Розуміння загрози гібридних електродвигунів

Гібридні електромобілі літаки представляють собою життєздатний зсув в авіаційній пропорції, що збільшує надійність традиційних реактивних двигунів з ефективністю електричної енергії. На самому серці цієї трансформації лежить -rust]— фундаментальна сила, яка приводить літак вперед. Без ретельного управління тягаром гібридні системи не можуть досягати продуктивності, безпеки і екологічних переваг, які обіцяють. У цій статті досліджується, як тяга формує розвиток гібридних електродвигунів, від базових принципів для обрізання інновацій.

Що таке горта і чому?

Thrust - це механічна сила, що генерується двигуном, щоб подолати перетягування та пропелити літак через повітря. У плані Ньютона це реакція на прискорення маси повітря (або витяжних газів) в протилежному напрямку подорожі. Для струменевих двигунів, тяга походить від вибуху гарячих газів на високій швидкості; для електропрогуляції, вона виробляється шляхом обмотування пропелера або продувного вентилятора через електродвигун. Температурна потужність триста залежить від фази польоту: зліт вимагає найвищої тяги, підйом вимагає міцної потужності, а круїз вимагає ефективного, меншого тягу. У гібридних конструкціях [L: 1FT]

Архітектура гібридної електрики

Гібридні електродвигуни зазвичай класифікуються в серії і паралел]] конфігурацій. У серії гібрид, газова турбіна або поршня двигун приводів генератора, який заряджає акумулятори; електродвигуни окремо забезпечують тягу. Паралельно гібридні, як тепловий двигун, так і електродвигуни можуть безпосередньо сприяти тягу, часто через редуктор. Третій варіант, турбоелектричний дизайн, використовує турбіну тільки для створення електроенергії, без прямого механічного з'єднання до вентилятора.

Управління загрозою в серії проти паралельних систем

  • => Профіль гібрида тяги: Всі пропуляції надходить від електродвигунів, тому тяга обмежена моторною потужністю і розрядом акумуляторів. Цей контроль спрощує, але вимагає великого зберігання енергії.
  • Parallel гібридний триплексний профіль: Обидва джерела можуть поєднуватися з піковою тягаркою під час зльоту, потім тепловий двигун може бути негабаритним або вимкненим під час круїзу, знизивши паливний паль.
  • Turboелектричний тягач-профіль:] Турбіна працює на оптимальній швидкості, незалежно від швидкості вентилятора, що дозволяє вентиляторам високої ефективності, але вага системи та термоменеджмент стають критичними.

Інженери повинні розробляти системи управління тягарами, які , безперечно перехід] між джерелами живлення без відсмоктування зворотного зв'язку або безпеки польоту. Це включає в себе складні алгоритми управління та високошвидкісну електромережу.

Основні виклики розвитку загроз

1. Потужність щільності і ваги

Електричні двигуни сьогодні пропонують відмінне крутне момент, але їх співвідношення до ваги все ще причепи газові турбіни. Для узгодження тяги звичайного турбопана, мотори та батареї повинні бути неймовірно легковагою. Кожен кілограм пропульсної системи додає до маси літака, що вимагає більшої кількості тяги, щоб піднімати його - висхідний цикл. Дослідники просушуються для 10-15 кВт/кг] моторні денції з використанням сучасних матеріалів і кріогенного охолодження.

2. Термічне управління

Електричні двигуни та акумулятори генерують тепло під час високорослі операції, особливо при зльоті. На відміну від згоряння палива, тепло від електричних втрат необхідно відхиляти через системи охолодження, які додають вагу і перетягування. Ефективне термічне управління є важливим для забезпечення тяги без перегріву. Деякі концепції використовують паливні або фазо-змінні матеріали як радіатори.

3. Тарифи на розряд акумулятора

Потрібні вимоги не є постійними: зліт може знадобитися 2–3 рази круїзна потужність протягом декількох хвилин. Баттерії повинні бути здатні високих C-rates (розрядні ставки відносно ємності) без напруги провисання або теплового ходу. Високопотужний літій-іон і виявляються твердотільні батареї розроблені для задоволення цих вимог транзистора.

4. Пропелер і фанів дизайн

Електродвигуни можуть обертати на значно вище RPM, ніж традиційні двигуни, що дозволяють меншим, більш легкому пропелери або вентиляторам. Однак високий RPM підвищує шум і знижує ефективність завдяки обмеженням швидкості наконечника. Пропелери, багатошарові відкриті ротори, а також гранично-шарові інжекторні вентилятори навчаються для оптимізації тяги по всіх етапах польоту.

Технології Водіння Поліпшення

Електродвигуни високої ефективності

Постійні магнітні синхронні двигуни (PMSM) з rare-earth магніти досягнення ефективності над 95% і крутного моменту за 20 Nm / кг. Axial-flux моторні топології особливо перспективні для аерокосмічної, оскільки вони можуть бути інтегровані в в продувні вентилятори або пропелери з мінімальною довжиною осьового. Компанії, такі як Rolls-Royce], є тест-двигуни в класі мегават для регіональних літаків.

Розширена електромережа

Для модуляції тяги плавно, інвертори та перетворювачі повинні обробляти високі напруги (800 В до 1000 В) з низькими втратами перемикання. Silicon carbide (SiC) і глієва нітрид (GaN) напівпровідники] дозволяють швидше перемикання і зменшити вимоги охолодження. Ці компоненти мають вирішальне значення для підтримки якості потужності при швидкому перепаді.

Розподілена електрична пропульсія (DEP)

DEP використовує декілька невеликих електропрокладок (наприклад, вісім до десятка) розподілених вздовж крильця або фюзеляжу. Ця конфігурація може збільшити аеродинамічну ефективність, подаючи повітря над крилами поверхнями, поліпшення підйому на низьких швидкостях і зменшення тяги, необхідної для зльоту. Проект НАСА X-57 Maxwell запроваджує цей підхід, використовуючи криптіпропелери для зменшення індукованого перетягування.

Системи управління гібридами

Сучасні пристрої керування рейсами тепер інтегруються , що працюють в цифровому двигуні, що працюють у мережі з системами керування акумуляторами. Ці контролери координують тягу з обох джерел, оптимізують споживання палива, здоров'я батареї або зниження шуму. Інженерні алгоритми навчання досліджуються, щоб прогнозувати попит тяги на основі фази польоту і погодних умов.

Нормативно-сертифікаційні гонди

Продуктивність в гібридному літаку повинна відповідати тим же суворим стандартам сертифікації як звичайні двигуни (наприклад, FAA Part 33, EASA CS-E). Це включає демонстрацію , час реагування на невірність, режими збою та керованість під час одностороннього сценаріїв]. Оскільки гібридні системи передбачають високу електрику та комплексне програмне забезпечення, розроблені нові засоби відповідності. Регулятори працюють з групами, такими як SAE International для створення стандартів для систем електропрогуляції.

Майбутнє Outlook: Next-Generation Thrust Solutions

Системи кріогенних і надпровідних систем

Охолоджувальні електродвигуни та силові кабелі для кріогенних температур (наприклад, 77 К з використанням рідкого азоту) дозволяють надпровідність, різко підвищуючи точну щільність та зменшуючи витрати електроенергії. Це може призвести до ultra-high power densities (20–30 кВт / кг) з мінімальним відхиленням тепла. НАСА Advanced Air Transport Technology Project - слідуючі надпровідні машини для майбутнього гібридно-електричних літаків.

Гідрогенні паливні елементи як діапазони

Для більш тривалого гібридного літака водне паливо клітини можуть виступати як розширювачі діапазону, забезпечуючи електричну потужність для круїзного тягу без важких батарей. Паливні клітини виробляють воду як побічні продукти і мають високу специфічну енергію (кВт / кг) порівняно з батареями. Однак потужність паливних елементів все ще недостатньо для зльоту тяги, тому гібридне поєднання з батареями або газовою турбіною залишається необхідним.

Системи асистента високого тиску

Наземна електродомог допомога (наприклад, тВт трактори або пускові вбудовувані індукційні котушки) може зменшити тягу на борту, необхідний для зльоту, що дозволяє меншим моторам і батареям. Ця концепція є дослідженням для електронавантажувача, потенційно дозволяючи / камеро-випускних зльотів і висадок, при цьому гібридні двигуни ручать круїз.

Висновок

Роль тяги в гібридних електромобілях поширюється далеко за простою пропульсністю. Вона диктує архітектуру силового навантаження, системи зберігання енергії, термоменеджменту, а також навіть крилової макети. Як технології заздалегідь - від високоточних моторів до надпровідних кабелів - енгенерів стабільно перезбавляються історичного торгово-офісного між потужністю і вагою. Вдале інтеграція тяги від теплових і електричних джерел буде визначати, чи гібридна електрика може зустрітися з обіцянками зниження викидів, шуму, споживання палива. Продовжені дослідження та співпраця по аерокосмічному, енергетичному, електротехнічному та електронному секторах є важливими, щоб зробити ці комерційні реалії в наступних комерційних деках.