درک قابلیت های مختلف در Hybrid Electric Flight Engines

موتورهای هیبریدی برق نشان دهنده یک تغییر اساسی در نیروی هوایی، ادغام قابلیت اطمینان موتورهای جت سنتی با بهره وری از قدرت الکتریکی است.در قلب این تحول نهفته است ناامید - نیروی اساسی که یک هواپیما را به جلو هدایت می کند بدون مدیریت دقیق از نیروی محرکه، سیستم های هیبریدی نمی توانند به عملکرد، ایمنی، و مزایای زیست محیطی که آنها وعده می دهند تا این اصول توسعه الکتریکی را از برش ساده.

چه چیزی مهم است و چرا اهمیت دارد؟

نیروی مکانیکی تولید شده توسط یک موتور برای غلبه بر کشیدن و حرکت یک هواپیما از طریق هوا است.در شرایط نیوتن، واکنش به تسریع جرم هوا (یا گازهای اگزوز) در جهت مخالف سفر است.برای موتورهای جت، حرکت از تخلیه گازهای گرم در سرعت بالا؛ برای نیروی الکتریکی، آن را با چرخش یا یک مجرای الکتریکی بالا تولید می کند.

معماری هیبرید الکتریک Propulsion

موتورهای الکتریکی هیبریدی معمولاً در رشته های مختلف (FLT:0) و طبقه بندی می شوند در یک سری هیبریدی، توربین گاز یا موتور پیستون یک ژنراتور را شارژ می کند؛ موتورهای الکتریکی به تنهایی در یک هیبریدی موازی، هر دو پیکربندی حرارتی و موتور الکتریکی می توانند به طور مستقیم از طریق یک نوع اتصال الکتریکی کمک کنند.

مدیریت در سری در مقابل سیستم های موازی

  • مشخصات نیروی محرکه هیبریدی سری: همه ی پروش ها از موتورهای الکتریکی می آیند، بنابراین نیروی محرکه توسط قدرت حرکتی و میزان تخلیه باتری محدود است، این کنترل را ساده می کند، اما نیاز به ذخیره سازی انرژی زیادی دارد.
  • مشخصات برق هیبریدی (Parallel) : هر دو منبع می توانند برای اوج در طول خروج ترکیب شوند، سپس موتور حرارتی می تواند در هنگام کروز کاهش یا خاموش شود، کاهش سوخت.
  • مشخصات نیروی الکتریکی Turboالکتریک: توربین با سرعت بهینه مستقل از سرعت فن اجرا می شود، امکان می دهد طرفداران با کارایی بالا، اما وزن سیستم و مدیریت حرارتی حیاتی است.

مهندسان باید سیستم های مدیریت نیروی محرکه را طراحی کنند که (FLT:0) بدون هیچ گونه انتقال بدون درز بین منابع برق بدون قربانی کردن پاسخ یا ایمنی پرواز، این شامل الگوریتم های کنترل پیچیده و تجهیزات برق با پهنای باند بالا است.

چالش های اصلی در توسعه

۱- چگالی قدرت و وزن

موتورهای الکتریکی امروز گشتاور عالی را ارائه می دهند، اما نسبت قدرت به وزن آنها هنوز هم توربین های گازی را رد می کند، برای مطابقت با نیروی توربوفن معمولی، موتور و باتری باید فوق العاده سبک باشد. هر کیلوگرم سیستم پروشاتور به توده هواپیما اضافه می کند، و نیاز به فشار بیشتر برای آسانسور آن دارد - یک محققان چرخه معیوب برای -10 - 15 کیلووات [0 کیلوگرم] / kW [1] مواد خنک کننده پیشرفته و مواد خنک کننده استفاده از مواد خنک کننده و مواد خنک کننده.

مدیریت حرارتی

موتورهای الکتریکی و باتری ها در طول عملیات های با شدت بالا، به ویژه در دفع سوخت، گرما از زیان های الکتریکی باید از طریق سیستم های خنک کننده که اضافه وزن و کشش را ایجاد می کنند، رد شود. مدیریت حرارتی داخلی (FLT 1 برای حفظ نیروی بدون بیش از حد حرارت، برخی از مفاهیم از سوخت یا مواد تغییر فاز به عنوان کاهش گرما ضروری است.

۳- میزان تخلیه باتری

تقاضاهای قابل اجرا ثابت نیست: ممکن است نیاز به 2 تا 3 بار قدرت کروز برای چند دقیقه داشته باشد. باتری ها باید قادر به بالا بودن نرخ های C (معادل نرخ های نسبت به ظرفیت) بدون برچسب زدن ولتاژ یا فرار حرارتی باشند. بالا قدرت آزاد و باتری های حالت جامد در حال ظهور برای پاسخگویی به این الزامات گذرا توسعه یافته اند.

۴- طراحی تبلیغاتی و Fan Design

موتورهای الکتریکی می توانند در RPM های بسیار بالاتر از موتورهای سنتی چرخش کنند، که اجازه می دهد تا برای محرک های کوچکتر، سبک تر یا طرفداران کوچکتر، با این حال، RPM بالا صدا و کاهش بهره وری به دلیل محدودیت های سرعت نوک (FLT:0Variable-pitch، چند کیسه باز روتور، و طرفداران مصرف کننده مرزی را افزایش می دهد.[۱۰]

تکنولوژی های رانندگی بهبود می یابد

High-Efficiency Electric Motors

موتورهای ثابت مغناطیسی دائمی (PMSMs) با آهنرباهای زمینی بهره وری بالاتر از 95٪ و چگالی گشتاور فراتر از 20 Nm /kg است. Axial-flux موتور بالا به ویژه امیدوار کننده برای هوافضا هستند زیرا آنها می توانند به طرفداران کانال یا محرک با حداقل شرکت های محوری (F) مانند تست های بزرگ هوا، یکپارچه شوند.

پیشرفته Power Electronics

برای تنظیم فشار به صورت صاف، اینورترها و مبدلها باید ولتاژهای بالا (800 V تا 1000 V) را با ضررهای کم تغییر (FLT:0) و نیمه هادی های نیتید (GaN) کنترل کنند [FLT 1 سریع تر تغییر و کاهش الزامات خنک کننده را فعال می کند.

توزیع برق (DEP)

DEP از چندین نیروی برق کوچک (به عنوان مثال، 8 تا دوازده) توزیع شده در امتداد بال یا فیوز استفاده می کند، این پیکربندی می تواند بهره وری آیرودینامیک را با دمیدن هوا بر روی سطوح بال، بهبود سرعت پایین و کاهش فشار مورد نیاز برای دفع، افزایش دهد.

سیستم های کنترل ترکیبی

کامپیوترهای کنترل پرواز مدرن اکنون (FLT:0) کنترل کامل موتور دیجیتال (FADEC) را با سیستم های مدیریت باتری ادغام می کنند.این کنترل کننده ها قدرت را از هر دو منبع هماهنگ می کنند، بهینه سازی برای مصرف سوخت، سلامت باتری یا الگوریتم های یادگیری ماشین برای پیش بینی تقاضا بر اساس فاز پرواز و شرایط آب و هوایی مورد بررسی قرار می گیرند.

تنظیم مقررات و صدور گواهینامه Hurdles

عملکرد قابل اجرا در هواپیماهای هیبریدی باید همان استانداردهای گواهی دقیق را به عنوان موتورهای معمولی (به عنوان مثال FAA بخش 33، EASA CS-E) را برآورده کند که شامل نشان دادن زمان واکنش های ناامید کننده، حالت شکست و کنترل در طول یک سیستم عامل موتور سیکلت [F:1] است.از آنجا که سیستم های هیبریدی شامل سیستم های الکتریکی و پیچیده بالا هستند، و سیستم های انطباق بین المللی مانند سیستم های کار با سیستم های استاندارد های جدید توسعه یافته است.

آینده چشم انداز: راه حل های نسل بعدی

سیستم های Cryogenic و Superdirecting

موتور های برق خنک کننده و کابل های برق برای دمای مسری (به عنوان مثال، 77 K با استفاده از نیتروژن مایع) اجازه می دهد تا ابررسانی، به طور چشمگیری افزایش تراکم فعلی و کاهش تلفات الکتریکی، این می تواند منجر به (FLT:0ultra-high قدرت دانفید - 0 -30 کیلووات / kW / ) با کمترین رد گرما، پروژه حمل و نقل هوایی [F2 پیشرفته سیستم های هیبریدی پیشرفته / 4 / 4 / 4 / 4 / 4 / 4 / 4 / 4 / 4 ]

سلول های سوخت هیدروژن به عنوان گسترش دهنده

برای هواپیماهای هیبریدی بلند مدت، سلول های سوخت هیدروژن می توانند به عنوان گسترش دهنده های محدوده عمل کنند، انرژی الکتریکی برای کروز بدون باتری های سنگین فراهم می کنند. سلول های سوخت آب را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کنند و انرژی خاصی (kWh/kg) در مقایسه با باتری ها دارند.

سیستم های کمک های پیشرفته

کمک الکتریکی زمینی (به عنوان مثال، تراکتورهای داخله یا باند) سیم پیچ های القاء شده را می تواند نیروی محرکه ای را که برای خروج نیاز دارد کاهش دهد و اجازه دهد موتورهای کوچکتر و باتری ها را کوچکتر کند، این مفهوم برای هواپیماهای کروز کوتاه مدت، به طور بالقوه قادر به استفاده از آن است.

نتیجه گیری

نقش نیروی محرکه در موتورهای هواپیماهای برقی هیبریدی بسیار فراتر از نیروی محرکه ساده است.این معماری نیروی محرکه، سیستم ذخیره سازی انرژی، طراحی مدیریت حرارتی و حتی طرح بال را به عنوان پیشرفت فن آوری - از موتورهای هوانوردی بالا گرفته تا کابل های ابررسانی - مهندسان به طور پیوسته در حال غلبه بر تجارت تاریخی بین قدرت و وزن موفق هستند.