เร็วขึ้น เงียบขึ้น สะอาดขึ้น - เครื่องยนต์อากาศยานใหม่
ปรากฎว่าเพื่อที่จะเปลี่ยนแปลงอย่างมากในการบิน คุณไม่จำเป็นต้องมองหาใบพัดใหม่ การออกแบบล้ำยุค หรือวัสดุในอวกาศ ก็เพียงพอที่จะใช้ระบบส่งกำลังทางกลที่ค่อนข้างง่าย ...
นี่เป็นหนึ่งในนวัตกรรมที่สำคัญที่สุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มอเตอร์เทอร์โบแฟนแบบมีเกียร์ (GTF) ช่วยให้คอมเพรสเซอร์และพัดลมหมุนด้วยความเร็วที่ต่างกัน เฟืองขับพัดลมหมุนด้วยเพลาพัดลม แต่แยกมอเตอร์พัดลมออกจากคอมเพรสเซอร์แรงดันต่ำและเทอร์ไบน์ พัดลมหมุนด้วยความเร็วที่ช้าลง ในขณะที่คอมเพรสเซอร์และเทอร์ไบน์แรงดันต่ำทำงานด้วยความเร็วที่สูงขึ้น โมดูลเครื่องยนต์แต่ละโมดูลสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด หลังจาก 20 ปีของ R&D และ R&D ที่ใช้เงินประมาณ 1000 พันล้านดอลลาร์ เทอร์โบแฟนตระกูล Pratt & Whitney PurePower PW2016G ได้เปิดดำเนินการเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา และได้รับการเปิดตัวอย่างหนาแน่นในเครื่องบินพาณิชย์ตั้งแต่ปี XNUMX
เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนสมัยใหม่สร้างแรงขับได้สองวิธี ประการแรก คอมเพรสเซอร์และห้องเผาไหม้อยู่ที่แกนกลาง ที่ด้านหน้ามีพัดลมซึ่งขับเคลื่อนด้วยแกนกลาง นำอากาศผ่านช่องบายพาสรอบแกนมอเตอร์ อัตราส่วนบายพาสคืออัตราส่วนของปริมาณอากาศที่ไหลผ่านแกนกลางต่อปริมาณอากาศที่ไหลผ่าน โดยทั่วไปแล้ว อัตราส่วนบายพาสที่สูงขึ้นหมายถึงเครื่องยนต์ที่เงียบกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และทรงพลังกว่า เครื่องยนต์เทอร์โบแฟนทั่วไปมีอัตราส่วนบายพาสที่ 9 ต่อ 1 เครื่องยนต์ Pratt PurePower GTF มีอัตราส่วนบายพาสที่ 12 ต่อ 1
ในการเพิ่มอัตราส่วนบายพาส ผู้ผลิตมอเตอร์จะต้องเพิ่มความยาวของใบพัดลม อย่างไรก็ตาม เมื่อยืดออก ความเร็วในการหมุนที่ปลายใบมีดจะสูงมากจนเกิดการสั่นสะเทือนที่ไม่ต้องการ คุณต้องใช้ใบพัดลมเพื่อชะลอความเร็ว และนั่นคือสิ่งที่กระปุกเกียร์มีไว้เพื่อ เครื่องยนต์ดังกล่าวสามารถสูงถึง 16 เปอร์เซ็นต์ตามข้อมูลของ Pratt & Whitney ประหยัดน้ำมันดีเยี่ยมและ 50 เปอร์เซ็นต์ ปล่อยไอเสียน้อยลงและเป็น 75 เปอร์เซ็นต์ เงียบ. เมื่อเร็ว ๆ นี้ SWISS และ Air Baltic ประกาศว่าเครื่องยนต์เจ็ทซีรีย์ GTF C ของพวกเขาใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าที่ผู้ผลิตสัญญาไว้
เครื่องยนต์ PW1100G-JM ในสายการผลิต
นิตยสาร TIME ยกให้เครื่องยนต์ PW1000G เป็นหนึ่งใน 50 สิ่งประดิษฐ์ที่สำคัญที่สุดของปี 2011 และเป็นหนึ่งในหกสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากที่สุด เนื่องจาก Pratt & Whitney PurePower ได้รับการออกแบบมาให้สะอาดกว่า เงียบกว่า ทรงพลังกว่า และใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่าเครื่องยนต์เจ็ทที่มีอยู่ ในปี 2016 Richard Anderson ซึ่งดำรงตำแหน่งเป็นประธานของ Delta Air Lines ได้เรียกเครื่องยนต์ดังกล่าวว่า "นวัตกรรมที่แท้จริงอย่างแรก" นับตั้งแต่ Dreamliner ของ Boeing ปฏิวัติโครงสร้างคอมโพสิต
การประหยัดและลดการปล่อยมลพิษ
ภาคการบินเชิงพาณิชย์ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มากกว่า 700 ล้านตันต่อปี แม้ว่าจะเป็นเพียงประมาณร้อยละ 2 การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทั่วโลก มีหลักฐานว่าก๊าซเรือนกระจกในเชื้อเพลิงเครื่องบินมีผลกระทบต่อบรรยากาศมากกว่าเมื่อปล่อยออกมาที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น
ผู้ผลิตเครื่องยนต์รายใหญ่กำลังมองหาการประหยัดเชื้อเพลิงและลดการปล่อยมลพิษ CFM International ซึ่งเป็นคู่แข่งของ Pratt เพิ่งเปิดตัวเครื่องยนต์ขั้นสูงของตนเองที่ชื่อว่า LEAP ซึ่งเจ้าหน้าที่ของบริษัทกล่าวว่าให้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันกับ turbofan แบบมีเกียร์โดยมีค่าใช้จ่ายของโซลูชั่นอื่นๆ CFM อ้างว่าในสถาปัตยกรรม turbofan แบบดั้งเดิม คุณประโยชน์เดียวกันนี้สามารถทำได้โดยไม่ต้องเพิ่มน้ำหนักและการลากของระบบส่งกำลัง LEAP ใช้วัสดุคอมโพสิตน้ำหนักเบาและใบพัดลมคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อให้เกิดการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ซึ่งบริษัทกล่าวว่าเทียบได้กับที่ทำได้ด้วยเครื่องยนต์ Pratt & Whitney
จนถึงปัจจุบัน คำสั่งซื้อเครื่องยนต์แอร์บัสสำหรับเครื่องบินรุ่น A320neo ถูกแบ่งอย่างเท่าๆ กันระหว่าง CFM และ Pratt & Whitney น่าเสียดายสำหรับบริษัทหลังนี้ มอเตอร์ PurePower กำลังสร้างปัญหาให้กับผู้ใช้ การปรากฏตัวครั้งแรกในปีนี้เมื่อมีการบันทึกการระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของเครื่องยนต์ GTF ใน Qatar Airways Airbus A320neo การระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้เกิดการเสียรูปและการเสียดสีของชิ้นส่วน และในขณะเดียวกันก็เพิ่มเวลาระหว่างเที่ยวบิน เป็นผลให้สายการบินสรุปว่าเครื่องยนต์ไม่ตรงตามข้อกำหนดในการปฏิบัติงาน หลังจากนั้นไม่นาน เจ้าหน้าที่การบินของอินเดียได้ระงับเที่ยวบินของเครื่องบินแอร์บัส A11neo จำนวน 320 ลำที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ PurePower GTF ตามรายงานของ Economic Times การตัดสินใจดังกล่าวมีขึ้นหลังจากเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วย Airbus GTF ประสบปัญหาเครื่องยนต์ขัดข้องสามครั้งในช่วงสองสัปดาห์ Pratt & Whitney มองข้ามปัญหาเหล่านี้โดยบอกว่าพวกเขาเอาชนะได้ง่าย
พัดลมแอร์บัส
ยักษ์ใหญ่อีกรายหนึ่งในสาขาเครื่องยนต์อากาศยาน โรลส์-รอยซ์ กำลังพัฒนา Power Gearbox ของตัวเอง ซึ่งภายในปี 2025 จะลดการใช้เชื้อเพลิงในเทอร์โบแฟนขนาดใหญ่ลง 25% เมื่อเทียบกับรุ่นเก่าในกลุ่มเครื่องยนต์เทรนต์ที่รู้จักกันดี แน่นอนว่านี่หมายถึงการแข่งขันการออกแบบใหม่ของ Pratt & Whitney
ชาวอังกฤษกำลังคิดเกี่ยวกับนวัตกรรมประเภทอื่นๆ ด้วย ในช่วงงาน Singapore Airshow ครั้งล่าสุด โรลส์-รอยซ์ได้เปิดตัว IntelligentEngine Initiative ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาเครื่องยนต์อากาศยานอัจฉริยะที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากขึ้นผ่านความสามารถในการสื่อสารระหว่างกันและผ่านเครือข่ายสนับสนุน ด้วยการสื่อสารแบบสองทางอย่างต่อเนื่องกับเครื่องยนต์และส่วนอื่นๆ ของระบบนิเวศบริการ เอ็นจิ้นจะสามารถแก้ปัญหาได้ก่อนที่จะเกิดขึ้นและเรียนรู้วิธีปรับปรุงประสิทธิภาพ พวกเขายังจะได้เรียนรู้จากประวัติการทำงานและเครื่องยนต์อื่นๆ ของพวกเขา และโดยรวมแล้วพวกเขาจะต้องซ่อมแซมตัวเองในระหว่างการเดินทาง
ไดรฟ์ต้องการแบตเตอรี่ที่ดีกว่า
วิสัยทัศน์ด้านการบินของคณะกรรมาธิการยุโรปในปี 2050 เรียกร้องให้ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์2 ร้อยละ 75 ไนโตรเจนออกไซด์ร้อยละ 90 และเสียงรบกวนร้อยละ 65 ไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ ปัจจุบันระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าและไฮบริดไฟฟ้าถูกมองว่าเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่จะตอบสนองความท้าทายเหล่านี้
มีเครื่องบินไฟฟ้าแบบสองที่นั่งในตลาด ยานพาหนะไฟฟ้าไฮบริดสี่ที่นั่งอยู่บนขอบฟ้า NASA คาดการณ์ว่าในช่วงต้นทศวรรษที่ 20 เครื่องบินโดยสาร 2030 ที่นั่งระยะสั้นประเภทนี้จะนำบริการด้านการบินกลับสู่ชุมชนเล็กๆ ทั้งในยุโรปและสหรัฐอเมริกา นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าภายในปี 100 มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างเครื่องบินไฮบริดไฟฟ้าที่มีความจุสูงสุด XNUMX ที่นั่ง อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านการจัดเก็บพลังงาน
ปัจจุบันความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ยังไม่เพียงพอ อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ Elon Musk หัวหน้าของเทสลากล่าวว่าเมื่อแบตเตอรี่สามารถผลิตไฟฟ้าได้ 400 วัตต์ต่อชั่วโมงต่อกิโลกรัม และอัตราส่วนของพลังงานเซลล์ต่อน้ำหนักรวมคือ 0,7-0,8 สายการบินไฟฟ้าข้ามทวีปจะกลายเป็น "ทางเลือกที่ยาก" เมื่อพิจารณาว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานที่ 113 Wh/kg ในปี 1994, 202 Wh/kg ในปี 2004 และตอนนี้สามารถเข้าถึงพลังงานได้ประมาณ 300 Wh/kg สันนิษฐานได้ว่าภายในทศวรรษหน้า จะถึงระดับ 400 Wh/กก.
โครงการ คิตตี้ ฮอว์ก แอร์แท็กซี่ไฟฟ้า XNUMX ที่นั่ง
Airbus, Rolls-Royce และ Siemens ได้ร่วมมือกันพัฒนาเครื่องสาธิตการบิน E-Fan X ซึ่งจะเป็นก้าวสำคัญในการขับเคลื่อนเครื่องบินพาณิชย์แบบไฮบริด การสาธิตเทคโนโลยีไฟฟ้าไฮบริด E-Fan X ที่คาดว่าจะเป็น -Fan X จะบินในปี 2020 หลังจากแคมเปญทดสอบภาคพื้นดินอย่างกว้างขวาง ในระยะแรก BAe 146 จะแทนที่หนึ่งในสี่เครื่องยนต์ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าขนาด XNUMX เมกะวัตต์ ต่อจากนั้น มีการวางแผนที่จะแทนที่กังหันที่สองด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าหลังจากแสดงให้เห็นถึงความสมบูรณ์ของระบบ
แอร์บัสจะรับผิดชอบในการรวมระบบโดยรวม เช่นเดียวกับสถาปัตยกรรมขับเคลื่อนไฟฟ้าแบบไฮบริดและการควบคุมแบตเตอรี่ และการรวมเข้ากับระบบควบคุมการบิน โรลส์-รอยซ์จะรับผิดชอบด้านเครื่องยนต์กังหันก๊าซ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า XNUMX เมกะวัตต์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง โรลส์-รอยซ์จะทำงานร่วมกับแอร์บัสในการปรับพัดลมให้เข้ากับหน้าปัดและมอเตอร์ไฟฟ้าของซีเมนส์ที่มีอยู่ ซีเมนส์จะจัดหามอเตอร์ไฟฟ้าขนาด XNUMX เมกะวัตต์และตัวควบคุมกำลังไฟฟ้า เช่นเดียวกับอินเวอร์เตอร์ คอนเวอร์เตอร์ และระบบจำหน่ายไฟฟ้า
ศูนย์วิจัยหลายแห่งทั่วโลกกำลังทำงานเกี่ยวกับเครื่องบินไฟฟ้า รวมถึง NASA ซึ่งกำลังสร้าง X-57 Maxwell โครงการแท็กซี่อากาศสองที่นั่งแบบไฟฟ้าคิตตี้ ฮอว์ก และโครงสร้างอื่นๆ มากมายของศูนย์ขนาดใหญ่ บริษัท หรือสตาร์ทอัพขนาดเล็กก็กำลังได้รับการพัฒนาเช่นกัน
เนื่องจากอายุการใช้งานเฉลี่ยของเครื่องบินโดยสารและเครื่องบินบรรทุกสินค้าอยู่ที่ประมาณ 21 และ 33 ปี ตามลำดับ แม้ว่าเครื่องบินใหม่ทั้งหมดที่ผลิตในวันพรุ่งนี้จะเป็นเครื่องบินไฟฟ้าทั้งหมด แต่ก็ต้องใช้เวลาสองถึงสามทศวรรษในการเลิกใช้เครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล
จึงไม่สามารถทำงานได้อย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกัน เชื้อเพลิงชีวภาพสามารถทำให้สิ่งแวดล้อมในภาคการบินสว่างขึ้นได้ ช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ 36-85 เปอร์เซ็นต์ แม้ว่าส่วนผสมของเชื้อเพลิงชีวภาพสำหรับเครื่องยนต์เจ็ทจะได้รับการรับรองในปี 2009 แต่อุตสาหกรรมการบินก็ไม่ต้องรีบดำเนินการเปลี่ยนแปลง มีอุปสรรค์ทางเทคโนโลยีและความท้าทายบางประการที่เกี่ยวข้องกับการนำการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพไปสู่ระดับอุตสาหกรรม แต่อุปสรรคหลักคือราคา ซึ่งต้องใช้เวลาอีกสิบปีกว่าจะบรรลุถึงความเท่าเทียมกับเชื้อเพลิงฟอสซิล
ก้าวเข้าสู่อนาคต
ในเวลาเดียวกัน ห้องปฏิบัติการกำลังทำงานเกี่ยวกับแนวคิดเครื่องยนต์อากาศยานที่ค่อนข้างล้ำสมัย ตัวอย่างเช่น จนถึงตอนนี้ พลาสม่าเอ็นจิ้นไม่ได้ให้เสียงที่เหมือนจริงมากนัก แต่ไม่สามารถตัดออกได้ว่างานทางวิทยาศาสตร์จะพัฒนาเป็นสิ่งที่น่าสนใจและมีประโยชน์ พลาสมาแรงขับดันใช้ไฟฟ้าเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า พวกมันบีบอัดและกระตุ้นก๊าซ เช่น อากาศหรืออาร์กอน ให้กลายเป็นพลาสมา—สถานะร้อน หนาแน่น และแตกตัวเป็นไอออน การวิจัยของพวกเขาตอนนี้นำไปสู่แนวคิดของการปล่อยดาวเทียมในอวกาศ (ion thrusters) อย่างไรก็ตาม Berkant Goeksel จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเบอร์ลินและทีมของเขาต้องการนำเครื่องขับดันพลาสม่าบนเครื่องบิน
วัตถุประสงค์ของการศึกษานี้คือเพื่อพัฒนาเครื่องยนต์พลาสม่าไอพ่นที่ใช้ได้ทั้งการบินขึ้นและบินในระดับสูง โดยทั่วไปแล้วพลาสม่าไอพ่นได้รับการออกแบบให้ทำงานในบรรยากาศสุญญากาศหรือแรงดันต่ำซึ่งจำเป็นต้องใช้การจ่ายก๊าซ อย่างไรก็ตาม ทีมงานของ Göksel ได้ทดสอบอุปกรณ์ที่สามารถทำงานในอากาศที่ความดันบรรยากาศเดียวกันได้ "หัวฉีดพลาสม่าของเราสามารถเข้าถึงความเร็วสูงสุด 20 กิโลเมตรต่อวินาที" Göckel กล่าวในการประชุมชุด Journal of Physics
เครื่องยนต์ SABER ในรถยนต์ไฮเปอร์โซนิกแห่งอนาคต
ในการเริ่มต้น ทีมงานได้ทดสอบเครื่องขับดันขนาดเล็กที่มีความยาว 80 มม. สำหรับเครื่องบินขนาดเล็ก นี่จะมากเป็นพันสิ่งที่ทีมพิจารณาว่าเป็นไปได้ แน่นอนว่าข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดคือการไม่มีแบตเตอรี่น้ำหนักเบา นักวิทยาศาสตร์กำลังพิจารณาเครื่องบินไฮบริด ซึ่งเครื่องยนต์พลาสม่าจะถูกรวมเข้ากับเครื่องยนต์สันดาปภายในหรือจรวด
เมื่อเราพูดถึงแนวคิดเครื่องยนต์ไอพ่นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ อย่าลืม SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) ที่พัฒนาโดย Reaction Engines Limited สันนิษฐานว่านี่จะเป็นเครื่องยนต์ที่ทำงานทั้งในบรรยากาศและในสุญญากาศโดยใช้ไฮโดรเจนเหลว ในระยะเริ่มต้นของการบิน ตัวออกซิไดเซอร์จะเป็นอากาศจากชั้นบรรยากาศ (เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ไอพ่นทั่วไป) และจากความสูง 26 กม. (ซึ่งเรือมีความเร็วถึง 5 ล้านปี) - ออกซิเจนเหลว หลังจากเปลี่ยนเป็นโหมดจรวดแล้วจะมีความเร็วสูงสุดถึง 25 มัค
HorizonX ซึ่งเป็นหน่วยงานด้านการลงทุนของ Boeing ที่เกี่ยวข้องกับโครงการนี้ ยังไม่ได้ตัดสินใจว่า SABER สามารถใช้มันได้อย่างไร ยกเว้นแต่คาดว่าจะ "ใช้เทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการเพื่อช่วย Boeing ในการแสวงหาเที่ยวบินที่มีความเร็วเหนือเสียง"
RAMJET และ scramjet (เครื่องยนต์ไอพ่นความเร็วเหนือเสียงพร้อมห้องเผาไหม้) เป็นที่โปรดปรานของบรรดาแฟนๆ ของการบินความเร็วสูงมาอย่างยาวนาน ปัจจุบันมีการพัฒนาเพื่อวัตถุประสงค์ทางทหารเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม ตามที่ประวัติศาสตร์การบินสอน สิ่งที่จะทดสอบในกองทัพจะตกเป็นของการบินพลเรือน ทั้งหมดก็ต้องใช้ความอดทนเพียงเล็กน้อย
วิดีโอเครื่องยนต์อัจฉริยะของโรลส์รอยซ์:
โรลส์-รอยซ์ | นวัตกรรมใน IntelligentEngine
