더 빠르고, 더 조용하고, 더 깨끗합니다 - 새로운 항공기 엔진

항공 분야를 많이 바꾸기 위해 새로운 프로펠러, 미래 지향적인 디자인 또는 우주 자재를 찾을 필요가 없다는 것이 밝혀졌습니다. 비교적 간단한 기계식 변속기를 사용하는 것으로 충분합니다 ...

이것은 최근 몇 년간 가장 중요한 혁신 중 하나입니다. 기어드 터보팬 모터(GTF)를 사용하면 압축기와 팬이 서로 다른 속도로 회전할 수 있습니다. 팬 구동 기어는 팬 샤프트와 함께 회전하지만 팬 모터를 저압 압축기 및 터빈에서 분리합니다. 팬은 더 느린 속도로 회전하고 압축기와 저압 터빈은 더 높은 속도로 작동합니다. 각 엔진 모듈은 최적의 효율로 작동할 수 있습니다. Pratt & Whitney PurePower PW20G 터보팬 제품군은 1000년 동안 약 2016조 달러의 R&D 및 R&D 지출을 통해 운영되었으며 XNUMX년부터 상업용 항공기에 대대적으로 도입되었습니다.

최신 터보팬 엔진은 두 가지 방식으로 추력을 생성합니다. 첫째, 압축기와 연소실이 코어에 위치합니다. 전면에는 코어에 의해 구동되는 팬이 있으며 모터 코어 주변의 바이패스 챔버를 통해 공기를 보냅니다. 바이패스 비율은 코어를 통과하는 공기의 양과 코어를 통과하는 공기의 양의 비율입니다. 일반적으로 바이패스 비율이 높을수록 더 조용하고 효율적이며 강력한 엔진을 의미합니다. 기존 터보팬 엔진의 우회 비율은 9:1입니다. Pratt PurePower GTF 엔진의 우회 비율은 12:1입니다.

바이패스 비율을 높이려면 모터 제조업체에서 팬 블레이드의 길이를 늘려야 합니다. 그러나 늘어나면 블레이드 끝에서 얻은 회전 속도가 너무 높아서 원치 않는 진동이 발생합니다. 속도를 줄이려면 팬 블레이드가 필요하며 이것이 바로 기어박스입니다. Pratt & Whitney에 따르면 이러한 엔진은 최대 16%까지 가능합니다. 뛰어난 연비와 50%. 배기 가스 배출량이 적고 75%입니다. 조용한. 최근 SWISS와 Air Baltic은 GTF C 시리즈 제트 엔진이 제조업체가 약속한 것보다 훨씬 적은 연료를 소비한다고 발표했습니다.

생산 라인의 PW1100G-JM 엔진

TIME지는 PW1000G 엔진을 50년의 가장 중요한 2011가지 발명 중 하나이자 가장 환경 친화적인 2016가지 발명 중 하나로 선정했습니다. Pratt & Whitney PurePower는 기존 제트 엔진보다 더 깨끗하고, 더 조용하고, 더 강력하고, 더 적은 연료를 사용하도록 설계되었기 때문입니다. XNUMX년 당시 Delta Air Lines의 사장인 Richard Anderson은 보잉의 Dreamliner가 복합 재료 구조에 혁명을 일으킨 이후 엔진을 "최초의 진정한 혁신"이라고 말했습니다.

배출량 절감 및 감소

상업용 항공 부문은 연간 700억 톤 이상의 이산화탄소를 배출합니다. 비록 약 2퍼센트에 불과하지만. 전 지구적 이산화탄소 배출과 관련하여 제트 연료의 온실 가스가 더 높은 고도에서 방출될 때 대기에 더 큰 영향을 미친다는 증거가 있습니다.

주요 엔진 제조업체는 연료를 절약하고 배기 가스를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. Pratt의 경쟁업체인 CFM International은 최근 LEAP라는 자체 고급 엔진을 도입했습니다. 회사 관계자는 이 엔진이 다른 솔루션을 희생시키면서 기어드 터보팬과 유사한 결과를 제공한다고 말합니다. CFM은 기존의 터보팬 아키텍처에서 파워트레인의 무게와 항력을 추가하지 않고도 동일한 이점을 얻을 수 있다고 주장합니다. LEAP는 경량 복합 재료와 탄소 섬유 팬 블레이드를 사용하여 Pratt & Whitney 엔진으로 달성한 것과 비교할 수 있는 에너지 효율 개선을 달성했습니다.

현재까지 A320neo용 Airbus 엔진 주문은 CFM과 Pratt & Whitney 사이에서 대략 균등하게 나뉩니다. 후자의 경우 불행히도 PurePower 모터는 사용자에게 문제를 일으키고 있습니다. GTF 엔진의 고르지 않은 냉각이 카타르 항공 Airbus A320neo에 기록되었을 때 올해 처음 등장했습니다. 고르지 못한 냉각은 부품의 변형과 마찰을 유발할 수 있으며 동시에 비행 사이의 시간을 늘릴 수 있습니다. 결과적으로 항공사는 엔진이 운영 요구 사항을 충족하지 못한다는 결론을 내렸습니다. 그 직후 인도 항공 당국은 PurePower GTF 엔진으로 구동되는 Airbus A11neo 항공기 320대의 비행을 중단했습니다. 이코노믹 타임즈(Economic Times)에 따르면, 이 결정은 에어버스 GTF 동력 항공기가 XNUMX주 동안 XNUMX번의 엔진 고장을 겪은 후 내려진 것입니다. Pratt & Whitney는 이러한 어려움을 극복하기 쉽다고 말합니다.

에어버스 전자 팬

항공기 엔진 분야의 또 다른 거대 기업인 롤스로이스는 2025년까지 대형 터보팬의 연료 소비를 25%까지 줄일 수 있는 자체 파워 기어박스를 개발하고 있습니다. 잘 알려진 Trent 엔진 범위의 이전 모델과 비교합니다. 이것은 물론 새로운 Pratt & Whitney 디자인 경쟁을 의미합니다.

영국인들은 또한 다른 종류의 혁신에 대해 생각하고 있습니다. 최근 싱가포르 에어쇼에서 롤스로이스는 지원 네트워크를 통해 서로 통신할 수 있는 능력을 통해 더 안전하고 효율적인 지능형 항공기 엔진을 개발하는 것을 목표로 하는 IntelligentEngine Initiative를 시작했습니다. 엔진 및 서비스 생태계의 다른 부분과 지속적인 양방향 통신을 제공함으로써 엔진은 문제가 발생하기 전에 문제를 해결하고 성능을 개선하는 방법을 학습할 수 있습니다. 그들은 또한 작업 및 기타 엔진의 역사에서 배우게 되었고 대체로 이동 중에 스스로 수리해야 했습니다.

드라이브에는 더 나은 배터리가 필요합니다.

2050년에 대한 유럽연합 집행위원회의 항공 비전은 CO 배출량 감소를 요구합니다.₂ 75%, 질소 산화물 90%. 소음이 65% 감소합니다. 기존 기술로는 달성할 수 없습니다. 전기 및 하이브리드 전기 추진 시스템은 현재 이러한 문제를 해결하는 가장 유망한 기술 중 하나로 간주됩니다.

시장에는 20인승 전기 경량 항공기가 있습니다. 2030인승 하이브리드 전기차가 대세다. NASA는 100대 초반에 이러한 유형의 단거리 XNUMX인승 여객기가 항공 서비스를 소규모 지역사회로 다시 가져올 것이라고 예측합니다. 유럽과 미국에서 과학자들은 XNUMX년까지 최대 XNUMX석을 수용할 수 있는 하이브리드 전기 항공기를 만드는 것이 가능하다고 믿고 있습니다. 그러나 에너지 저장 분야에서는 상당한 진전이 필요할 것입니다.

현재 배터리의 에너지 밀도만으로는 충분하지 않습니다. 그러나 이 모든 것이 바뀔 수 있습니다. Tesla의 Elon Musk 회장은 배터리가 킬로그램당 400와트시를 생산할 수 있고 총 중량에 대한 전지 전력의 비율이 0,7-0,8이 되면 전기 대륙 횡단 여객기가 "어려운 대안"이 될 것이라고 말했습니다. 리튬 이온 배터리가 113년에 1994Wh/kg, 202년에 2004Wh/kg의 에너지 밀도를 달성할 수 있었고 현재 약 300Wh/kg에 도달할 수 있다는 점을 고려하면 향후 400년 이내에 XNUMXWh/kg 수준에 도달합니다.

키티 호크 전기 XNUMX인승 에어택시 프로젝트

Airbus, Rolls-Royce 및 Siemens는 최근 상용 항공기 하이브리드 전기 추진의 중요한 발전이 될 E-Fan X 비행 시연기를 개발하기 위해 협력했습니다. E-Fan X 하이브리드 전기 기술 시연 예정 -Fan X는 광범위한 지상 테스트 캠페인을 거쳐 2020년에 비행할 예정입니다. 첫 번째 단계에서 BAe 146은 XNUMX개의 엔진 중 하나를 XNUMXMW 전기 모터로 교체합니다. 이후 시스템의 성숙도를 입증한 후 XNUMX차 터빈을 전기모터로 교체할 계획이다.

Airbus는 하이브리드 전기 추진 및 배터리 제어 아키텍처 및 비행 제어 시스템과의 통합뿐만 아니라 전반적인 통합을 담당합니다. 롤스로이스는 가스터빈 엔진, XNUMX메가와트 발전기 및 전력 전자 제품을 담당하게 됩니다. Airbus와 함께 Rolls-Royce는 팬을 기존 Siemens 나셀 및 전기 모터에 적용하는 작업도 할 것입니다. 지멘스는 XNUMXMW 전기 모터와 전자식 전력 컨트롤러, 인버터, 컨버터, 배전 시스템을 공급할 예정이다.

X-57 Maxwell을 만들고 있는 NASA를 포함하여 전 세계의 많은 연구 센터에서 전기 항공기에 대해 연구하고 있습니다. Kitty Hawk 전기 XNUMX인승 에어택시 프로젝트 및 기타 대규모 센터, 회사 또는 소규모 신생 기업의 구조도 개발 중입니다.

여객기와 화물기의 평균 수명이 각각 약 21년과 33년이라는 점을 감안할 때 내일 생산되는 모든 신형 항공기가 순수 전기차라고 해도 화석 연료 동력 항공기를 단계적으로 철수하려면 XNUMX~XNUMX년이 걸릴 것입니다.

따라서 빨리 작동하지 않습니다. 한편, 바이오 연료는 항공 부문의 환경을 밝게 할 수 있습니다. 이산화탄소 배출량을 36~85% 줄이는 데 도움이 됩니다. 제트 엔진용 바이오 연료 혼합이 2009년에 인증되었다는 사실에도 불구하고 항공 산업은 변화를 구현하는 데 서두르지 않습니다. 바이오연료 생산을 산업적 수준으로 끌어올리는 것과 관련된 기술적 장애물과 과제는 거의 없지만 주요 억제 요인은 가격입니다. 화석 연료와 동등해지기 위해서는 XNUMX년이 더 걸립니다.

미래를 향한 발걸음

동시에 연구소에서는 좀 더 미래 지향적인 항공기 엔진 개념을 연구하고 있습니다. 예를 들어, 지금까지 플라즈마 엔진은 그다지 현실적이지 않게 들리지만 과학적인 작업이 흥미롭고 유용한 것으로 발전할 것이라는 점을 배제할 수 없습니다. 플라즈마 추진기는 전기를 사용하여 전자기장을 생성합니다. 그들은 공기나 아르곤과 같은 가스를 압축하고 여기하여 뜨겁고 조밀한 이온화된 상태의 플라즈마로 만듭니다. 그들의 연구는 이제 우주 공간에서 인공위성을 발사한다는 아이디어로 이어집니다(이온 추진기). 그러나 베를린 공과 대학의 Berkant Goeksel과 그의 팀은 비행기에 플라즈마 추진기를 장착하기를 원합니다.

이 연구의 목적은 이륙 및 고고도 비행 모두에 사용할 수 있는 에어제트 플라즈마 엔진을 개발하는 것입니다. 플라즈마 제트는 일반적으로 가스 공급이 필요한 진공 또는 저압 분위기에서 작동하도록 설계되었습니다. 그러나 Göksel의 팀은 20기압의 공기 중에서 작동할 수 있는 장치를 테스트했습니다. "저희의 플라즈마 노즐은 초당 최대 XNUMXkm의 속도에 도달할 수 있습니다."라고 Göckel은 Journal of Physics 컨퍼런스 시리즈에서 말했습니다.

미래의 극초음속 차량의 SABRE 엔진

먼저 팀은 80mm 길이의 소형 추진기를 테스트했습니다. 소형 항공기의 경우 이는 팀이 가능하다고 생각하는 것의 최대 수천 개가 될 것입니다. 물론 가장 큰 한계는 가벼운 배터리가 없다는 것입니다. 과학자들은 또한 플라즈마 엔진이 내연 기관 또는 로켓과 결합되는 하이브리드 항공기를 고려하고 있습니다.

혁신적인 제트 엔진 개념에 대해 이야기할 때 Reaction Engines Limited에서 개발한 SABRE(Synergistic Air-breathing Rocket Engine)를 잊지 말자. 이것은 대기와 진공 모두에서 작동하는 엔진이 될 것이며 액체 수소로 작동할 것이라고 가정합니다. 비행의 초기 단계에서 산화제는 대기의 공기(기존 제트 엔진에서와 같이)와 26km 높이(선박이 5백만 년의 속도에 도달하는 곳)에서 나오는 액체 산소입니다. 로켓 모드로 전환하면 최대 마하 25의 속도에 도달합니다.

이 프로젝트에 참여하는 보잉의 투자 부문인 HorizonX는 "초음속 비행을 추구하는 보잉을 돕기 위해 혁신적인 기술을 사용할 것"을 기대한다는 점을 제외하고는 SABRE를 어떻게 사용할 수 있을지 아직 결정하지 못했습니다.

RAMJET 및 scramjet(연소실이 있는 초음속 제트 엔진)은 오랫동안 고속 항공기 팬의 입술에 있었습니다. 현재는 주로 군사용으로 개발되고 있습니다. 그러나 항공의 역사가 가르쳐 주듯이 군대에서 시험을 치르는 것은 민간 항공으로 갈 것입니다. 약간의 인내가 필요합니다.

롤스로이스 지능형 엔진 동영상:

롤스로이스 | IntelligentEngine의 혁신