更快、更安静、更清洁 - 新型飞机发动机

事实证明，为了改变航空业，您无需寻找新的螺旋桨、未来主义设计或太空材料。 使用相对简单的机械传动就足够了...

这是近年来最重要的创新之一。 齿轮传动涡轮风扇电机 (GTF) 允许压缩机和风扇以不同的速度旋转。 风扇驱动齿轮与风扇轴一起旋转，但将风扇电机与低压压缩机和涡轮分开。 风扇以较慢的速度旋转，而压缩机和低压涡轮机以较高的速度运行。 每个发动机模块都可以以最佳效率运行。 经过 20 年的研发和大约 1000 亿美元的研发支出，普惠 PurePower PW2016G 涡扇系列产品于几年前投入使用，并于 XNUMX 年开始大规模引入商用飞机。

现代涡扇发动机以两种方式产生推力。 首先，压缩机和燃烧室位于其核心。 前面是一个风扇，它由核心驱动，引导空气通过电机核心周围的旁通室。 涵道比是通过核心的空气量与通过它的空气量的比率。 一般来说，更高的涵道比意味着更安静、更高效和更强大的发动机。 传统涡扇发动机的涵道比为 9:1。Pratt PurePower GTF 发动机的涵道比为 12:1。

为了增加涵道比，电机制造商必须增加风扇叶片的长度。 然而，当被拉长时，在叶片末端获得的旋转速度将如此之高，以至于会出现不需要的振动。 您需要风扇叶片减速，这就是变速箱的用途。 根据 Pratt & Whitney 的说法，这样的引擎可以高达 16%。 出色的燃油经济性和 50%。 废气排放量减少 75%。 安静的。 最近，瑞士航空和波罗的海航空宣布，他们的 GTF C 系列喷气发动机消耗的燃料比制造商承诺的还要少。

PW1100G-JM发动机在生产线上

《时代》杂志将 PW1000G 发动机评为 50 年最重要的 2011 项发明之一，也是六项最环保的发明之一，因为普惠 PurePower 的设计目的是比现有的喷气发动机更清洁、更安静、更强大且使用更少的燃料。 2016 年，时任达美航空公司总裁的理查德安德森称该发动机是自波音梦想客机彻底改变复合材料结构以来的“第一个真正的创新”。

节省和减少排放

商用航空部门每年排放超过 700 亿吨二氧化碳。 虽然只有2%左右。 全球二氧化碳排放量，有证据表明，喷气燃料中的温室气体在高海拔地区释放时对大气的影响更大。

主要发动机制造商正在寻求节省燃料和减少排放的方法。 Pratt 的竞争对手 CFM International 最近推出了自己的名为 LEAP 的先进发动机，该公司官员表示，该发动机以其他解决方案为代价提供了与齿轮传动涡轮风扇发动机类似的结果。 CFM 声称，在传统的涡轮风扇架构中，可以在不增加动力总成重量和阻力的情况下实现相同的好处。 LEAP 使用轻质复合材料和碳纤维风扇叶片来实现能效提升，该公司称其可与 Pratt & Whitney 发动机实现的能效相媲美。

迄今为止，空客 A320neo 发动机的订单大致平均分配给 CFM 和普惠公司。 不幸的是，对于后者公司来说，PurePower 电机正在给用户带来问题。 第一次出现在今年，当时卡塔尔航空公司的空中客车 A320neo 记录到 GTF 发动机冷却不均匀。 冷却不均匀会导致零件变形和摩擦，同时增加飞行之间的时间。 结果，航空公司得出结论，发动机不符合运行要求。 此后不久，印度航空当局暂停了 11 架由 PurePower GTF 发动机提供动力的空客 A320neo 飞机的飞行。 据《经济时报》报道，这一决定是在空客 GTF 动力飞机在两周内遭遇三起发动机故障之后做出的。 普惠淡化了这些困难，称它们很容易克服。

空客电子风扇

飞机发动机领域的另一家巨头劳斯莱斯正在开发自己的动力变速箱，到 2025 年，它将使大型涡扇发动机的油耗降低 25%。 与著名的 Trent 发动机系列的旧型号相比。 当然，这意味着新的普惠设计竞赛。

英国人也在考虑其他类型的创新。 在最近的新加坡航展期间，劳斯莱斯推出了智能发动机计划，旨在通过相互通信和支持网络开发更安全、更高效的智能飞机发动机。 通过提供与引擎和服务生态系统其他部分的持续双向通信，引擎将能够在问题发生之前解决问题并学习如何提高性能。 他们还将从他们的工作和其他引擎的历史中学习，总的来说，他们甚至不得不在旅途中修理自己。

驱动器需要更好的电池

欧盟委员会的 2050 年航空愿景呼吁减少二氧化碳排放。₂ 减少 75%，氮氧化物减少 90%。 噪音降低 65%。 它们无法通过现有技术实现。 电力和混合电力推进系统目前被视为应对这些挑战的最有前途的技术之一。

市场上有两座电动轻型飞机。 四座混合动力电动汽车即将问世。 NASA 预测，在 20 年代初，这种类型的短途九座客机将把航空服务带回较小的社区。 在欧洲和美国，科学家们都认为，到 2030 年，有可能制造出最多 100 个座位的混合动力飞机。 然而，储能领域仍需取得重大进展。

目前，电池的能量密度根本不够。 然而，这一切都可能改变。 特斯拉老板埃隆马斯克表示，一旦电池能够产生每公斤 400 瓦时，并且电池功率与总重量之比为 0,7-0,8，电动横贯大陆客机将成为“难以替代的选择”。 考虑到锂离子电池在 113 年能够达到 1994 Wh/kg 的能量密度，202 年达到 2004 Wh/kg，现在可以达到 300 Wh/kg 左右，可以假设在未来十年内它们将达到 400 Wh/kg 的水平。

小鹰电动两座空中出租车项目

空中客车、劳斯莱斯和西门子最近合作开发了 E-Fan X 飞行演示器，这将是商用飞机混合电力推进方面的重要一步。 E-Fan X 混合动力电动技术演示预计将进行 -Fan X 经过广泛的地面测试活动后将于 2020 年试飞。 在第一阶段，BAe 146 将用 XNUMX 兆瓦的电动机取代四台发动机中的一台。 随后，计划在证明系统成熟后用电动机替换第二台涡轮机。

空中客车公司将负责整体集成以及混合动力电力推进和电池控制架构及其与飞行控制系统的集成。 劳斯莱斯将负责燃气涡轮发动机、XNUMX 兆瓦发电机和电力电子设备。 与空中客车公司一起，劳斯莱斯还将致力于使风扇适应现有的西门子机舱和电动机。 西门子将提供 XNUMX MW 电动机和一个电子功率控制器，以及一个逆变器、转换器和配电系统。

世界各地的许多研究中心都在研究电动飞机，包括正在建造 X-57 Maxwell 的 NASA。 Kitty Hawk电动两人座空中出租车项目和许多其他大型中心、公司或小型初创企业的结构也在开发中。

鉴于客机和货机的平均寿命分别约为 21 年和 33 年，即使明天生产的所有新飞机都是全电动的，淘汰化石燃料飞机也需要两到三年的时间。

所以它不会很快起作用。 同时，生物燃料可以减轻航空业的环境。 它们有助于将二氧化碳排放量减少 36-85%。 尽管用于喷气发动机的生物燃料混合物于 2009 年获得认证，但航空业并不急于实施变革。 将生物燃料生产提高到工业水平几乎没有技术障碍和挑战，但主要的威慑因素是价格——要实现与化石燃料的平价还需要十年时间。

迈向未来

与此同时，实验室正在研究更具未来感的飞机发动机概念。 举例来说，到目前为止，等离子引擎听起来还不是很逼真，但不能排除科学作品会发展成有趣和有用的东西。 等离子推进器使用电力来产生电磁场。 它们将一种气体（例如空气或氩气）压缩并激发成等离子体——一种热的、致密的、电离的状态。 他们的研究现在引出了在外太空发射卫星（离子推进器）的想法。 然而，柏林工业大学的 Berkant Goeksel 和他的团队希望将等离子推进器安装在飞机上。

该研究的目的是开发一种可用于起飞和高空飞行的喷气等离子发动机。 等离子喷气发动机通常设计为在需要气体供应的真空或低压环境中运行。 然而，Göksel 的团队测试了一种能够在一个大气压下在空气中运行的设备。 “我们的等离子喷嘴可以达到每秒 20 公里的速度，”Göckel 在《物理学杂志》系列会议上说。

未来高超音速飞行器中的 SABRE 发动机

首先，该团队测试了 80 毫米长的微型推进器。 对于一架小型飞机，这将是团队认为可能的一千倍。 当然，最大的限制是缺乏轻质电池。 科学家们还在考虑混合动力飞机，其中等离子发动机将与内燃机或火箭相结合。

当我们谈论创新的喷气发动机概念时，我们不要忘记由 Reaction Engines Limited 开发的 SABRE（协同吸气火箭发动机）。 假设这将是一个在大气和真空中运行的发动机，使用液态氢运行。 在飞行的初始阶段，氧化剂将是来自大气的空气（如在传统喷气发动机中），以及来自 26 公里高度（该船达到 5 万年的速度） - 液氧。 切换到火箭模式后，它将达到最高 25 马赫的速度。

波音公司参与该项目的投资部门 Horizo​​nX 尚未决定 SABRE 将如何使用它，但它希望“使用革命性技术帮助波音公司寻求超音速飞行”。

RAMJET 和超燃冲压发动机（带有燃烧室的超音速喷气发动机）长期以来一直是高速航空爱好者的话题。 目前，它们主要用于军事目的。 但是，正如航空史所教导的那样，将在军队中进行测试的将用于民航。 所需要的只是一点耐心。

劳斯莱斯智能发动机视频：

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