より速く、より静かに、よりクリーンに - 新しい航空機エンジン

航空業界を大きく変えるために、新しいプロペラ、未来的なデザイン、宇宙材料を探す必要はありません。 比較的単純な機械式トランスミッションを使用するだけで十分です...

これは、近年の最も重要な革新の20つです。 ギヤードターボファンモーター（GTF）を使用すると、コンプレッサーとファンをさまざまな速度で回転させることができます。 ファンドライブギアはファンシャフトと一緒に回転しますが、ファンモーターを低圧コンプレッサーとタービンから分離します。 ファンは低速で回転しますが、コンプレッサーと低圧タービンは高速で動作します。 各エンジンモジュールは最適な効率で動作できます。 プラット・アンド・ホイットニーのPurePower PW1000Gターボファンファミリーは、2016年間の研究開発と約XNUMX億ドルの研究開発費を経て、数年前に運用され、XNUMX年から民間航空機に大量に導入されています。

最新のターボファンエンジンは、9つの方法で推力を生成します。 まず、コンプレッサーと燃焼室がそのコアに配置されています。 前面にはファンがあり、コアによって駆動され、モーターコアの周りのバイパスチャンバーに空気を送ります。 バイパス率は、コアを通過する空気の量とコアを通過する空気の量の比率です。 一般に、バイパス比が高いということは、より静かで、より効率的で、より強力なエンジンを意味します。 従来のターボファンエンジンのバイパス比は1対12です。PrattPurePowerGTFエンジンのバイパス比は1対XNUMXです。

バイパス比を上げるには、モーターメーカーはファンブレードの長さを長くする必要があります。 ただし、伸ばすと、ブレードの端で得られる回転速度が非常に速くなるため、不要な振動が発生します。 速度を落とすにはファンブレードが必要です。それがギアボックスの目的です。 プラット・アンド・ホイットニーによれば、このようなエンジンは16パーセントにもなる可能性があります。 優れた燃費と50パーセント。 排気ガスが少なく、75％です。 静かな。 最近、SWISSとAir Balticは、GTFCシリーズジェットエンジンの燃料消費量がメーカーの約束よりもさらに少ないと発表しました。

PW1100G-生産ラインのJMエンジン

プラット・アンド・ホイットニーPurePowerは、既存のジェットエンジンよりもクリーンで、静かで、より強力で、燃料の使用量が少ないように設計されているため、TIME誌はPW1000Gエンジンを50年の最も重要な2011の発明の2016つおよび最も環境に優しいXNUMXつの発明のXNUMXつと名付けました。 XNUMX年、当時デルタ航空の社長だったリチャードアンダーソンは、ボーイングのドリームライナーが複合構造に革命を起こして以来、エンジンを「最初の真の革新」と呼びました。

排出量の節約と削減

商用航空部門は、年間700億トン以上の二酸化炭素を排出しています。 それはわずか約2パーセントですが。 世界的な二酸化炭素排出量を見ると、ジェット燃料に含まれる温室効果ガスは、より高い高度で放出されるため、大気に大きな影響を与えるという証拠があります。

主要なエンジン メーカーは、燃料の節約と排出ガスの削減に取り組んでいます。 Pratt のライバルである CFM International は最近、LEAP と呼ばれる独自の高度なエンジンを導入しました。同社の関係者によると、他のソリューションを犠牲にしてギア付きターボファンに同様の結果をもたらします。 CFM は、従来のターボファン アーキテクチャでは、パワートレインの重量やドラッグを追加することなく、同じ利点を達成できると主張しています。 LEAP は、軽量の複合材料とカーボン ファイバー ファン ブレードを使用してエネルギー効率の向上を実現しています。これは、Pratt & Whitney エンジンで達成されたものに匹敵すると同社は述べています。

現在まで、A320neoのエアバスエンジンの注文は、CFMとプラットアンドホイットニーの間でほぼ均等に分割されています。 後者の会社にとって残念なことに、PurePowerモーターはユーザーに問題を引き起こしています。 今年最初に登場したのは、カタール航空のエアバスA320neoでGTFエンジンの不均一な冷却が記録されたときです。 不均一な冷却は部品の変形や摩擦につながる可能性があり、同時に飛行間の時間が長くなります。 その結果、航空会社は、エンジンが運用要件を満たしていないと結論付けました。 その後まもなく、インドの航空当局は、PurePowerGTFエンジンを搭載した11機のエアバスA320neo航空機の飛行を停止しました。 エコノミックタイムズによると、この決定は、エアバスGTFを動力源とする航空機がXNUMX週間の間にXNUMX回のエンジン故障に見舞われた後に行われました。 プラット・アンド・ホイットニーはこ​​れらの困難を軽視し、克服するのは簡単だと言っています。

エアバス電子ファン

航空機エンジンの分野におけるもう2025つの巨人、ロールスロイスは独自のパワーギアボックスを開発しています。これにより、25年までに大型ターボファンの燃料消費量がXNUMX％削減されます。 よく知られているトレントエンジン範囲の古いモデルと比較して。 もちろん、これは新しいプラット・アンド・ホイットニーのデザインコンペを意味します。

イギリス人は他の種類の革新についても考えています。 最近のシンガポールエアショーで、ロールスロイスはIntelligentEngineイニシアチブを立ち上げました。これは、相互の通信機能とサポートネットワークを通じて、より安全で効率的なインテリジェント航空機エンジンの開発を目的としています。 エンジンおよびサービスエコシステムの他の部分との継続的な双方向通信を提供することにより、エンジンは問題が発生する前に問題を解決し、パフォーマンスを向上させる方法を学ぶことができます。 彼らはまた、彼らの仕事や他のエンジンの歴史から学び、概して、外出先で自分自身を修理しなければならないでしょう。

ドライブにはより良いバッテリーが必要

2050年の欧州委員会の航空ビジョンでは、CO排出量の削減が求められています。₂ 75パーセント、窒素酸化物は90パーセント。 ノイズは65％です。 それらは既存の技術では達成できません。 電気およびハイブリッド電気推進システムは、現在、これらの課題に対応するための最も有望な技術のXNUMXつと見なされています。

市場には20人乗りの軽飛行機があります。 2030人乗りのハイブリッド電気自動車が間近に迫っています。 NASAは、100年代初頭に、このタイプの短距離XNUMX人乗り旅客機が航空サービスをより小さなコミュニティに戻すと予測しています。 ヨーロッパと米国の両方で、科学者はXNUMX年までに最大XNUMX席の容量を持つハイブリッド電気航空機を製造することが可能であると信じています。 しかし、エネルギー貯蔵の分野では大きな進歩が必要です。

現在、バッテリーのエネルギー密度は単に十分ではありません。 ただし、これはすべて変更される可能性があります。 テスラのボスであるイーロン・マスク氏は、バッテリーが400キログラムあたり0,7ワット時を生成でき、総重量に対するセル電力の比率が0,8〜113になると、電気大陸横断旅客機は「難しい代替手段」になると述べました。 リチウムイオン電池は、1994年に202 Wh / kg、2004年に300 Wh / kgのエネルギー密度を達成でき、現在は約400 Wh / kgに達することができることを考えると、今後XNUMX年以内にレベルXNUMXWh/kgに達します。

キティホーク電気XNUMX人乗りエアタクシープロジェクト

エアバス、ロールスロイス、シーメンスは最近、E-Fan X飛行デモンストレーターの開発に協力しました。これは、民間航空機のハイブリッド電気推進における重要な前進となるでしょう。 E-Fan Xハイブリッド電気技術のデモンストレーションは-FanXが大規模な地上試験キャンペーンの後、2020年に飛行する予定です。 最初のフェーズでは、BAe146はXNUMXつのエンジンのうちのXNUMXつをXNUMXMWの電気モーターに置き換えます。 その後、システムの成熟度を示した後、XNUMX番目のタービンを電気モーターに交換する予定です。

エアバスは、全体的な統合、ハイブリッド電気推進およびバッテリー制御アーキテクチャ、および飛行制御システムとの統合を担当します。 Rolls-Royceは、ガスタービンエンジン、XNUMXメガワットの発電機、パワーエレクトロニクスを担当します。 ロールスロイスはエアバスと協力して、ファンを既存のシーメンスナセルと電気モーターに適合させることにも取り組みます。 シーメンスは、XNUMX MWの電気モーターと電子電力コントローラー、およびインバーター、コンバーター、配電システムを供給します。

X-57マクスウェルを製造しているNASAを含め、世界中の多くの研究センターが電気航空機に取り組んでいます。 キティホークの電気XNUMX人乗りエアタクシープロジェクトや、大規模なセンター、企業、小規模な新興企業のその他の多くの構造物も開発されています。

旅客機と貨物機の平均寿命がそれぞれ約21年と33年であることを考えると、明日製造されるすべての新しい航空機がすべて電気であるとしても、化石燃料を動力源とする航空機を段階的に廃止するにはXNUMX〜XNUMX年かかります。

そのため、すぐには機能しません。 一方、バイオ燃料は航空部門の環境を明るくすることができます。 それらは二酸化炭素排出量を36-85パーセント削減するのに役立ちます。 ジェットエンジン用のバイオ燃料ブレンドが2009年に認定されたという事実にもかかわらず、航空業界は変更の実施を急いでいません。 バイオ燃料の生産を工業レベルにすることに関連する技術的なハードルと課題はほとんどありませんが、主な抑止力は価格です。化石燃料と同等になるにはさらにXNUMX年かかります。

未来へのステップ

同時に、ラボはやや未来的な航空機エンジンのコンセプトに取り組んでいます。 たとえば、これまでのところ、プラズマエンジンはあまり現実的ではありませんが、科学的な研究が興味深く有用なものに発展することを否定することはできません。 プラズマスラスターは、電気を使用して電磁場を生成します。 それらは、空気やアルゴンなどのガスを圧縮して励起し、プラズマに変換します。これは、高温で高密度のイオン化状態です。 彼らの研究は現在、宇宙空間で衛星を打ち上げるというアイデアにつながります（イオンスラスター）。 しかし、ベルリン工科大学のBerkant Goekselと彼のチームは、プラズマスラスターを飛行機に搭載したいと考えています。

研究の目的は、離陸飛行と高高度飛行の両方に使用できるエアジェットプラズマエンジンを開発することです。 プラズマジェットは通常、ガス供給が必要な真空または低圧雰囲気で動作するように設計されています。 ただし、Gökselのチームは、20気圧の空気中で動作できるデバイスをテストしました。 「私たちのプラズマノズルは毎秒最大XNUMXキロメートルの速度に達することができます」とGöckelはJournalofPhysicsカンファレンスシリーズで述べています。

未来の極超音速機のSABREエンジン

まず、チームは長さ80ミリメートルのミニチュアスラスターをテストしました。 小型航空機の場合、これはチームが可能と考えるものの最大XNUMXになります。 もちろん、最大の制限は軽量バッテリーの不足です。 科学者たちはまた、プラズマエンジンを内燃機関またはロケットと組み合わせるハイブリッド航空機を検討しています。

革新的なジェットエンジンのコンセプトについて話すときは、リアクションエンジンズリミテッドが開発したSABRE（相乗的空気呼吸ロケットエンジン）を忘れないでください。 これは、液体水素で動作する、大気と真空の両方で動作するエンジンであると想定されています。 飛行の初期段階では、酸化剤は大気からの空気（従来のジェットエンジンのように）と26 kmの高さ（船が5万年の速度に達する場所）からの液体酸素です。 ロケットモードに切り替えた後、マッハ25までの速度に達します。

プロジェクトに関与するボーイングの投資部門であるHorizo​​nXは、「超音速飛行の探求においてボーイングを支援するために革新的な技術を使用する」ことを期待していることを除いて、SABREがそれをどのように使用できるかをまだ決定していません。

ラムジェットとスクラムジェット（燃焼室を備えた超音速ジェットエンジン）は、長い間、高速航空のファンの口に出てきました。 現在、それらは主に軍事目的で開発されています。 しかし、航空の歴史が教えているように、軍隊でテストされるものは民間航空に行きます。 必要なのは少しの忍耐です。

ロールスロイスインテリジェントエンジンビデオ：

ロールスロイス| IntelligentEngineの革新