Новый взгляд на экономию топлива: пять технологических новинок

Меньше двух литров топлива за километр полета не очень похоже на большую экономию, но для летных транспортных средств, перевозящих сотни пассажиров на большой высоте, это предполагает огромный прогресс в эффективности

Самолеты авиакомпаний США, работающие на реактивных двигателях, теперь на внутренних рейсах расходуют в среднем 1 галлон топлива на 0,54 мили (1 литр на 0,23 километра), что говорит о росте экономии топлива примерно на 40% с 2000 года. Определенный прогресс достигнут и в сфере экономии в работе более тяжелых реактивных самолетов, выполняющих международные рейсы: сегодня они расходуют 1 галлон на 0,27 мили (1 литр на 0,12 километра), что говорит о росте экономии на 17% с указанного периода.

И все же есть необходимость двигаться дальше.

Согласно одному из прогнозов, выброс диоксида углерода (СО₂) от двигателей самолетов в атмосферу, сегодня составляющий лишь 2-3% всех выбросов СО₂, учитывая темпы развития современной авиационной промышленности, к 2050 году может подскочить до 500%. Уже сегодня у большинства американских авиакомпаний расходы на топливо превзошли расходы на оплату труда работников, став, таким образом, самой большой статьей растрат. Эта цифра составила в прошлом году около 47,3 миллиарда долларов. Как альтернативный вариант владельцам компаний предлагается специальное возобновляемое реактивное топливо, но оно сегодня стоит гораздо дороже.

Вот почему мир авиации пристально наблюдает за новинками в сфере технологий, форм и материалов, которые способны помочь авиакомпаниям значительно уменьшить расходы, как это произошло в случае с 787 Dreamliner компании Boeing, который в январе был назван одним из самых экономичных в мире коммерческих авиалайнеров. Dreamliner потребляет на 20% меньше топлива за милю, чем Boeing 767 аналогичного размера. Такой эффект был достигнут главным образом за счет улучшенной аэродинамики и использования легких композитных материалов.

Свою роль в повышении экономии сыграл и мощный литий-ионный аккумулятор, сокращающий вес самолета за счет замены некоторых механических компонентов электроникой. Однако с самолетами, в которых он был установлен, произошло два неприятных инцидента: один – на взлетно-посадочной полосе в Бостоне, когда аккумулятор перегрелся, и второй – в Японии, когда аккумулятор загорелся. Эти два случая вынудили компанию Boeing запретить эксплуатацию 50 самолетов Dreamliner. Сейчас компания занимается разработкой технологий, предупреждающих перегрев батарей. Разработчики планируют переместить батареи в тяжелые стальные коробки, которые будут располагаться снаружи самолета.

Недавно Федеральная авиационная администрация США одобрила планируемые новшества, и самолеты Dreamliner, как ожидается, вернутся в воздух в ближайшее время. А Американский национальный совет по безопасности транспорта проводит расследование по перегреву батарей.

Итак, лайнер мечты возвращается в небо, а тем временем разработано пять новых технологий, которые помогут сделать значительные шаги в плане экономии топлива. Некоторые из них будут реализованы буквально в ближайшие месяцы.

Двигатель с дополнительными вентиляторами

Разработчики двигателей из Pratt & Whitney, подразделения United Technologies, пытались решить вопрос радикально, добавив к двигателю еще один вентилятор. После установки дополнительного вентилятора приводная система двигателя сокращает потребление топлива на 16%. «Это полностью меняет правила игры», – так комментирует новинку профессор аэрокосмической инженерии авиационного университета Эмбри-Риддл во Флориде Магди Аттия.

Инновационный двигатель PurePower компании Pratt & Whitney. Фото с сайта purepowerengine.com

Композитная керамика

В то время как представители фирмы Pratt собирались значительно изменить конструкцию самолета с целью повысить эффективность реактивных двигателей, другие разработчики сосредоточились на совершенствовании материалов, обратив особое внимание на те, которые сгорают быстрее. Действительно, сегодня более перспективным способом повысить эффективность двигателя самолета считается установка системы сжигания топлива и воздушной смеси внутри камеры сгорания турбовентиляторных реактивных двигателей при более высоких температурах, чем разработка сплавов на основе никеля, которые способны выдержать высокую температуру. Однако здесь возникла проблема.

«Мы достигли термодинамического предела, – объясняет Роберт О. Ричи, специалист по материалам из Национальной лаборатории департамента энергетики США Лоуренса Беркли в Калифорнии. Исследователи достигли температуры примерно в 1150 градусов Цельсия. – Если мы поднимем температуру еще выше, лопасти турбины двигателя начнут буквально таять».

Поэтому в поисках нужных материалов исследователи обратились к…. керамике.

«Некоторые детали двигателей, в том числе турбинные лопасти, имеют керамическое покрытие, однако это не идеальное решение, потому что покрытия могут расколоться, что, безусловно, снижает эффективность лопастей, – говорит Ричи. – Однако керамические детали способны выдерживать температуру 1300-1500 градусов Цельсия».

Любой, кто видел, как падает чашка, понимает, что керамика хрупкая. Металлы, напротив, обладают пластичностью: они гнутся. Специалисты по материалам разработали композитный, усиленный керамикой, материал, добавив ему и прочности, и пластичности.

Сегодня очень мало известно о композитной керамике, в том числе точно неизвестно, как лучше ее производить и как улучшить ее свойства.

Ричи прогнозирует, что в течение 5-10 лет двигатели коммерческих реактивных самолетов будут оснащены значительным количеством деталей, состоящих исключительно из керамических композитов, что позволит повысить температуру в двигателях на несколько сотен градусов Цельсия. «Более того, повышение эффективности использования топлива будет обеспечивать дальнейшее совершенствование, потому что керамические изделия уменьшат вес двигателя на 10-30%. Это поистине революционная технология», – говорит Ричи.

«Двойной пузырь»

Может ли изменение формы фюзеляжа, главного трубоподобного тела самолета, увеличить экономию топлива?

Исследователи Массачусетского технологического института считают, что можно. В рамках проекта, финансируемого NASA, команда МТИ разработала концепцию под названием «двойной пузырь», которая, по существу, объединяет два фюзеляжа в один. В новой конструкции также имеются два двигателя, расположенных сзади. По словам специалиста NASA Рика Вахлса, новая форма позволяет несколько приподнять фюзеляж, а не только крылья, что дает возможность оборудовать самолет гораздо более тонкими и легкими крыльями, выполненными из материалов нового поколения.

Кроме того, задние двигатели поглощают воздушный поток пограничного слоя, помогая самолету тормозить. В итоге новая конструкция позволит двигателям использовать меньше топлива, а тяга останется прежней.

Летящее крыло

Представьте себе коммерческий рейс самолета, по внешнему виду напоминающего стелс-бомбардировщик B-2.

Авиационным инженерам давно известно, что силуэт схемы «летящего крыла», также известный как «смешанное крыло», является высокоэффективной формой для летательных аппаратов. Это улучшает подъемную силу и аэродинамическую перспективу. Однако сигарообразный фюзеляж, с которым мы все знакомы, легче проектировать, он лучше противостоит внешним силам, сохраняя при этом давление в кабине. А построить самолеты со смешанными крыльями с использованием традиционных материалов было бы очень тяжело. Однако создать смешанные самолеты с использованием легких композитных материалов Boeing помогает NASA.

«Смешанное крыло». Фото с сайта nasa.gov

Совместный проект проводился в течение шести лет и завершился только в этом месяце. В ходе проекта проводились испытания беспилотных смешанных самолетов. Было разработано специальное смешанное крыло, каркасом которого служит легкий углерод-композитный стержень, а покрытие выполнено из соединенных вместе углеродных волокон, покрытых для жесткости эпоксидной пленкой. Такие материалы позволяют сделать крыло более легким и устойчивым к повреждениям.

Высокоскоростной теплообменник

С выходом на пенсию Concorde в 2003 году в эксплуатации не осталось ни одного гражданского самолета, способного преодолеть скорость звука. Этот недочет попытались устранить в Великобритании, где внимание специалистов компании Britain's Reaction Engine обратилось к созданию космического самолета Skylon, способного перенести нас в любую точку на Земле не более чем за четыре часа полета.

Новый концепт двигателя от Britain's Reaction Engine. Фото с сайта reactionengines.co.uk

Двигатель этого самолета, по словам разработчиков, будет работать как реактивный двигатель в атмосфере или как ракета в космосе, позволяя преодолевать скорость звука. В данном случае воздух должен быть сжат перед попаданием в активную зону реактора, чтобы достичь температуры, способной плавить металл, и, соответственно, очень высоких скоростей.

Чтобы реализовать поставленную задачу, был разработан специальный теплообменник предварительного охлаждения, имеющий спиральную матрицу труб, каждая из которых имеет толщину стенки только 27 микрометров, чтобы никоим образом не утяжелять его.

Теплообменник от Britain's Reaction Engine способен охлаждать воздух от 1000 до -150 градусов Цельсия в течение сотой доли секунды. Охлаждение происходит так быстро, что может вызвать обморожение, которое может блокировать двигатель. Однако компания также разработала технологию, которая предотвращает образование льда. В целях сохранения секрета новации сотрудники не раскрывают принцип работы системы. Однако сама технология была сертифицирована в конце прошлого года Европейским космическим агентством.

Эти невероятные технологии – не просто футуристические концепции. Это реальные инновации, которые мы сможем увидеть в реализации в самом ближайшем будущем.

Подготовлено по материалам National Geographic