duminică, 26 noiembrie 2017

Avioane electrice? (1)

Succesul, deocamdata destul de modest, al automobilelor electrice inspira si industria aviatiei.
Sa vedem deci intii care sunt conditiile de la care plecam.

Acumulatorii
Desigur si avioanele electrice se confrunta cu problema acumulatorilor. La nivelul tehnic de azi cele mai bune acumulatoare au o eficienta energetica de ca. 200Wh/kg, asta reprezinta de 50 de ori mai prost decit combustibilul clasic de aviatie. Nici pretul unui acumulator nu e de neglijat, Tesla de 65kWh costa ca. 25000$.

update: in urma comentariului d-lui Cojocaru am introdus diagrama de mai jos:
Se observa ca exista mari sperante de crestere a "energy density".

Un studiu NASA a comparat un avion clasic, Cirrus SR 22, poate cel mai vindut avion monomotor, cu unul electric, vezi diagrama.

Dupa cum se vede, presupunind un acumulator cu 200Wh/kg, un avion electric ar cintari 11.300lbs pt o distanta de zbor de numai 200 de mile. Avionul original cintareste 3400lb dar are o distanta de zbor de pina la 2500km. De abia la o densitate de ca. 400Wh/kg s-ar ajunge la o greutate cit de cit comparabila.

Motoare electrice
Motoarele electrice insa, au ceva avantaje fata de motoarele clasice. Au un randament de 2 ori mai mare decit motoarele cu turbina si de 3-4 ori mai mare decit cele cu piston. Randamentul ajunge la 94-97%, fata de cele clasice care se misca pe la 40-50%. Raportul putere-greutate e de 6 ori mai mare decit la cele clasice. In plus nu pierd putere la inaltime, sunt f. silentioase. Siemens a reusit un motor electric pt. aviatie care cintareste doar 50kg la o putere de 260kW. Mai mult, in timp ce motoarele clasice cu cit sunt mai mari cu atit au randament mai mare, la cele electrice se pastreaza raportul greutate/putere, respectiv randament indiferent de marimea motorului.
Inca un mic avantaj ar fi ca nu mai sunt necesare reductoare de viteza, adica cutie de viteza, fapt ce ieftineste constructia dar si mareste fiabilitatea grupului propulsor.  Amintesc ca cele mai mari probleme la A400 sunt legate tocmai de acest agregat. Tot la capitolul avantaje e si faptul ca motoarele pot fi amplasate oriunde nemaifind atit de dependente de o curgere de aer care sa asigure absorbtia aerului si racirea motorului.
Deci o parte din dezavantajele acumulatorilor sunt compensate de motoare.

Configuratia avionului
Dupa cum rezulta din cele de mai sus este aproape imposibil sa se ia un avion clasic si sa se-nlocuiasca, pur si simplu, motorul clasic cu cel electric. Trebuie incercat sa se profite, sa se exploateze avantajele motoarelor electrice.
NASA a anuntat o competitie intre studenti pt. realizarea unui avion electric, avion care sa aiba 4 locuri, distanta de zbor 800nm (1482km) si o viteza de 323 km/h. Aceste performante ar fi de ca. 30 de ori mai bune decit ale unui micut avion (planor) electric existent, fabricat de o firma din Slovenia, Pipistrel.
Pipistrel, motoplanor electric.
Se observa pozitia cumva neobisnuita a motorului, cocotat peste fuselaj. Si E-Genius, un avion proiectat de studentii de la univeristatea din Stuttgart, au propus o configuratie asemanatoare.
E-Genius

Probabil inspirat de aceasta un tinar american, Tom Neuman a propus o solutie pt. competitia NASA cu pozitionarea neobisnuita a motoarelor, pe ampenajele in V.
Proiect Tom Neuman
Mister Neuman si-a propus prin aceasta pozitionare a motoarelor o micsorare drastica a rezistentei la inaintare a avionului deoarece curgerea pe aripa si fuselaj ar fi quasi laminara, nemaifind perturbata de tulburentele motorului si a elicei. (apropos Ro e implicat intr-un proiect EU, BLADE pe tema curgere laminara, voi reveni). Desigur tinarul uita ca un motor cocotat mult peste centrul de greutate al avionului produce un moment de tangaj, adica tinde sa coboare botul, tendinta care trebuie contracarata de ampenaje si unghiul de incidenta a aripii, fapt care mareste ceva rezistenta la inaintare. Oricum, ideal ar fi ca vectorul tractiunii sa se afle pe axa centrului de greutate.

Sa vedem insa ce fac cei mari. NASA a lansat termenul de Distributed Electric Propulsion.
Idea e sa se instaleze un mare numar de motorase pe bordul de atac al aripii, motorase care ar putea fi actionate individual, putind produce chiar un moment de giratie facind inutila directia.
Dar avantajul enorm ar fi accelerarea curentului de aer pe aripa, accelerare care ar duce la cresterea masiva a portantei si reducerea rezistentei la inaintare.
Proiect Sceptor NASA
Curgerea pe aripa la o tractiune distribuita.
Cum spuneam, motoarele sunt actionate individual, deci in functie de regimul de zbor, de curentii aerului, eventual vint lateral se poate regla turatia motoarelor pt. a optimiza zborul. Teoretic ar fi posibila chiar rotirea motoarelor in sensuri diferite pt. a pastra echilibrul.
Se observa in imagine ca la extremitatea aripii sunt montate motoare, respectiv elice, mai mari. Accelerarea curentului la extremitatea aripii micsoreaza drastic rezistenta indusa. Rezistenta indusa se produce din cauza curgerii aerului in lungul aripii, curgere care are loc datorita diferentei de presiune intre partea superioara si inferioara a aripii. Solutia clasica pt. reducerea acestei rezistente este instalarea celebrelor winglete.

Dar ce facem cu cresterea portantei? Am putea-o folosi la reducerea vitzezei minime, respectiv a vitezei de decolare si prin asta scurtarea distantei de decolare. Dar problema noastra de baza ramine greutatea, putem folosi crestrea portantei la reducerea greutatii aripii prin reducerea suprafetei, marirea incarcarii alare. Sa nu uitam ca multimea motoraselor instalate pe aripa descarca, prin greutatea lor, aripa, portanta actionind in sus iar greutatea in jos.

Deci se ajunge la o configuratie ca cea de mai sus, cu o suprafata a aripii extrem de mica, vei zona albastra din poza si cu o reducere masiva a greutatii.
Nu e f. sigur daca o asemena configuratie ar putea fi certificata, cel putin dupa actualele regulamente e putin probabil, datorita faptului ca o cadere a tractiunii ar duce la o prabusire rapida a avionului, din cauza airpii mici care ar avea proprietati f. proaste de planare.

Revenind la comparatia cu Cirrus am putea compara variantele dupa cum urmeaza:
Se observa ca noua varianta LEAPTech ar avea o greutate de doar 3000lbs, suprafata aripii scazind de la 145 ft² la aproape o treime 55,1 ft², urmarea cresterii coeficientului de portanta de la 0,3 la 0,77. Si viteza ar trebui poate usor redusa de la 211 mph la 200, pt. a economisi energie, stiind ca rezistenta la inaintare variaza cu patratul vitezei.

Dar chiar in aceasta configuratie nu s-ar atinge distanta de zbor a avionului original.

Trenul de aterizare
O atentie deosebita trebuie data trenului de aterizare. Avioanele clasice au o greutate de aterizare mult mai mica decit cea de decolare deoarece arderea combustibilului reduce greutatea. E cunoscut faptul ca atit avioanele de transport cit si cele de lupta sunt nevoite, in cazul uneor defectiuni care le obliga sa vina la aterizare, sa-si consume combustibilul sau sa-l descarce in atmosfera. La avioanele electrice un acumulator incarcat e la fel de greu ca unul gol, deci in acest caz greutatea de decolare e egala cu cea de aterizare. Drept urmare e necesar un tren mai solid, lucru care-nseamna o penalizare suplimentara de greutate.

Va urma!

P.S Voi incerca sa vorbesc de avioane hibride dar si de proiectul BLADE la care a participat si Romania.

5 comentarii:

  1. Cu tot progresul consistent (cresterea medie a “energy density” de 8% pe an in ultimii 30 de ani), pare evident ca, fara ivirea unei lebede negre in domeniul conservarii energiei electrice, aeroplanul electric nu va depasi prea curand stadiul de experiment. Istoria revolutiilor tehnologice ne demonstreaza insa ca frecventa de aparitie a lebedelor negre a crescut dramatic – deci nu e rau ca intre timp sa lustruim pusca.

    In acest sens (al lustruirii pustii) poate ca merita sa eliminam niste confuzii. Diverse surse citate mai sus mentioneaza in mod eronat o marime fizica (energy density) ca fiind masurata in Wh/Kg. Realitatea e ca in Wh/Kg se masoara “specific energy”. Densitatea (energy density) se masoara in Wk/l. Daca in cazul kerosenului diferentele dintre cele doua marimi e de vreo 13-14%, in cazul bateriilor diferentele sunt de 120-150%. De exemplu, o baterie lithium-metal are 500Wh/kg dar 1200Wh/l. Oare cum ar trebui sa citim diagrama de la ineputul postarii?

    De fapt, brambureala printre unitatile de masura folosite de diverse surse devine sublima atunci cand vorbim de viteze masurate in mph si Km/h (in timp ce aviatia conventionala foloseste kts) ori lungimi in ft, nm or Km. Poate ca autorul ar putea indrepta aceste stangacii de prin materialele originale.

    Fascinat de aluzia strecurata in termenul LEAPTech (un “salt” tenologic) am scormonit pe site-ul NASA si am aflat ca termenul e croit de la “Leading Edge Asynchronous Propeller Technology”. Intr-o chinuita traducere ar suna cam asa: tehnologie care implica elici cu functionare asincrona, elici pozitionate pe bordul de atac al aeroplanului. Este desigur un caz particular al “distributed electric propulsion”.

    RăspundețiȘtergere
    Răspunsuri
    1. Energy density is the amount of energy stored in a given system or region of space per unit volume. Colloquially it may also be used for energy per unit mass, though the accurate term for this is specific energy.

      Vorbind de greutate ne intereseaza Wh/kg. Atentie am gacat un update cu o diagrama cu acumulatoare. Apropos si termenul baterie-acumulator, in diferite limbi, e folosit un pic colocvoial.

      Ai drepate, unitatile de masura sunt cam amestecate, mi se facuse lene si a stat ploaia si am plecat cu bicicleta.

      Desigur o lebada neagra ar revolutiona lumea, nu numai ind. aviatiei. Noi suntem pregatiti :)

      Ștergere
  2. Apropos, privind 500wh/kg poate trebuie dat atentie frazei din diagrama 400Wh/h is critical to enable early adopter electric propulsion market

    RăspundețiȘtergere
  3. Randament de 2 ori mai mare decât turbina cu gaze şi de 2-3 ori mai mare decât motorul cu piston? Poate este invers? Pentru compararea randamentelor trebuie să ţinem cont şi de randamentele sistemelor de producere şi transport a energiei electrice.

    RăspundețiȘtergere
    Răspunsuri
    1. Randamentul se refera strict la motorul electric vs celelalte tipuri.
      Ai dreptate, daca s-ar considera toata reteaua, de la producerea energiei electrice, (ar fi mari diferente intre diferitele metode), la transport, stocare etc. tabloul ar arata cu totul altfel.
      In ceea ce ma priveste nu sunt nici pe departe un adept al isteriei Tesla et co. Totusi, in viitorul indepartat cind nu va mai fi petrol vor exista alternative.
      Pt. un ing. de aviatie aceste cercetari sunt pur si simplu interesante, ne deschide orizontul, tehnic vorbind.

      Ștergere