Mais rápido, mais silencioso, mais limpo - Novo motor de aeronave

Acontece que para mudar muito na aviação, você não precisa procurar novas hélices, designs futuristas ou materiais espaciais. Basta usar uma transmissão mecânica relativamente simples ...

Esta é uma das inovações mais importantes dos últimos anos. Motores turbofan com engrenagens (GTF) permitem que o compressor e o ventilador girem em velocidades diferentes. A engrenagem de acionamento do ventilador gira com o eixo do ventilador, mas separa o motor do ventilador do compressor de baixa pressão e da turbina. O ventilador gira a uma velocidade mais lenta, enquanto o compressor e a turbina de baixa pressão operam a uma velocidade mais alta. Cada módulo do motor pode operar com eficiência ideal. Após 20 anos de gastos em P&D e P&D de cerca de US$ 1000 bilhão, a família de turbofans Pratt & Whitney PurePower PW2016G estava operacional há alguns anos e foi massivamente introduzida em aeronaves comerciais desde XNUMX.

Os motores turbofan modernos geram empuxo de duas maneiras. Primeiro, os compressores e a câmara de combustão estão localizados em seu núcleo. Na frente está um ventilador que, acionado pelo núcleo, direciona o ar através das câmaras de desvio ao redor do núcleo do motor. A razão de desvio é a razão entre a quantidade de ar que passa pelo núcleo e a quantidade de ar que passa por ele. Em geral, uma taxa de desvio mais alta significa motores mais silenciosos, mais eficientes e mais potentes. Os turbofans convencionais têm uma relação de desvio de 9 para 1. Os motores Pratt PurePower GTF têm uma relação de desvio de 12 para 1.

Para aumentar a taxa de desvio, os fabricantes de motores devem aumentar o comprimento das pás do ventilador. No entanto, quando alongada, as velocidades de rotação obtidas na extremidade da lâmina serão tão altas que ocorrerão vibrações indesejadas. Você precisa de pás do ventilador para desacelerar, e é para isso que serve a caixa de câmbio. Esse motor pode chegar a 16%, de acordo com a Pratt & Whitney. grande economia de combustível e 50 por cento. menos emissões de escape e é de 75 por cento. tranquilo. Recentemente, a SWISS e a Air Baltic anunciaram que seus motores a jato da série GTF C consomem ainda menos combustível do que o fabricante promete.

Motor PW1100G-JM na linha de produção

A revista TIME nomeou o motor PW1000G como uma das 50 invenções mais importantes de 2011 e uma das seis invenções mais ecológicas, já que o Pratt & Whitney PurePower foi projetado para ser mais limpo, mais silencioso, mais potente e usar menos combustível do que os motores a jato existentes. Em 2016, Richard Anderson, então presidente da Delta Air Lines, chamou o motor de "a primeira verdadeira inovação" desde que o Dreamliner da Boeing revolucionou a construção de compósitos.

Economia e redução de emissões

O setor de aviação comercial emite mais de 700 milhões de toneladas de dióxido de carbono anualmente. Embora seja apenas cerca de 2 por cento. emissões globais de dióxido de carbono, há evidências de que os gases de efeito estufa no combustível de aviação têm um impacto maior na atmosfera, pois são liberados em altitudes mais elevadas.

Os principais fabricantes de motores estão procurando economizar combustível e reduzir as emissões. O concorrente da Pratt, CFM International, introduziu recentemente seu próprio motor avançado chamado LEAP, que, segundo funcionários da empresa, oferece resultados semelhantes a um turbofan com engrenagens em detrimento de outras soluções. A CFM afirma que em uma arquitetura turbofan tradicional, os mesmos benefícios podem ser alcançados sem o peso adicional e o arrasto do trem de força. O LEAP usa materiais compósitos leves e pás de ventilador de fibra de carbono para obter melhorias de eficiência energética que, segundo a empresa, são comparáveis ​​às alcançadas com o motor Pratt & Whitney.

Até o momento, os pedidos de motores Airbus para o A320neo são divididos aproximadamente igualmente entre a CFM e a Pratt & Whitney. Infelizmente para esta última empresa, os motores PurePower estão causando problemas para os usuários. O primeiro apareceu este ano, quando o resfriamento desigual dos motores GTF foi registrado no Airbus A320neo da Qatar Airways. O resfriamento desigual pode levar à deformação e atrito das peças e, ao mesmo tempo, aumentar o tempo entre os voos. Como resultado, a companhia aérea concluiu que os motores não atendiam aos requisitos operacionais. Pouco tempo depois, as autoridades de aviação indianas suspenderam os voos de 11 aeronaves Airbus A320neo equipadas com motores PurePower GTF. De acordo com o Economic Times, a decisão veio depois que aeronaves com motores Airbus GTF sofreram três falhas de motor ao longo de duas semanas. A Pratt & Whitney minimiza essas dificuldades, dizendo que são fáceis de superar.

Ventilador eletrônico Airbus

Outra gigante no ramo de motores aeronáuticos, a Rolls-Royce, está desenvolvendo sua própria Power Gearbox, que até 2025 reduzirá o consumo de combustível em grandes turbofans em 25%. em comparação com os modelos mais antigos da conhecida gama de motores Trent. Isso, é claro, significa um novo concurso de design da Pratt & Whitney.

Os britânicos também estão pensando em outros tipos de inovação. Durante o recente Singapore Airshow, a Rolls-Royce lançou a IntelligentEngine Initiative, que visa desenvolver motores de aeronaves inteligentes que sejam mais seguros e eficientes por meio da capacidade de comunicação entre si e por meio de uma rede de suporte. Ao fornecer comunicação bidirecional contínua com o mecanismo e outras partes do ecossistema de serviços, o mecanismo poderá resolver problemas antes que eles ocorram e aprender como melhorar o desempenho. Eles também aprenderiam com a história de seu trabalho e de outros motores e, em geral, teriam que se consertar em movimento.

Drive precisa de baterias melhores

A visão de aviação da Comissão Europeia para 2050 exige uma redução nas emissões de CO.₂ em 75 por cento, óxidos de nitrogênio em 90 por cento. e ruído em 65 por cento. Eles não podem ser alcançados com as tecnologias existentes. Os sistemas de propulsão elétrico e híbrido-elétrico são atualmente vistos como uma das tecnologias mais promissoras para enfrentar esses desafios.

Existem aeronaves leves elétricas de dois lugares no mercado. Veículos híbrido-elétricos de quatro lugares estão no horizonte. A NASA prevê que, no início dos anos 20, esse tipo de avião de nove lugares, de curta distância, trará os serviços de aviação de volta às comunidades menores. Tanto na Europa quanto nos EUA, cientistas acreditam que até 2030 seja possível construir uma aeronave híbrida-elétrica com capacidade de até 100 assentos. No entanto, serão necessários progressos significativos no domínio do armazenamento de energia.

Atualmente, a densidade de energia das baterias simplesmente não é suficiente. No entanto, tudo isso pode mudar. O chefe da Tesla, Elon Musk, disse que, uma vez que as baterias sejam capazes de produzir 400 watts-hora por quilo, e a proporção entre a energia da célula e o peso total seja de 0,7 a 0,8, um avião transcontinental elétrico se tornará uma "alternativa difícil". Considerando que as baterias de íon-lítio foram capazes de atingir uma densidade energética de 113 Wh/kg em 1994, 202 Wh/kg em 2004, e agora são capazes de atingir cerca de 300 Wh/kg, pode-se supor que na próxima década elas atingirá o nível de 400 Wh/kg.

Projeto de táxi aéreo elétrico de dois lugares Kitty Hawk

A Airbus, a Rolls-Royce e a Siemens recentemente fizeram uma parceria para desenvolver o demonstrador voador E-Fan X, que será um passo significativo na propulsão elétrica híbrida de aeronaves comerciais. Espera-se que a demonstração da tecnologia elétrica híbrida E-Fan X seja -Fan X voará em 2020 após uma extensa campanha de testes em solo. Na primeira fase, o BAe 146 substituirá um dos quatro motores por um motor elétrico de XNUMX MW. Posteriormente, está prevista a substituição da segunda turbina por um motor elétrico após demonstrar a maturidade do sistema.

A Airbus será responsável pela integração geral, bem como pela arquitetura híbrida de propulsão elétrica e controle de bateria e sua integração com os sistemas de controle de voo. A Rolls-Royce será responsável pelo motor de turbina a gás, gerador de XNUMX megawatts e eletrônica de potência. Juntamente com a Airbus, a Rolls-Royce também trabalhará na adaptação dos ventiladores à nacela e motor elétrico Siemens existentes. A Siemens fornecerá motores elétricos de XNUMX MW e controlador eletrônico de potência, além de inversor, conversor e sistema de distribuição de energia.

Muitos centros de pesquisa ao redor do mundo estão trabalhando em aeronaves elétricas, incluindo a NASA, que está construindo o X-57 Maxwell. O projeto de táxi aéreo elétrico de dois lugares Kitty Hawk e muitas outras estruturas de grandes centros, empresas ou pequenas start-ups também estão sendo desenvolvidos.

Dado que a vida útil média das aeronaves de passageiros e de carga é de cerca de 21 e 33 anos, respectivamente, mesmo que todas as novas aeronaves produzidas amanhã sejam totalmente elétricas, levaria duas a três décadas para eliminar gradualmente as aeronaves movidas a combustível fóssil.

Portanto, não funcionará rapidamente. Enquanto isso, os biocombustíveis podem aliviar o meio ambiente no setor de aviação. Eles contribuem para a redução das emissões de dióxido de carbono em 36-85 por cento. Apesar de as misturas de biocombustíveis para motores a jato terem sido certificadas em 2009, a indústria da aviação não tem pressa em implementar mudanças. Existem poucos obstáculos e desafios tecnológicos associados a levar a produção de biocombustíveis a níveis industriais, mas o principal impedimento é o preço – são necessários mais dez anos para alcançar a paridade com os combustíveis fósseis.

Entre no futuro

Ao mesmo tempo, os laboratórios estão trabalhando em conceitos de motores de aeronaves um pouco mais futuristas. Até agora, por exemplo, um motor de plasma não parece muito realista, mas não se pode descartar que trabalhos científicos se transformem em algo interessante e útil. Os propulsores de plasma usam eletricidade para criar campos eletromagnéticos. Eles comprimem e excitam um gás, como ar ou argônio, em um plasma – um estado quente, denso e ionizado. Sua pesquisa agora leva à ideia de lançar satélites no espaço sideral (propulsores de íons). No entanto, Berkant Goeksel da Universidade Técnica de Berlim e sua equipe querem colocar propulsores de plasma em aviões.

O objetivo da pesquisa é desenvolver um motor de plasma a jato de ar que possa ser usado tanto para decolagem quanto para voos de alta altitude. Os motores a jato de plasma são normalmente projetados para operar em uma atmosfera de vácuo ou baixa pressão, onde é necessário um suprimento de gás. No entanto, a equipe de Göksel testou um dispositivo capaz de operar no ar a uma pressão de uma atmosfera. “Nossos bicos de plasma podem atingir velocidades de até 20 quilômetros por segundo”, diz Göckel na série de conferências do Journal of Physics.

Motor SABRE no veículo hipersônico do futuro

Para começar, a equipe testou propulsores em miniatura de 80 milímetros de comprimento. Para uma aeronave pequena, isso será até mil do que a equipe considera possível. A maior limitação, claro, é a falta de baterias leves. Os cientistas também estão considerando aeronaves híbridas, nas quais o motor a plasma será combinado com motores de combustão interna ou foguetes.

Quando falamos de conceitos inovadores de motores a jato, não podemos esquecer o SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) desenvolvido pela Reaction Engines Limited. Supõe-se que este será um motor operando tanto na atmosfera quanto no vácuo, funcionando com hidrogênio líquido. Na fase inicial do voo, o oxidante será o ar da atmosfera (como nos motores a jato convencionais) e de uma altura de 26 km (onde o navio atinge uma velocidade de 5 milhões de anos) - oxigênio líquido. Depois de mudar para o modo foguete, atingirá velocidades de até Mach 25.

A HorizonX, braço de investimento da Boeing envolvido no projeto, ainda não decidiu como o SABRE poderia usá-lo, exceto que espera "usar tecnologia revolucionária para ajudar a Boeing em sua busca pelo voo supersônico".

RAMJET e scramjet (motor a jato supersônico com câmara de combustão) estão há muito tempo na boca dos fãs da aviação de alta velocidade. Atualmente, eles são desenvolvidos principalmente para fins militares. No entanto, como ensina a história da aviação, o que será testado no exército irá para a aviação civil. Só é preciso um pouco de paciência.

Vídeo do motor inteligente Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovação em IntelligentEngine