Um avião elétrico é uma alternativa à aviação moderna?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

O motor moderno de turbina a gás (turbofan) que aciona as camisas não é, obviamente, uma cascavel de dois tempos para ferramentas de jardinagem, mas uma máquina altamente eficiente e confiável. No entanto, de acordo com fabricantes de aeronaves, está perto de esgotar as reservas para melhorias futuras.

Por que existem motores - todos os aviões em construção são tão semelhantes entre si que apenas um especialista em aviação distinguirá imediatamente Boeing ou Airbus de Bombardier ou MS-21. E embora não haja a menor dúvida de que aviões de passageiros do tipo moderno com dois motores de turbina a gás sob as asas nos levarão pelos céus por décadas, grandes esperanças por um novo layout e nova aerodinâmica das aeronaves estão associadas à propulsão elétrica.

Rápido, mas não por muito tempo

Até recentemente, o termo "aeronave elétrica" era entendido como uma "aeronave mais elétrica" - uma aeronave de asa fixa, na qual as transmissões mecânica e hidráulica eram substituídas ao máximo pelas elétricas.

Chega de tubos e cabos - todos os trabalhos mecânicos, como movimentar os lemes e mecanizar a asa, são realizados por pequenos motores elétricos-atuadores, que são alimentados com energia e um canal para o sinal de controle. Agora, o termo foi preenchido com um novo significado: um verdadeiro avião elétrico deve se mover por tração elétrica.

É claro que as perspectivas da aviação elétrica dependem não apenas (e nem tanto) dos projetistas de aeronaves, mas também do progresso no campo da engenharia elétrica. Afinal, os aviões, como se costuma dizer, existem "a pilhas". Motores elétricos auxiliares foram instalados em planadores há várias décadas.

O Extra 330LE, que voou pela primeira vez em 2016, já carrega planadores e bate recordes de velocidade. Mas seu bloco de 14 potentes baterias de íon-lítio e um motor elétrico da Siemens permitem que o bebê leve a bordo apenas duas pessoas, incluindo o piloto, e não fique no ar por mais de 20 minutos.

Extra 330LE

Claro, existem projetos com indicadores muito mais impressionantes. Em setembro do ano passado, a companhia aérea britânica EasyJet anunciou que em dez anos lançará um forro regional totalmente elétrico (autonomia de 540 km, o que é bastante para voos intra-europeus) com capacidade para 180 passageiros.

A startup americana Wright Electric, que já construiu um demonstrador voador de dois lugares, tornou-se parceira do projeto. No entanto, hoje a densidade de energia das melhores baterias de íon-lítio é mais do que uma ordem de magnitude inferior à dos combustíveis de hidrocarboneto. Presume-se que até 2030 as baterias melhorarão seu desempenho em no máximo duas vezes.

Turbina, fique

A situação com células a combustível parece muito mais vantajosa, em que a energia química do combustível é convertida em energia elétrica diretamente, contornando o processo de combustão.

O hidrogênio é considerado o combustível mais promissor para essa fonte de energia. Experimentos com células de combustível como fonte de energia para um avião elétrico estão sendo realizados em diferentes países do mundo (na Rússia, o CIAM está trabalhando principalmente em projetos para criar tais aeronaves, e células de combustível para elas são criadas no IPCP RAS sob o orientação do professor Yuri Dobrovolsky).

Dos conceitos de vôo e tripulado, pode-se lembrar o demonstrador europeu ENFICA-FC Rapid 200FC - ele usava baterias elétricas e células de combustível ao mesmo tempo. Mas essa tecnologia também precisa de melhorias significativas e pesquisas adicionais.

As perspectivas mais realistas para hoje parecem ser as perspectivas de aeronaves elétricas construídas de acordo com o esquema híbrido. Isso significa que a hélice da aeronave (hélice ou propfan) será movida por um motor elétrico, mas receberá eletricidade de um gerador girado … por um motor de turbina a gás (ou outro motor de combustão interna). À primeira vista, tal esquema parece estranho: eles querem abandonar o GTE em favor do motor elétrico, mas não vão fazer isso.

Já existem alguns projetos híbridos no mundo, mas estamos principalmente interessados na Rússia. Trabalhos em avião elétrico, em particular com esquema híbrido, foram realizados em vários institutos científicos do perfil da aviação, como TsAGI ou TsIAM.

Hoje, essas e algumas outras instituições estão unidas (desde 2014) sob os auspícios do Centro de Pesquisa "Instituto com o nome de N. Ye. Zhukovsky", projetado para se tornar um único e poderoso "grupo de cérebros" da indústria. A tarefa de integrar todo o trabalho da aviação elétrica dentro do centro é atribuída a Sergei Galperin, que já citamos no início do artigo.

Decolagem movida a bateria

“A transição para motores elétricos na aviação abre muitas perspectivas interessantes”, diz Sergei Halperin, “mas não há razão para contar com a criação de uma aeronave elétrica comercial com um alcance decente para as condições russas com fontes de energia puramente químicas (baterias ou células de combustível) no futuro próximo: o potencial energético difere muito um quilograma de querosene e um quilograma de baterias. Um design híbrido pode ser um meio-termo razoável. Deve ser entendido que um motor de turbina a gás que cria diretamente o empuxo e um motor de turbina a gás que colocará o eixo do gerador em movimento não são a mesma coisa.

O fato é que as necessidades de energia da aeronave mudam significativamente durante o vôo. Na decolagem, o motor da aeronave desenvolve potência próxima de seu máximo e, durante o cruzeiro (ou seja, na maior parte do voo), o consumo de energia da aeronave é reduzido em 5 a 6 vezes.

Assim, uma usina tradicional deve ser capaz de operar em uma ampla gama de modos (nem sempre ótimos do ponto de vista econômico) e rapidamente passar de um para o outro. Nada desse tipo é exigido de um motor de turbina a gás em uma instalação híbrida. Será semelhante às turbinas a gás de usinas de energia, que sempre operam do mesmo modo, mais economicamente vantajoso. Eles estão trabalhando há anos sem parar."

Ce-liner

Com o auxílio de um gerador, o GTE poderá gerar energia para alimentação direta de motores elétricos, bem como para formação de reserva em baterias. A ajuda da bateria será necessária apenas na decolagem.

Mas como a operação de motores elétricos em modo de decolagem dura apenas alguns minutos, a reserva de energia não deve ser muito grande e as baterias a bordo podem ser bastante aceitáveis em tamanho e peso. Ao mesmo tempo, o motor de turbina a gás não terá nenhum regime de decolagem - seu negócio é gerar eletricidade silenciosamente.

Assim, ao contrário de um motor de aeronave, um motor de turbina a gás em uma aeronave híbrida elétrica será menos potente, mais confiável e ecologicamente correto, mais simples no projeto, o que significa mais barato e, por fim, terá um recurso maior.

Soprando na asa

Ao mesmo tempo, a transição para motores elétricos abre perspectivas para inovações fundamentais no design de aeronaves civis do futuro. Um dos temas mais discutidos é a criação de usinas distribuídas.

Hoje, o layout clássico da camisa assume dois pontos de aplicação de empuxo, ou seja, dois, raramente quatro, motores potentes pendurados em postes sob a asa. Em aviões elétricos, é considerada a disposição de um grande número de motores elétricos ao longo da asa, bem como em suas extremidades. Por que isso é necessário?

A questão está novamente na diferença entre os modos de decolagem e cruzeiro. Na decolagem em baixa velocidade do fluxo incidente, uma aeronave precisa de uma grande área de asa para criar sustentação. Na velocidade de cruzeiro, a asa larga atrapalha, criando um excesso de sustentação.

O problema é resolvido devido à mecanização complexa - retalhos e ripas retráteis. Aeronaves menores, decolando de pequenos aeródromos e tendo grandes asas para isso, são forçadas a cruzar com um ângulo de ataque abaixo do ideal, o que leva a um consumo adicional de combustível.

Mas, se na decolagem muitos motores elétricos conectados às hélices também explodirem a asa, ela não precisará ser muito larga. O avião decolará com uma decolagem curta e, na seção de cruzeiro, uma asa estreita não criará problemas. O carro será puxado para frente por hélices movidas pelos motores de propulsão, e as hélices ao longo da asa neste estágio serão dobradas ou retraídas antes do pouso.

Um exemplo é o projeto X-57 Maxwell da NASA. O demonstrador de conceito está equipado com 14 motores elétricos posicionados ao longo da asa e nas pontas das asas. Todos eles funcionam apenas durante a decolagem e pouso. Na seção de cruzeiro, apenas os motores de ponta de asa estão envolvidos.

Essa colocação de motores permite reduzir a influência negativa dos vórtices que surgem nesses locais. Por outro lado, a usina acaba sendo complexa, o que significa que sua manutenção é mais cara e a probabilidade de falhas também é maior. Em geral, cientistas e designers têm algo em que pensar.

X-57 Maxwell

Ajudará no nitrogênio líquido

“Um avião elétrico oferece muitas oportunidades de otimização”, diz Sergei Halperin. - Você pode experimentar, por exemplo, uma combinação de parafusos de puxar e empurrar. Os motores elétricos são muito mais vantajosos em comparação aos motores de turbina a gás em aviões conversíveis, uma vez que a rotação segura do motor elétrico para uma posição horizontal não apresenta um problema de engenharia tão complexo como no caso dos motores tradicionais.

Em um avião elétrico, você pode garantir a integração total de todos os sistemas, criar um novo sistema de controle. Mesmo os carros híbridos produzirão menos ruído e emissões.”

Como as baterias, os motores elétricos aumentam em massa, volume e dissipação de calor à medida que a potência aumenta. Novas tecnologias são necessárias para torná-los mais poderosos e mais leves.

Para desenvolvedores domésticos de sistemas de propulsão híbridos, um verdadeiro avanço foi a cooperação com a empresa russa SuperOx, um dos cinco maiores fornecedores de materiais com propriedades de supercondutividade de alta temperatura (HTSC) do mundo. Agora a SuperOx está desenvolvendo motores elétricos com um estator feito de materiais supercondutores (resfriados com nitrogênio líquido).

Esses motores com boas características de aviação formarão a base de uma usina híbrida para uma aeronave regional, que pode subir aos céus em meados da próxima década. Este ano, no salão aéreo MAKS, os especialistas do CIAM apresentaram um demonstrador dessa instalação com uma capacidade de 10 kW. A aeronave planejada será equipada com uma usina híbrida com dois motores de 500 kW cada.

“Antes de falar em uma aeronave elétrica híbrida”, diz Halperin, “é necessário testar nossa instalação no solo e depois em um laboratório voador. Esperamos que seja o Yak-40. Em vez de um radar, podemos colocar um motor elétrico HTSC de 500 quilowatts no nariz do carro.

Instalaremos um turbo gerador na cauda em vez do motor central. Os dois motores Yak restantes serão suficientes para testar nossa criação em uma ampla gama de alturas (até 8.000 m) e velocidades (até 500 km / h). E mesmo se a instalação híbrida falhar, o avião pode completar o vôo e pousar com segurança. O laboratório de demonstração será equipado de acordo com o plano em 2019. O ciclo de teste está provisoriamente programado para 2020.

Céus inteligentes

A propulsão elétrica e híbrida ocupa um lugar significativo nos planos dos maiores fabricantes de aeronaves do mundo. É assim que se parecem as principais características da aviação de passageiros de meados deste século de acordo com o programa Smarter Skies da empresa AIRBUS.

Vôo "verde"

A aeronave do futuro será projetada para minimizar a pegada de hidrocarbonetos na atmosfera. Motores de turbina a gás hidrogênio, híbridos e aeronaves totalmente elétricas movidas a bateria ganharão popularidade.

Presume-se que as baterias serão recarregadas a partir de fontes de eletricidade que não agridem o meio ambiente. É possível o surgimento de grandes parques eólicos ou usinas solares na área dos aeródromos.

Liberdade no céu

Os transatlânticos inteligentes traçarão rotas de forma independente com base em parâmetros de compatibilidade ambiental e eficiência de combustível com base na análise de dados meteorológicos e atmosféricos. Eles também poderão se reunir em formações como bandos de pássaros, o que reduzirá o arrasto de aeronaves individuais na formação e reduzirá o consumo de energia para o vôo.

Em vez do solo

Novos sistemas de propulsão e aerodinâmica da aeronave permitirão decolar ao longo da trajetória mais íngreme possível, a fim de reduzir o ruído na área do aeroporto e atingir o nível de cruzeiro o mais rápido possível, onde a aeronave demonstra características econômicas ótimas.

Pouso sem motor

Os aviões do futuro poderão pousar em modo de planador. Isso economizará combustível e reduzirá os níveis de ruído na área do aeroporto. A velocidade de pouso também diminuirá. Isso encurtará o comprimento das pistas.

Sem exaustão

Os aeroportos do futuro irão eliminar completamente o uso de motores de combustão interna que queimam combustível. Para o taxiamento, as camisas serão equipadas com rodas motorizadas elétricas. Como alternativa - tratores elétricos não tripulados de alta velocidade, que serão capazes de entregar rapidamente as aeronaves do pátio para a pista e vice-versa.