃隆·馬斯克表示，一旦電池能夠產生每公斤400瓦時的電力，並且電池電量與總重量的比例為0,7-0,8，電動橫貫大陸客機將成為“艱難的替代品”。 考慮到鋰離子電池的能量密度在 113 年能夠達到 1994 Wh/kg，202 年達到 2004 Wh/kg，現在能夠達到 300 Wh/kg 左右，可以假設在未來十年內將達到400Wh/kg的水平。

Kitty Hawk電動兩座空中出租車項目

空客、勞斯萊斯和西門子最近合作開發了 E-Fan X 飛行演示機，這將是商用飛機混合電力推進領域向前邁出的重要一步。 E-Fan X混合動力電動技術演示預計將在經過廣泛的地面測試後於2020年試飛。 在第一階段，BAe 146 將用 XNUMX MW 電動機取代四個發動機中的一個。 隨後，計劃在證明系統成熟後用電動機替換第二台渦輪機。

空中客車公司將負責整體集成以及混合電動推進和電池控制架構及其與飛行控制系統的集成。 羅爾斯·羅伊斯公司將負責燃氣渦輪發動機、XNUMX兆瓦發電機和電力電子設備。 羅爾斯·羅伊斯還將與空中客車公司合作，致力於使風扇適應現有的西門子機艙和電動機。 西門子將提供 XNUMX MW 電動機和電子功率控制器，以及逆變器、轉換器和配電系統。

世界各地的許多研究中心都在致力於電動飛機的研究，其中包括正在建造 X-57 Maxwell 的 NASA。 Kitty Hawk 電動兩座空中出租車項目以及大型中心、公司或小型初創企業的許多其他結構也在開發中。

鑑於客機和貨機的平均壽命分別約為 21 年和 33 年，即使明天生產的所有新飛機都是全電動的，逐步淘汰化石燃料動力飛機也需要兩到三十年的時間。

所以不會很快見效。 同時，生物燃料可以改善航空業的環境。 它們有助於減少 36%-85% 的二氧化碳排放量。 儘管用於噴氣發動機的生物燃料混合物早在 2009 年就獲得了認證，但航空業並不急於實施變革。 將生物燃料生產提升到工業水平幾乎不存在任何技術障礙和挑戰，但主要的阻礙因素是價格——還需要十年時間才能實現與化石燃料的平價。

走進未來

與此同時，實驗室正在研究更具未來感的飛機發動機概念。 例如，到目前為止，等離子發動機聽起來不太現實，但不能排除科學作品會發展成有趣和有用的東西。 等離子推進器利用電力產生電磁場。 它們將空氣或氬氣等氣體壓縮並激發成等離子體——一種熱的、緻密的電離狀態。 他們的研究現在產生了在外層空間發射衛星（離子推進器）的想法。 然而，柏林工業大學的 Berkant Goeksel 和他的團隊希望將等離子推進器安裝在飛機上。

該研究的目的是開發一種可用於起飛和高空飛行的噴氣等離子發動機。 等離子噴射器通常設計為在需要氣體供應的真空或低壓氣氛中運行。 然而，Göksel 的團隊測試了一種能夠在一個大氣壓的空氣中運行的設備。 “我們的等離子噴嘴速度可達每秒 20 公里，”Göckel 在《物理學雜誌》系列會議中說道。

未來高超音速飛行器中的 SABRE 發動機

首先，該團隊測試了 80 毫米長的微型推進器。 對於小型飛機來說，這將是團隊認為可能的情況的一千倍。 當然，最大的限制是缺乏輕型電池。 科學家們還在考慮混合動力飛機，其中等離子發動機將與內燃機或火箭相結合。

當我們談論創新噴氣發動機概念時，我們不要忘記Reaction Engines Limited 開發的SABRE（協同吸氣式火箭發動機）。 假設這將是一台在大氣和真空中運行、以液氫為動力的發動機。 在飛行的初始階段，氧化劑將是來自大氣層的空氣（如傳統噴氣發動機中的空氣）和來自26公里高度（船速達到5萬年）的液氧。 切換到火箭模式後，其速度將達到高達 25 馬赫。

參與該項目的波音公司投資部門 Horizo​​nX 尚未決定 SABRE 如何使用該項目，只是預計“使用革命性技術幫助波音公司實現超音速飛行”。

沖壓噴氣發動機和超燃沖壓發動機（帶燃燒室的超音速噴氣發動機）長期以來一直是高速航空愛好者的熱門話題。 目前，它們的開發主要用於軍事目的。 然而，正如航空歷史所教導的那樣，在軍隊中進行測試的將在民用航空中進行測試。 所需要的只是一點耐心。

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