Lebih Cepat, Lebih Tenang, Lebih Bersih - Mesin Pesawat Baru

Ternyata untuk banyak berubah dalam penerbangan, Anda tidak perlu mencari baling-baling baru, desain futuristik, atau material luar angkasa. Cukup menggunakan transmisi mekanis yang relatif sederhana ...

Ini adalah salah satu inovasi terpenting dalam beberapa tahun terakhir. Geared turbofan motor (GTF) memungkinkan kompresor dan kipas berputar pada kecepatan yang berbeda. Roda gigi penggerak kipas berputar dengan poros kipas tetapi memisahkan motor kipas dari kompresor dan turbin bertekanan rendah. Kipas berputar pada kecepatan yang lebih lambat, sedangkan kompresor dan turbin tekanan rendah beroperasi pada kecepatan yang lebih tinggi. Setiap modul mesin dapat beroperasi pada efisiensi optimal. Setelah 20 tahun menghabiskan R&D dan R&D sekitar $1000 miliar, keluarga turbofan Pratt & Whitney PurePower PW2016G beroperasi beberapa tahun yang lalu dan telah diperkenalkan secara besar-besaran ke pesawat komersial sejak XNUMX.

Mesin turbofan modern menghasilkan daya dorong dalam dua cara. Pertama, kompresor dan ruang bakar terletak di intinya. Di bagian depan adalah kipas yang, digerakkan oleh inti, mengarahkan udara melalui ruang bypass di sekitar inti motor. Rasio bypass adalah rasio jumlah udara yang melewati inti dengan jumlah udara yang melewatinya. Secara umum, rasio bypass yang lebih tinggi berarti mesin yang lebih senyap, lebih efisien, dan lebih bertenaga. Mesin turbofan konvensional memiliki rasio bypass 9 banding 1. Mesin Pratt PurePower GTF memiliki rasio bypass 12 banding 1.

Untuk meningkatkan rasio bypass, pabrikan motor harus menambah panjang bilah kipas. Namun pada saat memanjang, kecepatan putar yang diperoleh pada ujung sudu akan sangat tinggi sehingga akan terjadi getaran yang tidak diinginkan. Anda membutuhkan bilah kipas untuk memperlambat, dan itulah gunanya gearbox. Mesin seperti itu bisa mencapai 16 persen, menurut Pratt & Whitney. ekonomi bahan bakar yang besar dan 50 persen. emisi gas buang lebih sedikit dan 75 persen. diam. Baru-baru ini, SWISS dan Air Baltic mengumumkan bahwa mesin jet GTF C-series mereka mengkonsumsi bahan bakar lebih sedikit daripada yang dijanjikan pabrikan.

Mesin PW1100G-JM di jalur produksi

Majalah TIME menyebut mesin PW1000G sebagai salah satu dari 50 penemuan terpenting tahun 2011 dan salah satu dari enam penemuan paling ramah lingkungan, karena Pratt & Whitney PurePower dirancang agar lebih bersih, lebih senyap, lebih bertenaga, dan menggunakan lebih sedikit bahan bakar daripada mesin jet yang ada. Pada tahun 2016, Richard Anderson, yang saat itu menjabat sebagai presiden Delta Air Lines, menyebut mesin tersebut sebagai "inovasi sejati pertama" sejak Dreamliner Boeing merevolusi konstruksi komposit.

Penghematan dan pengurangan emisi

Sektor penerbangan komersial mengeluarkan lebih dari 700 juta ton karbon dioksida setiap tahunnya. Meski hanya sekitar 2 persen. emisi karbon dioksida global, ada bukti bahwa gas rumah kaca dalam bahan bakar jet memiliki dampak yang lebih besar pada atmosfer karena dilepaskan di ketinggian yang lebih tinggi.

Produsen mesin utama ingin menghemat bahan bakar dan mengurangi emisi. Pesaing Pratt CFM International baru-baru ini memperkenalkan mesin canggihnya sendiri yang disebut LEAP, yang menurut pejabat perusahaan memberikan hasil yang serupa dengan turbofan diarahkan dengan mengorbankan solusi lain. CFM mengklaim bahwa dalam arsitektur turbofan tradisional, manfaat yang sama dapat dicapai tanpa penambahan bobot dan hambatan pada powertrain. LEAP menggunakan bahan komposit ringan dan bilah kipas serat karbon untuk mencapai peningkatan efisiensi energi yang menurut perusahaan sebanding dengan yang dicapai dengan mesin Pratt & Whitney.

Sampai saat ini, pesanan mesin Airbus untuk A320neo secara kasar dibagi rata antara CFM dan Pratt & Whitney. Sayangnya untuk perusahaan yang terakhir, motor PurePower menyebabkan masalah bagi pengguna. Yang pertama muncul tahun ini, ketika pendinginan mesin GTF yang tidak merata tercatat di Airbus A320neo Qatar Airways. Pendinginan yang tidak merata dapat menyebabkan deformasi dan gesekan bagian, dan pada saat yang sama meningkatkan waktu antar penerbangan. Akibatnya, maskapai menyimpulkan bahwa mesin tidak memenuhi persyaratan operasional. Tak lama kemudian, otoritas penerbangan India menangguhkan penerbangan 11 pesawat Airbus A320neo yang ditenagai oleh mesin PurePower GTF. Menurut Economic Times, keputusan itu muncul setelah pesawat bertenaga Airbus GTF mengalami tiga kegagalan mesin selama dua minggu. Pratt & Whitney meremehkan kesulitan-kesulitan ini, dengan mengatakan bahwa kesulitan-kesulitan itu mudah diatasi.

kipas elektronik Airbus

Raksasa lain di bidang mesin pesawat, Rolls-Royce, sedang mengembangkan Power Gearbox sendiri, yang pada tahun 2025 akan mengurangi konsumsi bahan bakar pada turbofan besar sebesar 25%. dibandingkan dengan model lama dari jajaran mesin Trent yang terkenal. Ini, tentu saja, berarti kompetisi desain Pratt & Whitney baru.

Inggris juga sedang memikirkan jenis inovasi lainnya. Selama Singapore Airshow baru-baru ini, Rolls-Royce meluncurkan IntelligentEngine Initiative, yang bertujuan untuk mengembangkan mesin pesawat cerdas yang lebih aman dan efisien melalui kemampuan berkomunikasi satu sama lain dan melalui jaringan pendukung. Dengan menyediakan komunikasi dua arah yang berkelanjutan dengan engine dan bagian lain dari ekosistem layanan, engine akan dapat memecahkan masalah sebelum terjadi dan mempelajari cara meningkatkan kinerja. Mereka juga akan belajar dari sejarah pekerjaan mereka dan mesin lainnya, dan pada umumnya mereka bahkan harus memperbaiki diri saat bepergian.

Drive membutuhkan baterai yang lebih baik

Visi Penerbangan Komisi Eropa 2050 menyerukan pengurangan emisi CO.₂ sebesar 75 persen, nitrogen oksida sebesar 90 persen. dan kebisingan sebesar 65 persen. Mereka tidak dapat dicapai dengan teknologi yang ada. Sistem propulsi listrik dan hibrida-listrik saat ini dipandang sebagai salah satu teknologi paling menjanjikan untuk memenuhi tantangan ini.

Ada pesawat ringan listrik dua kursi di pasaran. Kendaraan listrik hibrida empat tempat duduk berada di cakrawala. NASA memperkirakan bahwa pada awal 20-an, jenis pesawat jarak pendek sembilan kursi ini akan membawa layanan penerbangan kembali ke komunitas yang lebih kecil. Baik di Eropa maupun di AS, para ilmuwan percaya bahwa pada tahun 2030 dimungkinkan untuk membangun pesawat listrik hibrida dengan kapasitas hingga 100 kursi. Namun, kemajuan signifikan akan diperlukan di bidang penyimpanan energi.

Saat ini, kepadatan energi baterai tidak cukup. Namun, semua ini bisa berubah. Bos Tesla Elon Musk mengatakan bahwa begitu baterai mampu menghasilkan 400 watt-jam per kilogram, dan rasio daya sel terhadap berat total adalah 0,7-0,8, pesawat listrik lintas benua akan menjadi "alternatif yang sulit." Mengingat baterai lithium-ion mampu mencapai kepadatan energi 113 Wh/kg pada tahun 1994, 202 Wh/kg pada tahun 2004, dan sekarang mampu mencapai sekitar 300 Wh/kg, dapat diasumsikan bahwa dalam dekade berikutnya mereka akan mencapai level 400 Wh/kg.

Proyek taksi udara listrik dua tempat duduk Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce dan Siemens baru-baru ini bermitra untuk mengembangkan demonstrasi terbang E-Fan X, yang akan menjadi langkah maju yang signifikan dalam propulsi listrik hibrida pesawat komersial. Demonstrasi teknologi listrik hibrida E-Fan X diharapkan -Fan X akan terbang pada tahun 2020 setelah kampanye uji darat yang ekstensif. Pada tahap pertama, BAe 146 akan mengganti salah satu dari empat mesin dengan motor listrik XNUMX megawatt. Selanjutnya direncanakan untuk mengganti turbin kedua dengan motor listrik setelah menunjukkan kematangan sistem.

Airbus akan bertanggung jawab atas integrasi keseluruhan serta propulsi listrik hibrida dan arsitektur kontrol baterai dan integrasinya dengan sistem kontrol penerbangan. Rolls-Royce akan bertanggung jawab atas mesin turbin gas, generator XNUMX-megawatt, dan elektronika daya. Bersama Airbus, Rolls-Royce juga akan bekerja mengadaptasi kipas dengan nacelle dan motor listrik Siemens yang sudah ada. Siemens akan memasok motor listrik XNUMX MW dan pengontrol daya elektronik, serta inverter, konverter, dan sistem distribusi daya.

Banyak pusat penelitian di seluruh dunia sedang mengerjakan pesawat listrik, termasuk NASA, yang sedang membangun X-57 Maxwell. Proyek taksi udara listrik dua tempat duduk Kitty Hawk dan banyak struktur lain dari pusat-pusat besar, perusahaan, atau perusahaan rintisan kecil juga sedang dikembangkan.

Mengingat bahwa umur rata-rata pesawat penumpang dan kargo masing-masing adalah sekitar 21 dan 33 tahun, bahkan jika semua pesawat baru yang diproduksi besok semuanya bertenaga listrik, akan diperlukan dua hingga tiga dekade untuk menghentikan penggunaan pesawat bertenaga bahan bakar fosil secara bertahap.

Jadi itu tidak akan bekerja dengan cepat. Sementara itu, biofuel dapat meringankan lingkungan di sektor penerbangan. Mereka berkontribusi pada pengurangan emisi karbon dioksida sebesar 36-85 persen. Terlepas dari kenyataan bahwa campuran biofuel untuk mesin jet disertifikasi pada tahun 2009, industri penerbangan tidak terburu-buru untuk menerapkan perubahan. Ada sedikit rintangan dan tantangan teknologi yang terkait dengan membawa produksi biofuel ke tingkat industri, tetapi penghalang utama adalah harga – dibutuhkan sepuluh tahun lagi untuk mencapai keseimbangan dengan bahan bakar fosil.

Melangkah ke masa depan

Pada saat yang sama, laboratorium sedang mengerjakan konsep mesin pesawat yang agak lebih futuristik. Selama ini, misalnya, mesin plasma terdengar tidak terlalu realistis, tetapi tidak menutup kemungkinan karya ilmiah akan berkembang menjadi sesuatu yang menarik dan bermanfaat. Pendorong plasma menggunakan listrik untuk menciptakan medan elektromagnetik. Mereka memampatkan dan mengeksitasi gas, seperti udara atau argon, menjadi plasma—keadaan panas, padat, dan terionisasi. Penelitian mereka kini mengarah pada gagasan peluncuran satelit di luar angkasa (ion thruster). Namun, Berkant Goeksel dari Universitas Teknik Berlin dan timnya ingin menempatkan pendorong plasma di pesawat.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan mesin plasma jet udara yang dapat digunakan baik untuk lepas landas maupun penerbangan di ketinggian. Mesin jet plasma biasanya dirancang untuk beroperasi dalam vakum atau atmosfer bertekanan rendah di mana pasokan gas diperlukan. Namun, tim Göksel menguji perangkat yang mampu beroperasi di udara pada tekanan satu atmosfer. “Nozel plasma kami dapat mencapai kecepatan hingga 20 kilometer per detik,” kata Göckel dalam seri konferensi Journal of Physics.

Mesin SABRE di kendaraan hipersonik masa depan

Untuk memulainya, tim menguji pendorong mini sepanjang 80 milimeter. Untuk pesawat kecil, ini akan mencapai seribu dari apa yang dianggap mungkin oleh tim. Keterbatasan terbesar, tentu saja, adalah kurangnya baterai yang ringan. Para ilmuwan juga mempertimbangkan pesawat hibrida, di mana mesin plasma akan dikombinasikan dengan mesin pembakaran internal atau roket.

Ketika kita berbicara tentang konsep mesin jet yang inovatif, jangan lupakan SABRE (Mesin Roket Pernapasan Udara Sinergis) yang dikembangkan oleh Reaction Engines Limited. Diasumsikan bahwa ini akan menjadi mesin yang beroperasi baik di atmosfer maupun di ruang hampa, yang menggunakan hidrogen cair. Pada tahap awal penerbangan, pengoksidasi adalah udara dari atmosfer (seperti pada mesin jet konvensional), dan dari ketinggian 26 km (di mana kapal mencapai kecepatan 5 juta tahun) - oksigen cair. Setelah beralih ke mode roket, itu akan mencapai kecepatan hingga Mach 25.

HorizonX, cabang investasi Boeing yang terlibat dalam proyek tersebut, belum memutuskan bagaimana SABRE dapat menggunakannya, kecuali bahwa ia mengharapkan untuk "menggunakan teknologi revolusioner untuk membantu Boeing dalam pencariannya untuk penerbangan supersonik."

RAMJET dan scramjet (mesin jet supersonik dengan ruang bakar) telah lama berada di bibir penggemar penerbangan berkecepatan tinggi. Saat ini, mereka dikembangkan terutama untuk tujuan militer. Namun, seperti yang diajarkan sejarah penerbangan, apa yang akan diuji di angkatan darat akan masuk ke penerbangan sipil. Yang dibutuhkan hanyalah sedikit kesabaran.

Video Mesin Cerdas Rolls Royce:

Rolls-Royce | Inovasi di IntelligentEngine