Ilmastonmuutosta koskevien asetusten tausta

Ilmailu- ja avaruusteollisuus on pitkään ollut maailmanlaajuisen liikenneyhteyksien ja talouskasvun kriittinen veturi, mutta se on myös merkittävä tekijä hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Viime vuosikymmenen aikana kansainväliset elimet ja hallitukset ovat tiukentaneet ilmailuun kohdistuvaa ympäristöpolitiikkaa. Kansainvälinen siviili-ilmailujärjestö (ICAO) on perustanut vuonna 2016 kansainvälisen ilmailun hiilidioksidipäästöjen vähentämis- ja vähentämisjärjestelmän (CORSIA), jonka tavoitteena on rajoittaa kansainvälisten lentojen hiilidioksidipäästöjä vuoden 2020 tasolle. Euroopan unioni on sisällyttänyt ilmailun päästökauppajärjestelmäänsä (EU ETS), jossa lentoyhtiöitä vaaditaan ostamaan päästöoikeudet päästöilleen. Samaan aikaan Yhdistyneen kuningaskunnan Jet Zero-strategia ja Yhdysvallat. Kestävän ilmailun polttoaine Grand Challenge asettivat kunnianhimoiset tavoitteet vuoteen 2050 mennessä. Tällaiset sääntelypuitteet vaikuttavat suoraan suihkukoneiden valmistajiin ja pakottavat ne suunnittelemaan voimalaitoksia, jotka täyttävät tiukentamisen NOx-, hiukkas- ja CO2-rajoitukset ja säilyttävät tai parantavat samalla suorituskykyä ja luotettavuutta.

Vaikutukset suihkumoottorin suunnitteluun

Sääntelypaine on muokannut lähes kaikkia suihkumoottorin arkkitehtuurin osa-alueita. Suunnittelijat asettavat nyt polttoainetehokkuuden ja päästöjen vähentämisen ensisijaisiksi rajoitteiksi, usein perinteisten mittareiden, kuten työntöpainon suhteen, kestävyyden ja huoltokustannusten ohella. Seuraavat alakohdat tarkastelevat keskeisiä muutoskohteita.

Kehittyneet materiaalit ja kevytpainotus

Polttoaineenkulutuksen parantamiseksi insinöörit ovat kääntyneet kehittyneisiin kevyisiin materiaaleihin, jotka kestävät äärimmäisiä lämpötiloja ja paineita. Keraamiset matriisikomposiittit (CMC) korvaavat nikkelipohjaisia superseoksia kuuman seoksen komponenteissa, kuten turbiinin käärinliiveissä ja siipissä, jotka tarjoavat 30% painonlaskun ja mahdollistavat korkeammat käyttölämpötilat, jotka parantavat lämpötehokkuutta. Titaanialuminidi (TiAl) -seoksia käytetään nyt matalapaineisissa turbiinin lavoissa, mikä vähentää entisestään painoa. Hiilikuituvahvisteiset polymeerin (CFRP) tuuletinterät, joita GE Aviation on edelläkävijä GE9X-moottorissa, leikkaavat tuulettimen painoa 15% perinteisiin titaanilapoihin verrattuna. Nämä materiaaliinnovaatiot vähentävät suoraan polttoaineen polttamista ja CO2-päästöjä, auttavat valmistajia saavuttamaan sääntelytavoitteet.

Polttotekniikka päästöjen vähentämiseksi

Puhdistaa palaminen on keskeinen osa lainsäädännön vaatimusten noudattamista. Teollisuus on siirtynyt perinteisistä rikas-, nopea-, kevyt-poltto (RQL) polttolaitteet (Rough-polttimet) pitkälle lean-burn, vaiheittainen polttojärjestelmät. Prattt & Whitney.S Talon X (Teknologia Advanced Low NOx) polttolaitteet ja CFM International.S Twin Annular Premixing Swirler (TAPS) -teknologia vähentää NOx-päästöjä 50...60% verrattuna aikaisempiin suunnitelmiin. Nämä polttolaitteet käyttävät tarkkoja polttoaineen ja ilman sekoittumista ja useita injektointivyöhykkeitä, jotka ovat asteittain tiukentaneet liekin lämpötilan ja saasteiden muodostumisen minimoimiseksi. Viimeaikainen kehitys sisältää .

Moottorin rakenne: vaihdetut Turbofanit ja niiden ulkopuolella

Sääntelyvaatimukset ovat ajaneet paradigman muutoksen moottoriarkkitehtuurissa. Suuntautunut turbofaani, jota Pratt & Whitney. PW1000G-sarja kuvaa, poistaa tuulettimen matalapaineturbiinista planeetan vaihteiston kautta. Tämä mahdollistaa tuulettimen pyörimisen hitaammalla ja tehokkaammalla nopeudella samalla kun turbiini toimii suuremmalla nopeudella optimoidulla aerodynaamisella suorituskyvyllä. Tuloksena on 16% parempi polttoainetehokkuus verrattuna aiempiin moottoreihin, mikä alentaa suoraan hiilidioksidipäästöjä ja melua. Rolls-Royce. UltraFan-suunnittelu etenee pidemmälle, kun yhdistyvät suunnattu arkkitehtuuri, jossa on muuttuva pikituuli ja komposiittilavat, ja joka lupaa 25% polttoainesäästöjä verrattuna aikaisiin Trent-moottoreihin. Nämä arkkitehtoniset innovaatiot ovat suoria vastauksia sääntelypaineeseen pienentääkseen kunkin lennon hiilijalanjälanjälkeä.

Asetusten vauhdittamat innovaatiot

Tiukemmat ympäristöstandardit ovat nopeuttaneet sellaisten teknologioiden tutkimusta, jotka eivät ole parantuneet asteittain. Valmistajat ja tutkimuslaitokset pyrkivät aktiivisesti etsimään häiritseviä ratkaisuja.

Hybridi- ja sähkökäyttöinen käyttövoima

Sähkö- ja hybridisähkökäyttöisiä propulsiojärjestelmiä kehitetään parhaillaan alueellisiin ja lyhyen matkan ilma-aluksiin, jotta suorat hiilidioksidipäästöt voitaisiin poistaa lennon aikana. NASA. X-57 Maxwell-demonstrator ja Alice-e-lennokki Eviationista ovat varhaisia esimerkkejä. Vaikka nykyiset akun energiatiheyden raja-arvot ovatkin olemassa, hybridiarkkitehtuurit . Sähkömoottorilla varustetun kaasuturbiinin yhdistäminen voi vähentää polttoaineen kulutusta 30.40 prosentilla lyhyillä lennoilla. Prattt & Whitney, Rolls-Royce ja GE tutkivat kaikki hybridisähköisiä konsepteja. EU:n lentopatteri 2050 ja US...

Kestävät ilmailupolttoaineet

Kestävät ilmailupolttoaineet.Jäteöljyistä, yhdyskuntajätteestä, maatalousjätteistä tai vihreän vedyn avulla syntetisoiduista ja hiilidioksidin talteenotetuista jäämistä peräisin olevat tai niistä valmistetut maatalousjätteet tarjoavat ratkaisulle, joka voi vähentää hiilidioksidipäästöjä jopa 80 prosenttia verrattuna tavanomaiseen lentopolttoaineeseen. Moottorit, jotka on sertifioitu toimimaan jopa 50 prosentin SAF-sekoituksilla, ja valmistajat työskentelevät kohti 100% SAF-yhteensopivuutta. Esimerkiksi Airbus A350 -kalusto on suorittanut menestyksekkäästi 100% SAF-testilentoja Rolls-Royce Trent XWB -moottorilla. Sääntelykannustimet, kuten Yhdysvaltain Blenders-verohyvitykset ja EU:n RefuelEU-ilmailuvaltuutuksen mukaan, vaativat SAF-sekoitussuhteiden lisäämistä, moottorikehittäjiä optimoimaan polttoainejärjestelmiä, hylkeitä ja polttotoimintaa.

Moottorin tehokkuuden parantaminen aerodynamiikan ja termodynamiikan avulla

Materiaalien ja arkkitehtuurin lisäksi määräykset ovat kannustaneet aerodynaamisia ja termodynaamisia hienosäätöjä. Suuremmat ohitussuhteet (nykyisten moottoreiden osalta 12:1) lisäävät propulsiivista tehokkuutta siirtämällä enemmän ilmaa pienemmällä nopeudella. Edistynyt laskennallinen nestedynamiikka (CFD) mahdollistaa optimoidut terämuodot, joiden loisvedyn vähentäminen. Kompressorien ja turbiinien vaihteleva geometria mahdollistaa moottorin toiminnan huipputehokkuudella laajemmassa toiminta-alueella. Lisäksi lisäainevalmistuksella (3D-tulostus) mahdollistetaan monimutkaiset sisäiset jäähdytyskanavat turbiinin lavoissa, lämmönsiirron parantaminen ja korkeampien polttolämpötilojen salliminen ilman NOx-muodostusta. Nämä lisähyötyjen yhdistelmät tuottavat 1.... 2%:n vuotuisen polttoaineen polton parannukset, jotka ovat tarpeen pitkän aikavälin sääntelytavoitteiden saavuttamiseksi.

Haasteet ja tulevaisuudennäkymät

Näistä innovaatioista huolimatta sääntelyn noudattaminen on täynnä teknisiä ja taloudellisia esteitä. Uusien moottoriohjelmien kehityskustannukset ovat miljardeja dollareita ja sertifiointien aikajanat ulottuvat vuosikymmeneen. Korkean lämpötilan materiaalit ja CMC:t ovat edelleen kalliita tuottaa, ja SAF:n tuotannon laajentaminen vastaamaan ennustettua kysyntää edellyttää suuria pääomainvestointeja. Nykyiset SAF-toimitukset kattavat alle 0,1 prosenttia maailmanlaajuisesta lentopetrolin kulutuksesta. Lisäksi vetypoltto- ja polttoainekennoteknologiat, vaikka lupaavat, kohtaavat varastointi- ja infrastruktuurihaasteet, joita ei ratkaista nopeasti.

ICAOn CORSIA-komitea on siirtymässä vapaaehtoisesta pakolliseen vaiheeseen, ja 55-pakettiin perustuvassa EU:n Fit for 55 -paketissa ehdotetaan tiukempia CO2-standardeja ja uusien fossiilisten polttoaineiden käyttöön perustuvien lentokoneiden tehokasta kieltämistä vuoteen 2035 mennessä. Moottorinvalmistajat vastaavat aggressiivisiin etenemissuunnitelmiin: Rolls-Royce-ohjelman tavoitteena on nettopäästöjen nolla-arvon saavuttaminen vuoteen 2050 mennessä SAF-, vety- ja hybridisähkökäyttöisten propulsiolaitteiden yhdistelmän avulla. Prattt & Whitney-ohjelman GTF Advantage-moottorin tavoitteena on osoittaa 20 prosentin tehokkuus parantumista nykyisiin moottoreihin verrattuna 2020-luvun puolivälissä käyttäen edelleen avointa tuulettimien arkkitehtuuria ja kehittynyttä lämmönhallintaa.

Ilmastonmuutoksen sisällyttäminen suihkumoottorien kehittämiseen ei ole pelkästään vaatimusten noudattamista koskeva toimenpide, vaan se on katalysaattori perustavanlaatuiselle teknologiselle muutokselle. Kun toimintapolitiikoista tulee entistä tiukempia, ilmailu- ja avaruusala jatkaa innovatiivisuuttaan ja etenee kohti tulevaisuutta, jossa ilma-alusten hiilidioksidipäästöt ja NOx-päästöt matkustajakilometriä kohti ovat huomattavasti pienemmät. Tämä kehitys on välttämätöntä Pariisin sopimuksessa esitettyjen maailmanlaajuisten ilmastotavoitteiden saavuttamiseksi ja sen varmistamiseksi, että ilmailu voi kasvaa kestävästi tulevina vuosikymmeninä.

Ilman sitä kannustimet eivät olisi yhtäpitäviä perustettaessa investointeja radikaaleihin uusiin arkkitehtuuriin ja polttoaineisiin.

Ks. -ICAO CORSIA-sivulta US-energiaministeriön SAF-katsaus ja -Rolls-Royce-netto-nolla-e-suunnitelma[. Lisäselvityksiä päästönormeista löytyy Euroopan unionin lentoturvallisuusviraston ympäristösivuilta.].