ハイブリッド電気航空機エンジンにおけるスラストの理解

ハイブリッド電気機エンジンは、航空推進におけるピボタルシフトを表し、従来のジェットエンジンの信頼性を電力効率で発揮します。この変化の核心は、の推力にあります。この基本力は、航空機の前進を促進します。推圧管理がなければ、ハイブリッドシステムは、性能、安全性、および環境上の利益を達成することはできません。この記事では、推力が、エンジンの原理からエンジンのメカニズムを解明する方法を説明します。

脅威とは何か、なぜそれが重要なのか?

推圧はエンジンによって生成される機械的力で、空気をドラッグ&プロペルを克服します。ニュートンの用語では、旅行の反対方向に空気(または排気ガス)の塊を加速する反応です。ジェットエンジンの場合、推圧は、高速でホットガスをexpellingから来ています。電気推進のために、電動モーターを介してプロペラまたはダクトファンをスピンすることによって生成されます。電力は、低速の電力を必要とします。[Franestは、各フェーズの電力を削減する必要があります。[Franestは、]は、最も高いレベルの要求を要求します。

ハイブリッド電気推進のアーキテクチャ

ハイブリッド電気エンジンは、通常[]シリーズ[と[]parallel]]の構成に分類されます。シリーズハイブリッドでは、ガスタービンまたはピストンエンジンは、電池を充電する発電機を駆動します。電動モーターは、単独で推圧を提供します。並列ハイブリッドでは、熱エンジンと電動モーターの両方が、ギアボックスを介して直接推圧に貢献できます。第三の変異体、は、電気モーターが、直接接続を生成しません[FLT]:[FLT]:[FLT]:]:[FLT]:]:[FLT:]は、機械的接続のみを生成しません。

シリーズ対並列システムにおける推論

  • ]シリーズハイブリッドスラストプロファイル:[すべての推進は電動モーターから来ていますので、スラストはモータ電力とバッテリー放電率によって制限されます。 これは、制御を簡素化しますが、大きなエネルギー貯蔵が必要です。
  • 並列ハイブリッドスラストプロファイル:[両方のソースは、離陸時にピークスラストと組み合わせることができます、そして、熱エンジンは、燃料燃焼を削減し、クルーズ中にダウンサイズまたはオフすることができます。
  • タービンは、ファン速度の独立で最適な速度で実行し、高効率ファンを有効にしますが、システムの重量と熱管理が重要になります。

エンジニアは、推圧応答や飛行安全を犠牲にすることなく、電源間で[[]をシームレスに移行を推圧管理システムを設計しなければなりません。 これは、洗練された制御アルゴリズムと高帯域幅電力電子機器を含みます。

脅威開発におけるコアチャレンジ

1. 力密度および重量

電動モーターは、今日は優れたトルクを提供していますが、そのパワーツー級比はまだガスタービンを追跡します。従来のターボファン、モーター、バッテリーの推圧に合わせて、信じられないほど軽量でなければなりません。推進システムの各キログラムは、航空機の質量に追加し、それを持ち上げるためにより推力を必要とする - 悪意のあるサイクル。研究者は[10-15 kW / kgモーターが、冷却材料を使用して、高度な冷却材料を高度な冷却します。

2. 熱管理

電動モーターやバッテリーは、特にテイクオフ時に、高推圧操作中に熱を発生させます。燃焼とは異なり、電気損失からの熱は、重量とドラッグを追加する冷却システムによって拒否されなければなりません。 [効率的な熱管理[]]は、過熱することなく、推圧を維持するために不可欠です。 いくつかのコンセプトは、ヒートシンクとして燃料または相変化材料を使用します。

3. 電池の排出率

推圧要求は定数ではありません: 離脱は2〜3回程度のクルーズ電力を数分で要求する場合があります。 バッテリーは、電圧のたるみや熱の暴走なしで高いCレート(容量の相対放電率)で使用できる必要があります。 []]高出力李イオンおよび新興ソリッドステートバッテリー[は、これらの過渡的な推圧要件を満たすために開発されています。

4. プロペラおよびファンの設計

電動モーターは従来のエンジンよりもはるかに高い回転数で回転でき、より小型で軽量なプロペラやファンが利用できる。しかし、高い回転数がノイズを増加させ、チップ速度制限による効率性を低下させる。 []]可変ピッチプロペラ、マルチブレードオープン回転子、および境界層インゲクションファンは、すべての飛行フェーズで推圧を最適化するために研究されている。

脅威の改良を運転する技術

高効率電動モーター

永久磁石同期モーター(PMSM)とのレアアース磁石]は、95%以上の効率と20 Nm/kgを超えるトルク密度を達成します。軸線式モータートポロジーは、ダクトファンやプロペラに最小軸長さを組み込むことができるため、航空宇宙の特に有望です。 のような企業は、地域の航空機のクラス[FLT]を[FLT]に分類します。 [FLT:[FLT:]

先進電源電子

スムーズな推圧を調節するには、インバータとコンバーターは、低切換損失で高電圧(800 V〜1,000 V)を処理する必要があります。 []]]シリコンカーバイド(SiC)と窒化ガリウム(GaN)半導体[は、より高速な切り替えと冷却要件を削減することができます。 これらのコンポーネントは、迅速な推圧変化の間に電力品質を維持するために不可欠です。

分散型電気推進(DEP)

[DEPは、翼や胴体に沿って分布する複数の小さな電気推計(例えば、8〜数十)を使用します。 この構成は、翼面上の空気を吹くことによって、空力効率を増加させ、低速でリフトを改善し、離陸に必要な推力を減らすことができます。 NASAのX-57 Maxwellプロジェクトは、このアプローチを実行し、翼のプロペラを使用して、引き下げを削減します。

ハイブリッド制御システム

現代の飛行制御コンピュータは、バッテリー管理システムで []フル認証のデジタルエンジン制御(FADEC)[]を統合しました。 これらのコントローラは、両方のソースから推圧を調整し、燃料消費量、バッテリー健康、または騒音低減を最適化します。 機械学習アルゴリズムは、飛行フェーズと気象条件に基づいて推圧需要を予測するために探しています。

規制および認定ハルール

ハイブリッド航空機でのスラスト性能は、従来のエンジン(例えば、FAA Part 33、EASA CS-E)と同じ厳格な認証基準を満たしなければなりません。これは、推圧を実証するものです。1つのエンジンアウトシナリオで、応答時間、障害モード、および制御性を1回満たす必要があります。ハイブリッドシステムには、高電圧電力と複雑なソフトウェアが含まれているため、コンプライアンスの新しい手段が開発されています。規制機関は、電気[FLT]を[FLT]に変換する[FLT:]のようなグループで作業しています。

未来の展望:次世代の脅威ソリューション

低温および超伝導システム

冷媒温度(例えば、液体窒素を使用して77キロ)に電気モーターと電源ケーブルを冷却すると、過伝導性が大幅に増加し、電流密度を削減し、電気損失を減らすことができます。 これは、最小限の熱拒絶で[ultra-高出力密度[[ (20-30 kW/kg)につながる可能性があります。 NASAの先進的な航空輸送技術プロジェクト:]は、将来のハイブリッド機に装備されています]

水素燃料電池はレンジエクステンダーとして

ハイブリッド機では、水素燃料電池は、レンジエクステンダーとして機能し、重電池なしでクルーズスラストのための電力を供給することができます。燃料電池は副産物として水を生成し、電池と比較して高い比例したエネルギー(kWh/kg)を有する。しかし、燃料電池のの電力密度は、離脱推圧のためにまだ不十分である、従って電池またはガスタービンとのハイブリッドの組み合わせは必要です。

高推圧離脱支援システム

地上波式電動アシスト(牽引トラクターや滑走路埋め込み式誘導コイルなど)は、離陸に必要なオンボードの推圧を減らし、小型モーターやバッテリーを節約できます。このコンセプトは、電動短距離航空機向けに探索され、潜在的に]]を有効にします。 ハイブリッドエンジンはクルーズを処理します。

コンテンツ

ハイブリッド電気航空機エンジンの推圧の役割は、単純な推進を超えて遠くまで伸びます。それは、パワートレイン、エネルギー貯蔵システム、熱管理設計、およびウィングレイアウトのアーキテクチャを指示します。高密度モーターから超伝導ケーブルまで、技術の進歩として、エンジンは、電力と重量間の歴史的取引オフを着実に克服しています。両方の熱と電気供給源からの推圧の成功は、ハイブリッド電気航空が、次の燃料消費量とエネルギーを削減することができるかどうかを決定します。これらの研究は、これらのエネルギーとエネルギーを継続して、これらのエネルギーを削減し、これらのエネルギーを、エネルギーを削減します。