На крейсерской высоте самолеты выбрасывают в атмосферу постоянный поток оксидов азота, где химические вещества могут задерживаться, образуя озон и мелкие частицы. Оксиды азота, или NOИкс, являются основным источником загрязнения воздуха и связаны с астмой, респираторными заболеваниями и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Предыдущие исследования показали, что образование этих химикатов из-за авиации во всем мире приводит к 16000 преждевременных смертей ежегодно.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали концепцию силовой установки самолета, которая, по их оценкам, устранит 95% авиационных выбросов NO.Икс выбросов, и тем самым снизить количество связанных с этим ранних смертей на 92 процента.
Эта концепция основана на системах контроля выбросов, используемых в наземных транспортных средствах. Многие тяжелые дизельные грузовые автомобили сегодня оснащены системами контроля выбросов после сжигания для снижения выбросов NO.Икс генерируется двигателями. Теперь исследователи предлагают аналогичную конструкцию для авиации с электрическим поворотом.
Современные самолеты приводятся в движение реактивными двигателями, закрепленными под каждым крылом. В каждом двигателе находится газовая турбина, которая приводит в действие пропеллер, который перемещает самолет по воздуху, когда выхлопные газы из турбины выходят назад. Из-за этой конфигурации было невозможно использовать устройства контроля выбросов, поскольку они могли бы влиять на тягу, создаваемую двигателями.
В новой гибридно-электрической или «турбо-электрической» конструкции источником энергии для самолета по-прежнему будет обычная газовая турбина, но она будет интегрирована в грузовой отсек самолета. Вместо того, чтобы напрямую приводить в действие винты или вентиляторы, газовая турбина будет приводить в действие генератор, также находящийся в трюме, для выработки электроэнергии, которая затем будет приводить в действие установленные на крыльях винты с электрическим приводом или вентиляторы. Выбросы, производимые газовой турбиной, будут подаваться в систему контроля выбросов, в целом аналогичную системам в дизельных транспортных средствах, которая очищает выхлопные газы перед их выбросом в атмосферу.
«Это все равно будет огромной инженерной проблемой, но фундаментальных физических ограничений нет». говорит Стивен Барретт, профессор аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Если вы хотите достичь нулевого уровня авиационного сектора, это потенциальный способ решения этой части проблемы загрязнения воздуха, которая является значительной и технологически вполне жизнеспособной».
Детали проекта, включая анализ его потенциальных затрат на топливо и воздействия на здоровье, опубликованы сегодня в журнале. Энергетика и экология. Соавторами статьи являются Пракаш Прашант, Раймонд Спет, Себастьян Истхэм и Джаянт Сабнинс, все сотрудники Лаборатории авиации и окружающей среды Массачусетского технологического института.
Полуэлектрифицированный план
Семена для гибридно-электрического самолета команды выросли из работы Барретта и его команды по расследованию скандала с выбросами дизельного топлива Volkswagen. В 2015 году экологические регулирующие органы обнаружили, что производитель автомобилей намеренно манипулировал дизельными двигателями, чтобы активировать бортовые системы контроля выбросов только во время лабораторных испытаний, так что они, похоже, не соответствовали требованиям.Икс нормы выбросов, но на самом деле выбросы NO в 40 раз большеИкс в реальных условиях вождения.
Изучая влияние мошенничества на выбросы выхлопных газов, Барретт также ознакомился с системами контроля выбросов дизельных автомобилей в целом. Примерно в то же время он также изучал возможность создания большого полностью электрического самолета.
«Исследования, проведенные в последние несколько лет, показывают, что вы, вероятно, могли бы электрифицировать меньшие самолеты, но для больших самолетов это не произойдет в ближайшее время без значительных прорывов в аккумуляторных технологиях». говорит Барретт. «Поэтому я подумал, может быть, мы сможем взять электрическую силовую часть из электрического самолета и газовых турбин, которые существуют уже давно, сверхнадежные и очень эффективные, и объединить это с технологией контроля выбросов, которая используется в автомобильной промышленности. и наземное питание, по крайней мере, для полуэлектрифицированных самолетов ".
Полет с нулевым ударом
До того, как вопрос об электрификации самолетов был серьезно рассмотрен, можно было бы реализовать такую концепцию, например, в качестве дополнения к задней части реактивных двигателей. Но эта конструкция, как отмечает Барретт, «убьет любой поток тяги», создаваемый реактивным двигателем, что фактически обосновало бы эту конструкцию.
Концепция Барретта позволяет обойти это ограничение путем отделения гребных винтов или вентиляторов, создающих тягу, от газовой турбины, вырабатывающей энергию. Вместо этого пропеллеры или вентиляторы будут напрямую приводиться в действие электрическим генератором, который, в свою очередь, будет приводиться в действие газовой турбиной. Выхлоп из газовой турбины будет подаваться в систему контроля выбросов, которую можно складывать гармошкой в грузовом отсеке самолета. полностью изолированную от двигателей, создающих тягу.
Он предполагает, что основная часть гибридно-электрической системы. газовая турбина, электрогенератор и система контроля за выбросами. поместится в салоне самолета, где на многих коммерческих самолетах может быть достаточно места.
В своей новой статье исследователи подсчитали, что если бы такая гибридно-электрическая система была реализована на самолетах типа Boeing 737 или Airbus A320, дополнительный вес потребовал бы примерно на 0,6 процента больше топлива, чтобы управлять самолетом.
«Это было бы во много, много раз более осуществимо, чем то, что предлагалось для полностью электрических самолетов». говорит Барретт. «Такая конструкция добавила бы самолету несколько сотен килограммов вместо того, чтобы добавлять много тонн батарей, что значительно увеличило бы вес».
Исследователи также подсчитали выбросы, которые будут производиться большим самолетом, с системой контроля выбросов и без нее, и обнаружили, что гибридно-электрическая конструкция устранит 95 процентов NO.Икс выбросы
По их дальнейшим оценкам, если бы эта система была развернута на всех самолетах по всему миру, можно было бы избежать 92 процентов смертей, связанных с загрязнением окружающей среды, в результате авиации. Они пришли к этой оценке, используя глобальную модель, чтобы составить карту потока авиационных выбросов в атмосфере, и подсчитали, насколько различные группы населения во всем мире будут подвержены этим выбросам. Затем они преобразовали эти воздействия в смертность или оценки количества людей, которые умрут в результате воздействия авиационной эмиссии.
В настоящее время команда работает над дизайном самолета с нулевым ударом, который летит, не выделяя NO.Икс и другие химические вещества, такие как изменяющий климат углекислый газ.
«Мы должны добиться практически нулевого чистого воздействия на климат и нулевого уровня смертности от загрязнения воздуха». говорит Барретт. «Этот нынешний дизайн эффективно устранит проблему загрязнения воздуха авиацией. Сейчас мы работаем над ее частью, связанной с воздействием на климат».
Источник