Airbus bandys atviro ventiliatoriaus variklius skrydžiuose

Airbus bandys atviro ventiliatoriaus variklius, aviacijai siekiant taupyti degalus

„Airbus“ sutiko imtis lyderio vaidmens skrydžio bandymuose, kuriuose bus išbandoma atviro ventiliatoriaus reaktyvinio variklio koncepcija, sukurta pagal RISE („Revolutionary Innovation for Sustainable Engines“) programą. Šią koncepciją sukūrė „CFM International“, bendra „GE Aerospace“ ir „Safran Aircraft Engines“ įmonė. Atviro ventiliatoriaus išdėstymas perkelia ventiliatoriaus mentes už apsauginės gondolos ribų, kad būtų padidintas aptekėjimo santykis, sumažintas pasipriešinimas ir gerokai sumažintos degalų sąnaudos. Pasauliui, kuriam per artimiausius 20 metų, kaip prognozuojama, prireiks apie 40 000 naujų komercinių orlaivių, daugiausia siaurakūnių, tokios inovacijos gali pakeisti naujos kartos siaurakūnių lėktuvų kryptį.

Kas iki šiol įvyko bandymuose?

Po pirminių vėjo tunelio prototipo bandymų, atliktų daugiau nei prieš dvejus metus, CFM ir „Safran“ tyliai paspartino patvirtinimo darbus. Remiantis naujausiais „GE Aerospace“ pranešimais, inžinieriai atliko daugiau kaip 350 komponentų bandymų ir daugiau nei 3 000 pagrindinių variklio dalių ištvermės ciklų. Vien ekspozicija vėjo tunelyje sudarė apie 200 valandų, o programa apėmė ir ankstyviausius dulkių patekimo bandymus, kada nors vykdytus CFM iniciatyvoje. Tai ypač svarbus žingsnis, kai ventiliatoriaus įranga tiesiogiai veikiama oro srauto.

Struktūruota bandymų kampanija perėjo nuo atskirų detalių patvirtinimo prie modulių ir sistemos lygmens patvarumo patikrų. Viešai apie jokius nesklandumus nepranešta. Priešingai, konsorciumas dabar siekia iki šio dešimtmečio pabaigos parengti skrydžio demonstratorių ir kartu su „Airbus“ pritaikyti jėgainę realiam lėktuvo korpusui.

Kuo skiriasi atviro ventiliatoriaus variklis ir kodėl tai svarbu

Tradiciniuose turboventiliatoriniuose varikliuose didžiuliai ventiliatoriai įmontuojami apskritoje gondoloje. Didesnis aptekėjimo santykis, kai daugiau oro nukreipiama aplink variklio šerdį, o ne per ją, yra esminis veiksnys gerinant šiluminį efektyvumą ir mažinant degalų sąnaudas. Tačiau gondolos skersmuo ir orlaivio aerodinamika nustato praktines ventiliatoriaus dydžio ribas. Atviro ventiliatoriaus architektūra apeina šį apribojimą, nes didelės ventiliatoriaus mentės iškeliamos į laisvą oro srautą, taip leidžiant pasiekti gerokai didesnį efektyvų ventiliatoriaus skersmenį be gremėzdiškų ar sunkesnių gondolų.

Privalumai apima:

• Didesnius aptekėjimo santykius ir mažesnes specifines degalų sąnaudas
• Mažesnį išorinį pasipriešinimą, nukreipiant srautą aplink kompaktišką šerdį
• Žemesnes šerdies temperatūras ir potencialiai ilgesnį komponentų tarnavimo laiką
• Paprastesnius šiukšlių ir dulkių pasišalinimo kelius, mažinančius eroziją ir nuosėdų susidarymą

CFM RISE tikslas yra ambicingas: apie 20 % sumažinti CO2 emisijas ir degalų sąnaudas, palyginti su efektyviausiais dabartiniais siaurakūnių lėktuvų varikliais. Derinant su tvariais aviaciniais degalais (SAF) arba vandeniliu, inžinieriai prognozuoja dar didesnį gyvavimo ciklo emisijų mažėjimą. Pramonės scenarijai idealiomis sąlygomis kalba net apie iki 80 % sumažėjimą.

Medžiagos, architektūra ir sąsajos su automobilių technologijomis

Atviro ventiliatoriaus demonstratoriuje naudojamos anglies pluošto kompozito ventiliatoriaus mentės, metalų lydiniai ir keraminės dalys aplink kompaktišką, didelio našumo šerdį. Šie sprendimai atkartoja tendencijas, matomas aukštos klasės automobilių jėgos agregatuose: lengvi kompozitai masei mažinti, pažangūs lydiniai šiluminiam atsparumui ir keramika aukštos temperatūros komponentams.

Automobilių ir autosporto entuziastai atpažins pažįstamus kompromisus: didesnį komponentų integravimo ir aušinimo, arba šiluminio valdymo, sudėtingumą mainais į didelį efektyvumo šuolį. Idėja primena tai, kaip šiuolaikinių automobilių kūrėjai mažesnio darbinio tūrio variklius su priverstiniu pripūtimu derina su elektrine pagalba. Čia turboventiliatorinių variklių projektuotojai nagrinėja hibridines elektrines pagalbines sistemas, kurios padėtų tam tikrais skrydžio etapais.

Elektrifikacija, hibridinės sistemos ir sistemų integracija

RISE nėra vien tik apie atviras mentes. CFM taip pat bendradarbiauja su NASA, bandydama siaurakūnio orlaivio hibridinės elektrinės architektūros antžeminius demonstratorius, kuriuose elektriniai varikliai integruojami su didelio aptekėjimo turboventiliatoriniu varikliu. Šie bandymai patvirtino valdymo strategijas ir elektros variklių integraciją, kurią būtų galima taikyti kartu su atviro ventiliatoriaus išdėstymu, leidžiant trumpalaikius galios padidinimus, geresnį riedėjimo efektyvumą arba mažesnes degalų sąnaudas kilimo metu.

Žvelgiant iš transporto priemonių sistemų perspektyvos, atviro ventiliatoriaus derinimas su elektrine pagalba yra panašus į hibridinius automobilių jėgos agregatus: vidaus degimo šerdis užtikrina efektyvumą kreiseriniame režime, o elektrinės sistemos valdo galios pikus ir mažo greičio darbą, taip gerindamos bendrą degalų ekonomiją ir mažindamos emisijas.

Našumas, techninė priežiūra ir rinkos pozicionavimas

Tikslūs našumo rodikliai, viršijantys pagrindinius degalų ir emisijų mažinimo tikslus, dar formuojami, nes atviro ventiliatoriaus mentės dar nebuvo sujungtos su skrydžiams sertifikuota šerdimi realiame orlaivyje. Tačiau pirminiai laboratoriniai ir vėjo tunelio darbai leidžia manyti, kad galima tikėtis:

• Reikšmingo siaurakūnių orlaivių degalų ekonomijos pagerėjimo
• Galimai mažesnių techninės priežiūros sąnaudų kai kuriose srityse dėl mažesnio nuosėdų kaupimosi
• Naujų techninės priežiūros ir patikros režimų, nes išorinės mentės su svetimkūnių pažeidimais (FOD) susiduria kitaip nei uždari ventiliatoriai

Oro linijoms ir gamintojams pozicionavimas bus itin svarbus. Ankstyvieji naudotojai galėtų pabrėžti didelį veiklos sąnaudų taupymą ir tvarumo pranašumus. Tai stiprūs pardavimo argumentai rinkoje, kurią veikia degalų kainų svyravimai, emisijų reguliavimas ir keleivių lūkesčiai keliauti ekologiškiau.

Poveikis pramonei ir numatomas grafikas

Jeigu skrydžio bandymai vėliau šį dešimtmetį patvirtins koncepciją, atviro ventiliatoriaus varikliai galėtų pereiti prie sertifikavimo ir eksploatacijos pradžios programų 2030-aisiais, sutapdami su daugelio oro linijų parkų atnaujinimo ciklais. Toks laikas daro technologiją komerciškai aktualią: siaurakūniai reaktyviniai lėktuvai yra pasaulinių trumpojo ir vidutinio nuotolio maršrutų pagrindas, o bet koks reikšmingas efektyvumo padidėjimas oro linijų mastu tiesiogiai virsta sąnaudų ir anglies dioksido emisijų mažinimu.

Šis žingsnis taip pat rodo, kaip aviacijos ir kosmoso inovacijos vis labiau atkartoja automobilių sektoriaus tendencijas: tarpdisciplininį lengvų kompozitų naudojimą, elektrifikaciją, hibridizaciją ir didesnį dėmesį gyvavimo ciklo emisijoms.

Svarbiausios įžvalgos

• RISE atviro ventiliatoriaus koncepcija siūlo iki ≈20 % mažesnes degalų sąnaudas, palyginti su geriausiais dabartiniais siaurakūnių lėktuvų varikliais, o derinant su SAF arba vandeniliu galima pasiekti dar didesnį emisijų mažinimą.
• CFM bandymų programa apėmė daugiau nei 350 bandymų, apie 3 000 ištvermės ciklų ir 200 valandų vėjo tuneliuose. „Airbus“ padės pereiti prie demonstravimo ore.
• Medžiagų ir hibridinio elektrinio valdymo darbai aiškiai siejasi su šiuolaikinėmis automobilių jėgos agregatų tendencijomis: lengvesnėmis medžiagomis, šiluminiu valdymu ir elektrifikuota pagalba.

„Tai nėra žingsnis atgal propelerių link“, pažymi inžinieriai. Veikiau tai naujas požiūris į tai, kaip efektyviau judinti didelius oro kiekius. Automobilių gerbėjams, vertinantiems inžinerinius kompromisus, atviro ventiliatoriaus istorija dar kartą primena, kad varos technologijos žengia į naują erą, kurioje susilieja aerodinamika, medžiagų mokslas ir elektrifikacija.

Atidžiai stebėsime RISE programą, kai vėjo tunelio prototipus pakeis skrydžio demonstracijos. Kai atviro ventiliatoriaus varikliai iš laboratorinės įrangos taps sertifikuotomis komercinių reaktyvinių lėktuvų jėgainėmis, poveikis bus juntamas visoje aviacijoje, taip pat projektavimo diskusijose, kurias dalijasi tiek aviacijos ir kosmoso, tiek automobilių pramonės inžinieriai.