Szybciej, ciszej, czyściej - nowe napędy lotnicze
To jedna z najważniejszych innowacji ostatnich lat. Silniki turbowentylatorowe z przekładnią (geared turbofan, GTF) pozwalają kompresorowi i wentylatorowi wirować z różnymi prędkościami. Przekładnia napędowa wentylatora obraca się wraz z wałem wentylatora, ale oddziela wentylator silnika od sprężarki niskociśnieniowej i turbiny. Wentylator obraca się z mniejszą prędkością obrotową, a sprężarka i turbina niskociśnieniowa pracują z większą. Każdy moduł silnika może pracować z optymalną wydajnością. Po 20 latach badań i rozwoju i wydaniu około "miliarda dolarów na badania i rozwój" rodzina turbowentylatorów z przekładnią Pratt & Whitney PurePower PW1000G kilka lat temu była gotowa do pracy a od 2016 jest masowo wprowadzana do samolotów użytkowych.
Nowoczesne silniki turbowentylatorowe wytwarzają ciąg na dwa sposoby. Najpierw w jego rdzeniu znajdują się sprężarki i komora spalania. Z przodu znajduje się wentylator, który napędzany przez rdzeń kieruje powietrze przez komory obejściowe wokół rdzenia silnika. Współczynnik obejścia to stosunek powietrza, które omija rdzeń, do ilości powietrza, które przez niego przechodzi. Ogólnie rzecz biorąc, wyższy współczynnik obejścia oznacza cichsze, bardziej wydajne i mocniejsze silniki. W konwencjonalnych silnikach turbowentylatorowych zasięg obejścia może sięgać nawet 9 do 1. Silniki Pratta PurePower GTF mają współczynnik obejścia 12 do 1.
Aby zwiększyć współczynnik obejścia, producenci silników muszą zwiększyć długość łopatek wentylatora. Jednak przy wydłużeniu, prędkości obrotowe uzyskiwane na czubku łopatek będą tak duże, że generować będą niepożądane wibracje. Potrzebne jest spowolnienie łopatek wentylatora i po to jest przekładnia. Według Pratt & Whitney, silnik taki może osiągnąć o 16 proc. większą oszczędność paliwa i o 50 proc. mniejszą emisję spalin oraz jest o 75 proc. cichszy. Nie tak dawno linie SWISS i Air Baltic poinformowały o tym, że ich silniki odrzutowe z napędem GTF serii C zużywają jeszcze mniej paliwa niż obiecuje producent.
Magazyn TIME uznał silnik PW1000G za jeden z 50 najważniejszych wynalazków 2011 roku, a zarazem za jeden z sześciu najbardziej "zielonych" wynalazków, gdyż Pratt & Whitney PurePower są zaprojektowane tak, aby były czystsze, cichsze, mocniejsze i zużywały mniej paliwa niż istniejące silniki odrzutowe. W 2016 roku Richard Anderson, ówczesny prezes Delta Air Lines, nazwał silnik "pierwszą prawdziwą innowacją" od czasu, gdy Dreamliner Boeinga zrewolucjonizował konstruowanie kompozytowe.
Oszczędności i obniżenie emisji
Sektor lotnictwa komercyjnego emituje rocznie ponad 700 mln ton dwutlenku węgla. Chociaż stanowi to zaledwie około 2 proc. globalnej emisji dwutlenku węgla, istnieją dowody na to, że gazy cieplarniane w paliwie do silników odrzutowych mają większy wpływ na atmosferę, ponieważ są uwalniane na dużych wysokościach.
O oszczędność paliwa i zmniejszenie emisji ścigają się najwięksi producenci silników. Konkurent Pratta – firma CFM International wprowadziła niedawno swój własny zaawansowany silnik, zwany LEAP, który zdaniem przedstawicieli firmy osiąga podobne wyniki do turbowentylatora z przekładnią przez inne rozwiązania. CFM twierdzi, że także w konwencjonalnej architekturze turbowentylatorów można osiągnąć takie same korzyści bez dodatkowego masy i oporu przekładni. LEAP wykorzystuje lekkie materiały kompozytowe, łopatki wentylatora z włókna węglowego, aby osiągnąć wzrost efektywności energetycznej, który według firmy jest porównywalny z tym, który osiągnięto w silniku Pratt & Whitney.
Jak do tej pory zamówienia na silniki Airbusa na A320neo rozkładały się mniej więcej po równo pomiędzy CFM i Pratt & Whitney. Niestety dla tej drugiej firmy silniki PurePower sprawiają użytkownikom problemy. Pierwsze pojawiły się w tym roku, kiedy w maszynie Airbus A320neo firmy Qatar Airways zarejestrowano nierównomierne chłodzenie silników GTF. Nierównomierne chłodzenie może prowadzić do odkształceń i tarcia się części, a jednocześnie wydłużyć czas pomiędzy lotami. W rezultacie linia lotnicza uznała, że silniki nie są w stanie spełnić wymogów eksploatacyjnych. Wkrótce potem indyjski urząd lotnictwa uziemił 11 samolotów Airbus A320neo napędzanych PurePower GTF. Według "Economic Times" decyzja została podjęta po tym, jak w ciągu dwóch tygodni odrzutowce Airbusa napędzane przez GTF doświadczyły trzech awarii silników. Pratt & Whitney bagatelizuje te trudności, twierdząc, że łatwo da się je przezwyciężyć.
Inny potentat w dziedzinie silników lotniczych, firma Rolls-Royce opracowuje własną przekładnię Power Gearbox, która do 2025 roku pozwoli na zmniejszenie zużycia paliwa w dużych turbowentylatorach o 25 proc. w porównaniu ze starszymi modelami znanej linii silników Trent. Oznacza to oczywiście nową konkurencję dla konstrukcji Pratt & Whitney.
Brytyjczycy zresztą myślą również i o innego rodzaju innowacjach. Podczas niedawnych Singapur Airshow Rolls-Royce uruchomił inicjatywę IntelligentEngine, mającą na celu opracowanie inteligentnych silników lotniczych, które będą bezpieczniejsze lub bardziej wydajne dzięki możliwości komunikowania się między sobą i sieci wsparcia technicznego. Zapewniając ciągłą, dwukierunkową komunikację z silnikiem i innymi elementami ekosystemu usług, silnik byłby w stanie poradzić sobie z problemami, zanim się one pojawią, i nauczyć się, jak poprawić osiągi. Uczyłyby się też na bazie historii swojej pracy i innych silników, w dalszej perspektywie miałyby się nawet same naprawiać w biegu.
Napęd elektryczny potrzebuje lepszych akumulatorów
W Wizji Komisji Europejskiej dotyczącej Lotnictwa do 2050 r. jest mowa o redukcji emisji CO2 o 75 proc., tlenków azotu o 90 proc. i hałasu o 65 proc. Nie da się ich osiągnąć przy istniejących obecnie technologii. Napęd elektryczny i hybrydowo-elektryczny jest obecnie postrzegany jako jedna z najbardziej obiecujących technologii umożliwiających sprostanie tym wyzwaniom.
Na rynku dostępne są dwumiejscowe awionetki elektryczne. Czteromiejscowe maszyny hybrydowo-elektryczne są na horyzoncie. NASA przewiduje, że na początku lat 20-tych XXI wieku, pojawią się krótkodystansowe dziewięciosobowe samoloty pasażerskie tego typu przywracające usługi lotnicze małym społecznościom. Zarówno w Europie, jak i w Stanach Zjednoczonych naukowcy uważają, że do 2030 r. możliwe jest zbudowanie samolotu hybrydowo-elektrycznego o pojemności sięgającej 100 miejsc. Niezbędna będzie jednak znaczny postęp w dziedzinie magazynowania energii.
Obecnie gęstość energii akumulatorów po prostu nie wystarcza. To wszystko jednak może się zmienić. Szef Tesli, Elon Musk, powiedział, że gdy akumulatory będą w stanie wyprodukować 400 watogodzin na kilogram, przy stosunku mocy ogniw do całkowitej masy pomiędzy 0,7-0,8, elektryczny samolot transkontynentalny staje się "trudną do odparcia alternatywą." Biorąc pod uwagę, że akumulatory litowo-jonowe były w stanie osiągnąć gęstość energetyczną 113 Wh/kg w 1994 r., 202 Wh/kg w 2004 r., a obecnie są w stanie osiągnąć około 300 Wh/kg, można założyć, że w ciągu najbliższej dekady osiągną poziom 400 Wh/kg.
Airbus, Rolls-Royce i Siemens zawarły niedawno partnerstwo, którego celem jest opracowanie latającego demonstratora, który będzie stanowił znaczący krok naprzód w dziedzinie hybrydowo-elektrycznego napędu dla komercyjnych statków powietrznych - E-Fan X. Przewiduje się, że demonstrator technologii hybrydowo-elektrycznej E-Fan X będzie latał w 2020 r. po kompleksowej kampanii testów naziemnych. Pierwsza faza przewiduje, że w maszynie BAe 146 jeden z czterech silników zastąpiony zostanie przez silnik elektryczny o mocy dwóch megawatów. W dalszej kolejności przewiduje się zastąpienie drugiej turbiny silnikiem elektrycznym po wykazaniu dojrzałości systemu.
Airbus będzie odpowiedzialny za całościową integrację, jak również architekturę sterowania hybrydowo-elektrycznym układem napędowym i akumulatorami oraz za jego integrację z układami sterowania lotem. Rolls-Royce będzie odpowiedzialny za silnik turbinowy, generator dwóch megawatów oraz elektronikę mocy. Wraz z Airbusem, Rolls-Royce będzie również pracować nad dostosowaniem wentylatorów do istniejącej gondoli i silnika elektrycznego Siemensa. Siemens dostarczy silniki elektryczne o mocy dwóch megawatów oraz elektroniczny sterownik mocy, jak również falownik, przetwornicę oraz system rozdziału mocy.
Nad konstrukcjami elektrycznych samolotów pracuje wiele ośrodków badawczych na świecie, w tym NASA, która buduje maszynę X-57 Maxwell. Rozwijany jest też projekt elektryczej dwuosobowej taksowki powietrzej firmy Kitty Hawk i wiele innych konstrukcji duzych ośrodków, firm lub też małych startupów.
Biorąc pod uwagę, że średni okres eksploatacji samolotów pasażerskich i towarowych wynosi odpowiednio około 21 i 33 lata, nawet gdyby wszystkie nowe samoloty produkowane od jutra były w pełni elektryczne, odejście od samolotów napędzanych paliwami kopalnymi zajęłoby od dwóch do trzech dekad.
Nie stanie się to więc szybko. Tymczasem odciążyć środowisko mogą w sektorze lotniczym biopaliwa. Przyczyniają się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla o 36-85 proc. Mimo że już w 2009 r. certyfikowano mieszanki biopaliwowe do silników odrzutowych, przemysł lotniczy nie spieszy się z wprowadzaniem zmian. Istnieją niewielkie przeszkody technologiczne i kwestie związane z zwiększeniem produkcji biopaliw do poziomu przemysłowego, ale głównym ograniczeniem jest cena - do osiągnięcia równości z paliwami kopalnymi potrzeba jeszcze dziesięciu lat.
Krok w przyszłość
W laboratoriach trwają jednocześnie prace nad nieco bardziej futurystycznymi konceptami napędów lotniczych. Na razie np. silnik plazmowy brzmi niezbyt realnie, ale nie można wykluczyć, że prace naukowe rozwiną się w coś ciekawego i użytecznego. Silniki plazmowe wykorzystują energię elektryczną do wytwarzania pól elektromagnetycznych. Sprężają one i wzbudzają gaz, taki jak powietrze lub argon, do plazmy - stanu gorącego, gęstego zjonizowanego. Badania nad nimi obecnie do idei napędzania satelitów w przestrzeni kosmicznej (silniki jonowe). Berkant Göksel z Politechniki Berlińskiej i jego zespół chcą jednak montować silniki plazmowe w samolotach.
Wyzwanie badawcze polega na opracowaniu oddychającego powietrzem silnika plazmowego, który mógłby być wykorzystywany zarówno do startu, jak i do lotów na dużych wysokościach. Silniki odrzutowe plazmowe są zazwyczaj zaprojektowane do pracy w próżni lub przy niskich ciśnieniach występujących w atmosferze, gdzie wymagane byłoby doprowadzenie gazu. Jednak zespół Göksela przetestował taki, który może pracować na powietrzu w ciśnieniu o wartości jednej atmosfery. "Nasze dysze plazmowe mogą osiągać prędkości do 20 kilometrów na sekundę," twierdzi Göksel w publikacji na łamach "Journal of Physics Conference Series".
Na początek zespół przetestował miniaturowe pędniki o długości 80 milimetrów. Do małego samolotu wystarczyłoby do tysiąca takich, co zespół uważa za wykonalne. Największym ograniczeniem jest oczywiście brak lekkich akumulatorów. Naukowcy przyglądają się też samolotom hybrydowym, w których jego silnik plazmowy byłby połączony z silnikami spalinowymi impulsowymi lub rakietami.
Gdy mówimy o nowatorskich koncepcjach silników odrzutowych to nie można zapomnieć o silniku SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) projektowanym przez Reaction Engines Limited. Ma być silnikiem działającym zarówno w atmosferze jak i próżni, napędzany ciekłym wodorem. Utleniacz w początkowej fazie lotu będzie stanowiło powietrze z atmosfery (jak w zwykłych silnikach odrzutowych), natomiast od wysokości 26 km (gdzie statek osiągnie prędkość 5 Ma) – ciekły tlen. PO przełączeniu w tryb rakietowy sięgać ma prędkości Mach 25.
HorizonX, ramię inwestycyjne Boeinga zaangażowane w projekt, nie określiło jeszcze, w jaki sposób może wykorzystać SABRE, z wyjątkiem tego, że oczekuje "wykorzystania rewolucyjnej technologii do wspierania Boeinga w dążeniu do lotu naddźwiękowego".
Silniki strumieniowe ramjet i scramjet (silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania), są na ustach fascynatów lotniczych prędkości od dawna. Rozwija się je obecnie głównie z myślą o zastosowaniach militarnych. Jednak, jak uczy historia lotnictwa, to co sprawdzone zostanie w wojsku trafia potem do lotnictwa cywilnego. Wystarczy trochę cierpliwości.
Film na temat inteligentnego silnika Rolls Royce:
