Più veloce, più silenzioso, più pulito: nuovo motore aeronautico

Si scopre che per cambiare molto nell'aviazione, non è necessario cercare nuove eliche, design futuristici o materiali spaziali. È sufficiente utilizzare una trasmissione meccanica relativamente semplice ...

Questa è una delle novità più importanti degli ultimi anni. I motori turbofan a ingranaggi (GTF) consentono al compressore e alla ventola di ruotare a velocità diverse. L'ingranaggio di azionamento del ventilatore ruota con l'albero del ventilatore ma separa il motore del ventilatore dal compressore a bassa pressione e dalla turbina. La ventola gira a una velocità inferiore, mentre il compressore e la turbina a bassa pressione funzionano a una velocità maggiore. Ciascun modulo motore può funzionare con un'efficienza ottimale. Dopo 20 anni di spesa in ricerca e sviluppo e ricerca e sviluppo di circa $ 1000 miliardi, la famiglia di turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G era operativa alcuni anni fa ed è stata introdotta in modo massiccio negli aerei commerciali dal XNUMX.

I moderni motori turbofan generano spinta in due modi. In primo luogo, i compressori e la camera di combustione si trovano al suo interno. Nella parte anteriore c'è una ventola che, azionata dal nucleo, dirige l'aria attraverso le camere di bypass attorno al nucleo del motore. Il rapporto di bypass è il rapporto tra la quantità di aria che passa attraverso il nucleo e la quantità di aria che lo attraversa. In generale, un rapporto di bypass più elevato significa motori più silenziosi, più efficienti e più potenti. I motori turbofan convenzionali hanno un rapporto di bypass di 9 a 1. I motori Pratt PurePower GTF hanno un rapporto di bypass di 12 a 1.

Per aumentare il rapporto di bypass, i produttori di motori devono aumentare la lunghezza delle pale del ventilatore. Tuttavia, una volta allungate, le velocità di rotazione ottenute all'estremità della lama saranno così elevate che si verificheranno vibrazioni indesiderate. Hai bisogno di pale della ventola per rallentare, ed è a questo che serve il cambio. Un tale motore può arrivare fino al 16 percento, secondo Pratt & Whitney. grande risparmio di carburante e 50 percento. meno emissioni di scarico ed è del 75 percento. silenzioso. Di recente, SWISS e Air Baltic hanno annunciato che i loro motori a reazione GTF della serie C consumano ancora meno carburante di quanto promesso dal produttore.

Motore PW1100G-JM su una linea di produzione

La rivista TIME ha definito il motore PW1000G una delle 50 invenzioni più importanti del 2011 e una delle sei invenzioni più rispettose dell'ambiente, poiché Pratt & Whitney PurePower è progettato per essere più pulito, più silenzioso, più potente e utilizzare meno carburante rispetto ai motori a reazione esistenti. Nel 2016, Richard Anderson, allora presidente di Delta Air Lines, definì il motore "la prima vera innovazione" da quando il Dreamliner di Boeing ha rivoluzionato la costruzione in composito.

Risparmio e riduzione delle emissioni

Il settore dell'aviazione commerciale emette più di 700 milioni di tonnellate di anidride carbonica all'anno. Anche se è solo circa il 2 percento. emissioni globali di anidride carbonica, ci sono prove che i gas serra nel carburante degli aerei hanno un impatto maggiore sull'atmosfera poiché vengono rilasciati ad altitudini più elevate.

I principali produttori di motori stanno cercando di risparmiare carburante e ridurre le emissioni. La rivale di Pratt CFM International ha recentemente introdotto il proprio motore avanzato chiamato LEAP, che secondo i funzionari dell'azienda offre risultati simili a un turbofan a scapito di altre soluzioni. CFM afferma che in un'architettura turbofan tradizionale, gli stessi vantaggi possono essere raggiunti senza il peso e la resistenza aggiuntivi del gruppo propulsore. LEAP utilizza materiali compositi leggeri e pale del ventilatore in fibra di carbonio per ottenere miglioramenti dell'efficienza energetica che secondo l'azienda sono paragonabili a quelli ottenuti con un motore Pratt & Whitney.

Ad oggi, gli ordini per i motori Airbus per l'A320neo sono divisi all'incirca equamente tra CFM e Pratt & Whitney. Sfortunatamente per quest'ultima azienda, i motori PurePower stanno causando problemi agli utenti. Il primo è apparso quest'anno, quando è stato registrato un raffreddamento irregolare dei motori GTF nell'Airbus A320neo della Qatar Airways. Un raffreddamento irregolare può causare deformazioni e attriti delle parti e allo stesso tempo aumentare il tempo tra i voli. Di conseguenza, la compagnia aerea ha concluso che i motori non soddisfacevano i requisiti operativi. Poco dopo, le autorità aeronautiche indiane hanno sospeso i voli di 11 aeromobili Airbus A320neo alimentati da motori PurePower GTF. Secondo l'Economic Times, la decisione è arrivata dopo che un aereo con motore Airbus GTF ha subito tre guasti al motore nel corso di due settimane. Pratt & Whitney minimizza queste difficoltà, dicendo che sono facili da superare.

Ventilatore elettronico Airbus

Un altro gigante nel campo dei motori aeronautici, Rolls-Royce, sta sviluppando il proprio Power Gearbox, che entro il 2025 ridurrà del 25% il consumo di carburante nei grandi turbofan. rispetto ai modelli più vecchi della nota gamma di motori Trent. Questo, ovviamente, significa un nuovo concorso di design Pratt & Whitney.

Gli inglesi stanno pensando anche ad altri tipi di innovazione. Durante il recente Singapore Airshow, Rolls-Royce ha lanciato l'IntelligentEngine Initiative, che mira a sviluppare motori aeronautici intelligenti che siano più sicuri ed efficienti grazie alla capacità di comunicare tra loro e attraverso una rete di supporto. Fornendo una comunicazione bidirezionale continua con il motore e altre parti dell'ecosistema dei servizi, il motore sarà in grado di risolvere i problemi prima che si verifichino e imparare a migliorare le prestazioni. Avrebbero anche imparato dalla storia del loro lavoro e di altri motori e, in generale, avrebbero persino dovuto ripararsi in movimento.

Drive ha bisogno di batterie migliori

La visione dell'aviazione della Commissione europea per il 2050 prevede una riduzione delle emissioni di CO.₂ del 75%, gli ossidi di azoto del 90%. e rumore del 65%. Non possono essere raggiunti con le tecnologie esistenti. I sistemi di propulsione elettrica e ibrida-elettrica sono attualmente visti come una delle tecnologie più promettenti per affrontare queste sfide.

Ci sono velivoli elettrici leggeri a due posti sul mercato. All'orizzonte ci sono veicoli ibridi-elettrici a quattro posti. La NASA prevede che nei primi anni '20, questo tipo di aereo di linea a nove posti a corto raggio riporterà i servizi di aviazione alle comunità più piccole. Sia in Europa che negli Stati Uniti, gli scienziati ritengono che entro il 2030 sia possibile costruire un aereo ibrido-elettrico con una capacità fino a 100 posti. Tuttavia, saranno necessari progressi significativi nel campo dell'accumulo di energia.

Attualmente, la densità di energia delle batterie semplicemente non è sufficiente. Tuttavia, tutto questo potrebbe cambiare. Il capo di Tesla Elon Musk ha affermato che una volta che le batterie saranno in grado di produrre 400 wattora per chilogrammo e il rapporto tra potenza cellulare e peso totale sarà 0,7-0,8, un aereo di linea transcontinentale elettrico diventerà una "difficile alternativa". Considerando che le batterie agli ioni di litio sono state in grado di raggiungere una densità di energia di 113 Wh/kg nel 1994, 202 Wh/kg nel 2004 e ora sono in grado di raggiungere circa 300 Wh/kg, si può presumere che entro il prossimo decennio raggiungerà il livello 400 Wh/kg.

Progetto di aerotaxi elettrico a due posti Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce e Siemens hanno recentemente collaborato per sviluppare il dimostratore di volo E-Fan X, che rappresenterà un significativo passo avanti nella propulsione ibrida-elettrica degli aerei commerciali. La dimostrazione della tecnologia elettrica ibrida E-Fan X dovrebbe essere -Fan X volerà nel 2020 dopo un'ampia campagna di test a terra. Nella prima fase, il BAe 146 sostituirà uno dei quattro motori con un motore elettrico da XNUMX MW. Successivamente è prevista la sostituzione della seconda turbina con un motore elettrico dopo aver dimostrato la maturità del sistema.

Airbus sarà responsabile dell'integrazione complessiva, della propulsione elettrica ibrida e dell'architettura di controllo della batteria e della sua integrazione con i sistemi di controllo del volo. Rolls-Royce sarà responsabile del motore a turbina a gas, del generatore da XNUMX megawatt e dell'elettronica di potenza. Insieme ad Airbus, Rolls-Royce lavorerà anche per adattare le ventole alla navicella Siemens esistente e al motore elettrico. Siemens fornirà motori elettrici da XNUMX MW e un controller di potenza elettronico, nonché un inverter, un convertitore e un sistema di distribuzione dell'energia.

Molti centri di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando su velivoli elettrici, inclusa la NASA, che sta costruendo l'X-57 Maxwell. Sono inoltre in fase di sviluppo il progetto di aerotaxi elettrico biposto Kitty Hawk e molte altre strutture di grandi centri, aziende o piccole start up.

Dato che la vita media degli aerei passeggeri e cargo è rispettivamente di circa 21 e 33 anni, anche se tutti i nuovi velivoli prodotti domani fossero completamente elettrici, ci vorrebbero dai due ai tre decenni per eliminare gradualmente gli aerei alimentati a combustibili fossili.

Quindi non funzionerà rapidamente. Nel frattempo, i biocarburanti possono alleggerire l'ambiente nel settore aeronautico. Aiutano a ridurre le emissioni di anidride carbonica del 36-85%. Nonostante il fatto che le miscele di biocarburanti per motori a reazione siano state certificate nel 2009, l'industria aeronautica non ha fretta di attuare modifiche. Ci sono pochi ostacoli e sfide tecnologiche associati al portare la produzione di biocarburanti a livelli industriali, ma il principale deterrente è il prezzo: ci vogliono altri dieci anni per raggiungere la parità con i combustibili fossili.

Entra nel futuro

Allo stesso tempo, i laboratori stanno lavorando su concetti di motori aeronautici un po' più futuristici. Finora, ad esempio, un motore al plasma non suona molto realistico, ma non si può escludere che i lavori scientifici si trasformino in qualcosa di interessante e utile. I propulsori al plasma utilizzano l'elettricità per creare campi elettromagnetici. Comprimono ed eccitano un gas, come aria o argon, in un plasma, uno stato caldo, denso e ionizzato. La loro ricerca porta ora all'idea di lanciare satelliti nello spazio (propulsori ionici). Tuttavia, Berkant Goeksel dell'Università Tecnica di Berlino e il suo team vogliono mettere propulsori al plasma sugli aerei.

L'obiettivo dello studio è sviluppare un motore al plasma a getto d'aria che possa essere utilizzato sia per il decollo che per i voli ad alta quota. I getti al plasma sono in genere progettati per funzionare in un'atmosfera sottovuoto o a bassa pressione dove è richiesta un'alimentazione di gas. Tuttavia, il team di Göksel ha testato un dispositivo in grado di funzionare in aria a una pressione di un'atmosfera. "I nostri ugelli al plasma possono raggiungere velocità fino a 20 chilometri al secondo", afferma Göckel nella serie di conferenze del Journal of Physics.

Motore SABRE nel veicolo ipersonico del futuro

Per cominciare, il team ha testato propulsori in miniatura lunghi 80 millimetri. Per un piccolo aereo, questo sarà fino a mille di ciò che il team considera possibile. Il limite più grande, ovviamente, è la mancanza di batterie leggere. Gli scienziati stanno anche considerando velivoli ibridi, in cui il motore al plasma sarà combinato con motori a combustione interna o razzi.

Quando si parla di concetti innovativi di motori a reazione, non dimentichiamo il SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) sviluppato da Reaction Engines Limited. Si presume che questo sarà un motore funzionante sia nell'atmosfera che nel vuoto, funzionante a idrogeno liquido. Nella fase iniziale del volo, l'ossidante sarà l'aria dall'atmosfera (come nei motori a reazione convenzionali) e da un'altezza di 26 km (dove la nave raggiunge una velocità di 5 milioni di anni) - ossigeno liquido. Dopo essere passato alla modalità razzo, raggiungerà velocità fino a Mach 25.

HorizonX, il braccio di investimento di Boeing coinvolto nel progetto, deve ancora decidere come SABRE potrebbe usarlo, tranne per il fatto che prevede di "utilizzare una tecnologia rivoluzionaria per aiutare Boeing nella sua ricerca del volo supersonico".

RAMJET e scramjet (motore a reazione supersonico con camera di combustione) sono da tempo sulla bocca dei fan dell'aviazione ad alta velocità. Attualmente sono sviluppati principalmente per scopi militari. Tuttavia, come insegna la storia dell'aviazione, ciò che verrà testato nell'esercito andrà all'aviazione civile. Tutto ciò che serve è un po' di pazienza.

Video del motore intelligente Rolls Royce:

Rolls Royce | Innovazione in IntelligentEngine