Jak technologia elektrycznych hiperaut może przywrócić supersoniczne podróże lotnicze (w końcu!)

Silniki elektryczne z samochodów takich jak Aston Martin Valkyrie mogą naprawić największą wadę, która uziemiła Concorde.

Tylko 66 lat dzieli pierwsze loty braci Wright od wprowadzenia supersonicznego samolotu pasażerskiego Concorde. Inżynier/optimizm w mnie jest zatem głęboko rozczarowany, że prędkości podróży lotniczej tylko spowolniły w ciągu prawie ćwierć wieku od ostatniego lotu eleganckiego Concorde. Miłośnicy samochodów mogą być dumni: po dekadach innowacji w lotnictwie, które wpłynęły na samochody (turboładowarki, włókno węglowe, aerodynamika, ceramika), świat motoryzacji jest gotowy do odwzajemnienia — w imponujący sposób.

Prawdziwą piętą achillesową supersonicznego Concorde była pragnienie jego czterech silników turboodrzutowych Rolls-Royce (które mogły podobno pochłaniać 1–2 tony paliwa na ziemi przed startem!). Ograniczało to zasięg samolotu, co uniemożliwiało mu obsługę niezwykle zyskownych tras trans-pacyficznych. Jak rozwiązać ten trudny problem? W sposób, w jaki mogą to zrobić samochody (trochę): hybrydyzować!

Firma Astro Mechanica z siedzibą w San Francisco pracuje nad włączeniem silników elektrycznych Helix, takich jak te napędzające takie rakiety drogowe jak Aston Martin Valkyrie, Lotus Evija, Czinger 21C i McMurtry Spéirling „samochód wentylatorowy”, nie wspominając o wyścigach Formuły E. Jak wygląda „elektryfikacja” supersonicznego samolotu?

Silniki będą napędzać etap wentylatora w proponowanej koncepcji silnika turboelektrycznego adaptacyjnego (TAE) „Duality” firmy Astro Mechanica. Konwencjonalne silniki odrzutowe mechanicznie łączą wentylator z turbiną, zmuszając oba do działania jako kompromis w szerokim zakresie warunków lotu.

Projekt odłączony może niezależnie optymalizować sprężanie i generację mocy — szczególnie przy wysokich prędkościach, gdzie sprężanie powietrza przy wlocie znacząco przyczynia się do wzrostu całkowitego ciśnienia. To redukuje straty pracy i poprawia ogólną efektywność. Elektryczne wentylatory sprężarki pozwalają temu samemu silnikowi zachowywać się jak wentylator turbo przy niższych prędkościach (dzisiejszy stan techniki dla lotów poddźwiękowych), jak turboodrzutowiec przy wyższych prędkościach (Concorde, MiG-21) i w pewnym sensie jak silnik ramjet (SR-71, pociski powietrze-powietrze) podczas lotu supersonicznego.

Skąd pochodzi energia elektryczna? Choć na pokładzie znajduje się bateria, służy ona jedynie jako bufor — jak w łagodnym samochodzie hybrydowym. Większość energii elektrycznej używanej przez prawdopodobnie cztery silniki wentylatorowe w dwóch jednostkach napędowych jest generowana na żądanie przez oddzielny silnik turbinowy zasilający podobne silniki Helix działające jako generatory (stąd występują pewne straty konwersji paliwa na energię elektryczną).

Przy wysokiej prędkości, elektrycznie napędzane etapy sprężarki Duality mogą potencjalnie być wstrzymane. Uruchamianie ich jak wiatraki może generować pewną energię, ale nie jest jeszcze pewne, czy ta korzyść przewyższy straty efektywności spowodowane ograniczeniami przepływu powietrza. Paliwo oszczędza się głównie poprzez unikanie nadmiernej pracy sprężarki, którą dostarcza ciśnienie powietrza. Mówiąc o tym, każda bateria buforowa będzie miała rozmiar wystarczający do zaspokojenia wszystkich potrzeb HVAC i energetycznych na ziemi, a także będzie mogła taksować samolot bezemisyjnie, zasilając wentylatory elektrycznie bez uruchamiania głównej turbiny. (Założyciel/CEO Ian Brooke przewiduje baterię o pojemności 40 kWh i wadze 90 kg w swoich początkowych mniejszych samolotach.)

Punkt wyjaśnienia: Rzeczywiste silniki Helix SPX242-94 superaut były używane do testów dowodowych, które już wykazały supersoniczny przepływ spalin, ale dostosowane silniki Helix piątej generacji oparte na podobnym sprzęcie „masowej produkcji” są wzmacniane do pracy w niskotemperaturowych, niskociśnieniowych, wysokogórskich warunkach. W cienkim powietrzu łatwiej jest elektryczności przeskakiwać — między fazami stojana lub do ziemi. Zapobieganie temu wymaga więcej izolacji wokół uzwojeń stojana. Helix ma silniki opracowane dla pojazdów startowych satelitów (jako główne siłowniki sterujące lotem), więc firma już ma silniki zdolne do pracy w temperaturze -90 stopni.

Na koniec, chociaż silniki mają wydajność na poziomie 98,4–98,8 procent, 2 procenta z prawie megawata na silnik to wciąż dużo ciepła do zarządzania, a utrzymanie wysokich ciągłych mocy wymaga nowoczesnego chłodzenia zarówno statora, jak i magnesów w wirniku, co jest realizowane za pomocą wielu obiegów chłodzenia. Te silniki pracują najciężej podczas startu i wznoszenia.

Ciekawostka: Silniki będą napędzać wentylatory bezpośrednio, ponieważ silniki i wentylatory są dobrane tak, że silniki osiągają swoje ograniczenia bezwładnościowe w przybliżeniu w tej samej prędkości, w jakiej końcówki łopat wentylatora osiągają swoje aerodynamiczne ograniczenia prędkości.

Astro Mechanica pracuje nad tym, aby podróże naddźwiękowe stały się rzeczywistością w ciągu dekady — najpierw rozwijając duże, szybkie, bezzałogowe systemy. Jednak długoterminowym celem jest naddźwiękowy lot pasażerski w cenach zbliżonych do dzisiejszych taryf w klasie ekonomicznej. Aby osiągnąć ten zbyt długo oczekiwany cel, Brooke proponuje podejście oparte na trzech filarach.

Pierwszym oczywistym filarem jest znacznie poprawiona wydajność Duality. Drugim będzie zasilanie Duality skroplonym gazem ziemnym (LNG). Jest on znacznie tańszy niż paliwo lotnicze w przeliczeniu na energię, oferuje wyższą energię specyficzną, co może wydłużyć zasięg w samolotach zaprojektowanych do tego, i produkuje około 20–30 procent mniej CO₂ podczas spalania. Jednak wdrożenie infrastruktury do tankowania LNG zajmie lata, jeśli nie dziesięciolecia.

Trzecim sposobem, w jaki Astro Mechanica wyobraża sobie obniżenie kosztów podróży naddźwiękowych, jest zastosowanie modelu biznesowego gdzieś pomiędzy zaplanowaną usługą małych statków powietrznych podobną do prywatnych odrzutowców JSX (dawniej JetSuiteX) a modelem „Uber dla podróży powietrznych”, wykorzystującym małe (od pięciu do ośmiu pasażerów) naddźwiękowe odrzutowce operujące z mniejszych lotnisk.

Jak szybko mówimy, co z hukiem dźwiękowym i jaki materiał na skórę? Astro Mechanica celuje w prędkość Mach 2,25–2,70 (1 726–2 072 mph, znacznie więcej niż 1 354 mph Concorde'a). Ich samoloty będą lżejsze, a kształt lepiej zaprojektowany do rozkładu siły nośnej, co powinno sprawić, że stożek huku dźwiękowego towarzyszący samolotowi będzie znacznie mniejszy i cichszy — zwłaszcza gdy jest słyszany z wysokości przelotowej 60 000 stóp.

To zbyt szybko dla aluminiowej skóry Concorde'a (maks. 300 stopni), a tytan (660 stopni) używany w SR-71 Blackbird jest zbyt trudny do uformowania w idealny kształt aerodynamiczny. Dlatego Brooke planuje użycie struktury tytanowej pokrytej głównie włóknem węglowym w termoutwardzalnej żywicy zwanej Bismaleimidem (lub BMI — 480 stopni), stosując tytan tylko tam, gdzie ciepło powierzchniowe jest największe — jak na przykład na krawędziach natarcia skrzydeł.

Wracając do tych silników, Astro Mechanica ma plan dostarczenia silników Duality, jak również całych samolotów. Helix może zakończyć dostarczanie silników (a McLaren inwerterów z węglika krzemu) w obecnej formie, ale firma zabezpieczyła również innych dostawców.

Jakie lekcje Helix mógłby wynieść z zastosowań w lotnictwie, które mogłyby być zastosowane w pojazdach elektrycznych na lądzie? Główny inżynier Derek Jordanou-Bailey wskazuje na architekturę trójfazową jako na istotny element (trzy inwertery na silnik, obecnie najlepszy sposób dostarczania wystarczającego prądu przy użyciu dzisiejszej architektury 800–900 woltów). Nowatorskie techniki połączeń wysokiego napięcia Helix były również kluczowe dla osiągnięcia wysokiej gęstości mocy ciągłej, jakiej wymaga Duality, a te prawdopodobnie znajdą swoje miejsce w motorsporcie i samochodach drogowych o wysokich osiągach. Tymczasem integracja systemu chłodzenia typu motorsport w bardziej towarową architekturę silnika stanowi kolejny postęp z potencjalnym zyskiem dla samochodu drogowego lub Formuły E.

Jak szybko będzie można zamówić „hybrydową” podróż naddźwiękową? Brooke spodziewa się, że w ciągu najbliższych kilku lat będą latać samoloty, ale przyznaje, że nie będzie można zamówić przystępnego lotu naddźwiękowego zasilanego LNG wcześniej niż w połowie lat 30. XXI wieku.

Z pięciu firm zajmujących się podróżami naddźwiękowymi, najbardziej imponuje strategia Astro Mechanica w zakresie zwiększania efektywności. Fakt, że firma uważnie obserwuje „silnik finansowy” potrzebny do sfinansowania działalności w tym etapie rozwoju, jest również zachęcający — podpisano liczne kontrakty na bliższe terminy, o których Brooke nie mogła się szczegółowo wypowiedzieć.

Osobiście podróżując ponad 4,8 miliona kilometrów linią Delta, poruszając się z przeciętną prędkością 900 km/h, nie mogę się doczekać, aby spróbować lotu z prędkością Mach. Szczęśliwej drogi, Helix i Astro Mechanica!