Je elektrické letadlo alternativou k modernímu letectví?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Moderní motor s plynovou turbínou (turbofan), který pohání vložky, samozřejmě není dvoutaktní chrastítko na zahradní nářadí, ale vysoce účinný a velmi spolehlivý stroj. Podle výrobců letadel se však blíží vyčerpání rezerv na další zlepšování.

Proč jsou tam motory - všechna dopravní letadla ve výstavbě jsou si tak podobná, že jen odborník na letectví okamžitě rozezná Boeing nebo Airbus od Bombardieru nebo MS-21. A ačkoliv není nejmenších pochyb o tom, že dopravní letadla moderního typu se dvěma motory s plynovou turbínou pod křídly nás budou po obloze válet desítky let, velké naděje na nové uspořádání a novou aerodynamiku letadel jsou spojeny s elektrickým pohonem.

Rychle, ale ne na dlouho

Donedávna se pod pojmem „elektroletadlo“rozumělo „električtější letadlo“– letoun s pevným křídlem, u kterého byly mechanické a hydraulické převody nahrazeny maximálně elektrickými.

Už žádné trubky a kabely - veškerou mechanickou práci, jako je pohon kormidel a mechanizace křídla, provádějí malé elektromotory-aktory, které jsou napájeny energií a kanálem pro řídicí signál. Nyní je tento termín naplněn novým významem: skutečné elektrické letadlo se musí samo pohybovat po elektrické trakci.

Perspektivy elektrického letectví samozřejmě nezávisí jen (a ani tolik) na leteckých konstruktérech jako na pokroku v oblasti elektrotechniky. Vždyť letadla, jak se říká, „na baterie“existují. Před několika desítkami let byly na kluzáky instalovány pomocné elektromotory.

Extra 330LE, který poprvé vzlétl v roce 2016, již nese kluzáky a stanovuje rychlostní rekordy. Jeho blok 14 výkonných lithium-iontových baterií a elektromotor od společnosti Siemens ale umožňují tomuto miminku vzít na palubu pouze dvě osoby včetně pilota a zůstat ve vzduchu maximálně 20 minut.

Extra 330 LE

Samozřejmě existují projekty s mnohem působivějšími ukazateli. V září loňského roku britská nízkonákladová letecká společnost EasyJet oznámila, že za deset let uvede na trh plně elektrickou regionální linku (dolet 540 km, což je na vnitroevropské lety poměrně hodně) s kapacitou 180 cestujících.

Partnerem projektu se stal americký startup Wright Electric, který již postavil dvoumístný létající demonstrátor. Dnes je však hustota energie nejlepších lithium-iontových baterií o více než řád nižší než u uhlovodíkových paliv. Předpokládá se, že do roku 2030 baterie zlepší svůj výkon maximálně dvakrát.

Turbíno, zůstaň

Mnohem výhodněji vypadá situace s palivovými články, ve kterých se chemická energie paliva přeměňuje na elektrickou energii přímo, přičemž se obchází spalovací proces.

Vodík je považován za nejslibnější palivo pro takový zdroj energie. Experimenty s palivovými články jako zdrojem energie pro elektrické letadlo probíhají v různých zemích světa (v Rusku CIAM pracuje především na projektech vytvoření takových letadel a palivové články pro ně vznikají v IPCP RAS v rámci tzv. vedení profesora Jurije Dobrovolského).

Z létajících a pilotovaných konceptů lze připomenout evropský demonstrátor ENFICA-FC Rapid 200FC - využíval elektrické baterie i palivové články zároveň. Tato technologie však také potřebuje výrazné zlepšení a další výzkum.

Nejrealističtější vyhlídky se pro dnešek zdají vyhlídky na elektrická letadla postavená podle hybridního schématu. To znamená, že vrtule letadla (vrtule nebo propfan) bude poháněna elektromotorem, ale elektřinu bude dostávat z generátoru rotovaného … motorem s plynovou turbínou (nebo jiným spalovacím motorem). Na první pohled se takové schéma zdá divné: chtějí opustit GTE ve prospěch elektromotoru, ale neudělají to.

Hybridních projektů je ve světě již poměrně dost, ale nás zajímá především Rusko. Práce na elektrickém letadle, zejména s hybridním schématem, byly prováděny v různých vědeckých ústavech leteckého profilu, jako je TsAGI nebo TsIAM.

Dnes jsou tyto a některé další instituce sjednoceny (od roku 2014) pod záštitou Výzkumného centra "Institut pojmenovaný po N. Ye. Zhukovsky", navržený tak, aby se stal jediným silným "mozkovým trustem" tohoto odvětví. Úkolem integrace všech prací na elektrickém letectví v rámci centra je Sergei Galperin, kterého jsme již citovali na začátku článku.

Bateriový vzlet

„Přechod na elektromotory v letectví otevírá spoustu zajímavých vyhlídek,“říká Sergej Halperin, „ale není důvod počítat s vytvořením komerčního elektrického letadla se slušným doletem na ruské podmínky na čistě chemické zdroje energie (baterie nebo palivové články) v blízké budoucnosti: energetický potenciál se příliš liší kilogram petroleje a kilogram baterií. Hybridní design by mohl být rozumným kompromisem. Je třeba pochopit, že motor s plynovou turbínou, který přímo vytváří tah, a motor s plynovou turbínou, který uvede hřídel generátoru do pohybu, nejsou vůbec totéž.

Energetické nároky letadla se totiž během letu výrazně mění. Letecký motor při vzletu vyvine výkon blízko svého maxima a při křižování (tedy po většinu letu) se spotřeba letadla sníží 5-6x.

Tradiční elektrárna tak musí umět fungovat v široké škále režimů (ne vždy optimálních z ekonomického hlediska) a rychle přecházet z jednoho do druhého. Nic takového se od motoru s plynovou turbínou v hybridní instalaci nevyžaduje. Bude to obdoba plynových turbín elektráren, které pracují vždy ve stejném, ekonomicky nejvýhodnějším režimu. Pracují roky bez zastavení."

Ce-vložka

S pomocí generátoru bude GTE umět vyrábět energii pro přímé napájení elektromotorů i pro vytváření rezervy v bateriích. Pomoc s baterií bude potřeba hned při startu.

Ale protože provoz elektromotorů ve vzletovém režimu bude trvat jen pár minut, energetická rezerva by neměla být příliš velká a baterie na palubě mohou být velikostí a hmotností docela přijatelné. Motor s plynovou turbínou přitom nebude mít žádný režim vzletu – jeho úkolem je tiše vyrábět elektřinu.

Na rozdíl od leteckého motoru bude tedy motor s plynovou turbínou v hybridním elektrickém letadle méně výkonný, spolehlivější a šetrnější k životnímu prostředí, jednodušší v konstrukci, což znamená levnější a konečně bude mít větší zdroje.

Foukání na křídlo

Přechod na elektromotory zároveň otevírá vyhlídky na zásadní inovace v konstrukci civilních letadel budoucnosti. Jedním z nejdiskutovanějších témat je vznik distribuovaných elektráren.

Dnes klasické uspořádání vložek předpokládá dva body aplikace tahu, tedy dva, zřídka čtyři, výkonné motory zavěšené na pylonech pod křídlem. U elektrických letounů se uvažuje s rozmístěním velkého počtu elektromotorů podél křídla i na jeho koncích. Proč je to potřeba?

Pointa je opět v rozdílu mezi vzletovým a cestovním režimem. Při vzletu při nízké rychlosti dopadajícího proudu potřebuje letadlo velkou plochu křídel, aby vytvořilo vztlak. Při cestovní rychlosti překáží široké křídlo a vytváří nadměrný vztlak.

Problém je vyřešen díky složité mechanizaci - výsuvné klapky a lamely. Menší letadla, která startují z malých letišť a mají k tomu velká křídla, jsou nucena křižovat s neoptimálním úhlem náběhu, což vede k další spotřebě paliva.

Pokud však při vzletu mnoho elektromotorů připojených k vrtulím navíc vyfoukne křídlo, nebude muset být příliš široké. Letadlo vzlétne s krátkým vzletem a na cestovním úseku nebude dělat problémy úzké křídlo. Vůz bude tažen vpřed pomocí vrtulí poháněných hnacími motory a vrtule podél křídla v této fázi budou před přistáním složeny nebo zataženy.

Příkladem je projekt NASA X-57 Maxwell. Koncepční demonstrátor je vybaven 14 elektromotory umístěnými podél křídla a na koncích křídel. Všechny fungují pouze při vzletu a přistání. Na cestovní sekci jsou zapojeny pouze motory na křídlech.

Takové umístění motorů umožňuje snížit negativní vliv vírů, které v těchto místech vznikají. Na druhou stranu se elektrárna ukazuje jako složitá, což znamená, že je dražší na údržbu a vyšší je i pravděpodobnost poruch. Obecně platí, že vědci a designéři mají o čem přemýšlet.

X-57 Maxwell

Pomůže kapalný dusík

„Elektrické letadlo poskytuje mnoho příležitostí pro optimalizaci,“říká Sergej Halperin. - Experimentovat můžete například s kombinací tažných a tlačných šroubů. Elektromotory jsou mnohem výhodnější ve srovnání s motory s plynovou turbínou v konvertoplánech, protože bezpečné otočení elektromotoru do vodorovné polohy nepředstavuje tak složitý technický problém jako v případě tradičních motorů.

V elektrické rovině můžete zajistit plnou integraci všech systémů, vytvořit nový řídicí systém. Dokonce i hybridní vozy budou produkovat méně hluku a emisí.

Stejně jako baterie, i elektromotory se zvyšujícím se výkonem zvyšují svou hmotnost, objem a rozptyl tepla. Aby byly výkonnější a lehčí, jsou zapotřebí nové technologie.

Pro tuzemské vývojáře hybridních pohonných systémů byla skutečným průlomem spolupráce s ruskou společností SuperOx, jedním z pěti největších dodavatelů materiálů s vlastnostmi vysokoteplotní supravodivosti (HTSC) na světě. Nyní SuperOx vyvíjí elektromotory se statorem vyrobeným ze supravodivých materiálů (chlazených kapalným dusíkem).

Tyto motory s dobrými leteckými vlastnostmi budou tvořit základ hybridní elektrárny pro regionální letadlo, které se může vznést do nebes v polovině příští dekády. Specialisté CIAM letos na letecké show MAKS představili demonstrátor takové instalace o výkonu 10 kW. Plánovaný letoun bude vybaven hybridní elektrárnou se dvěma motory o výkonu 500 kW.

„Než budeme mluvit o hybridním elektrickém letadle,“říká Halperin, „je nutné otestovat naši instalaci na zemi a poté v létající laboratoři. Doufáme, že to bude Yak-40. Místo radaru můžeme do přídě auta dát 500kilowattový elektromotor HTSC.

Místo centrálního motoru nainstalujeme do ocasu turbogenerátor. Dva zbývající motory Yak budou stačit k testování našeho duchovního dítěte v širokém rozsahu výšek (až 8000 m) a rychlostí (až 500 km/h). A i když hybridní instalace selže, letadlo může bezpečně dokončit let a přistát. Demonstrační laboratoř bude vybavena podle plánu v roce 2019. Testovací cyklus je předběžně naplánován na rok 2020.

Chytré nebe

Elektrický a hybridní pohon zaujímá významné místo v plánech největších světových výrobců letadel. Tak vypadají hlavní rysy osobního letectví poloviny tohoto století podle programu Smarter Skies společnosti AIRBUS.

"Zelený" let

Letoun budoucnosti bude navržen tak, aby minimalizoval uhlovodíkovou stopu v atmosféře. Vodíkové motory s plynovou turbínou, hybridy a bateriemi poháněná plně elektrická letadla si získají oblibu.

Předpokládá se, že baterie budou dobíjeny z ekologických zdrojů elektrické energie. Vzhled velkých větrných elektráren nebo solárních elektráren v oblasti letišť je možný.

Svoboda na obloze

Inteligentní vložky budou nezávisle vykreslovat trasy na základě parametrů šetrnosti k životnímu prostředí a palivové účinnosti na základě analýzy údajů o počasí a atmosféře. Budou se také moci shromažďovat ve formacích jako hejna ptáků, což sníží odpor jednotlivých letadel ve formaci a sníží spotřebu energie na let.

Spíše ze země

Nové pohonné systémy a aerodynamika letounu jim umožní vzlétnout po co nejstrmější trajektorii s cílem snížit hluk v prostoru letiště a co nejdříve se dostat na cestovní hladinu, kde letoun prokáže optimální ekonomické vlastnosti.

Přistání bez motoru

Letadla budoucnosti budou moci přistávat v klouzavém režimu. To ušetří palivo a sníží hladinu hluku v prostoru letiště. Sníží se také přistávací rychlost. Tím se zkrátí délka přistávacích drah.

Žádný výfuk

Letiště budoucnosti zcela vyloučí používání spalovacích motorů spalujících palivo. Pro pojíždění budou vložky vybaveny koly s elektromotorem. Jako alternativa - vysokorychlostní bezpilotní elektrické tahače, které budou schopny rychle dopravit letadla z odbavovací plochy na přistávací dráhu a naopak.