Schneller, leiser, sauberer - Neuer Flugzeugmotor

Es stellt sich heraus, dass man nicht nach neuen Propellern, futuristischen Designs oder Weltraummaterialien suchen muss, um in der Luftfahrt viel zu verändern. Es reicht aus, ein relativ einfaches mechanisches Getriebe zu verwenden ...

Dies ist eine der wichtigsten Innovationen der letzten Jahre. Bei Getriebefan-Motoren (GTF) können Verdichter und Lüfter mit unterschiedlichen Drehzahlen rotieren. Das Lüfterantriebsrad dreht sich mit der Lüfterwelle, trennt jedoch den Lüftermotor vom Niederdruckkompressor und der Turbine. Der Lüfter dreht sich langsamer, während Kompressor und Niederdruckturbine mit höherer Drehzahl arbeiten. Jedes Motormodul kann mit optimaler Effizienz arbeiten. Nach 20 Jahren Forschung und Entwicklung und F&E-Ausgaben von rund 1000 Milliarden US-Dollar war die Turbofan-Familie PurePower PW2016G von Pratt & Whitney vor einigen Jahren in Betrieb und wird seit XNUMX massiv in Verkehrsflugzeugen eingeführt.

Moderne Turbofan-Triebwerke erzeugen auf zwei Arten Schub. Im Kern befinden sich zunächst die Kompressoren und die Brennkammer. An der Vorderseite befindet sich ein Lüfter, der, angetrieben vom Kern, Luft durch die Bypasskammern um den Motorkern leitet. Das Bypass-Verhältnis ist das Verhältnis der durch den Kern strömenden Luftmenge zur durch ihn strömenden Luftmenge. Im Allgemeinen bedeutet ein höheres Bypass-Verhältnis leisere, effizientere und leistungsstärkere Motoren. Herkömmliche Turbofan-Triebwerke haben ein Bypass-Verhältnis von 9 zu 1. Pratt PurePower GTF-Triebwerke haben ein Bypass-Verhältnis von 12 zu 1.

Um das Bypass-Verhältnis zu erhöhen, müssen Motorenhersteller die Länge der Lüfterflügel erhöhen. Bei einer Dehnung sind die Rotationsgeschwindigkeiten am Ende der Klinge jedoch so hoch, dass unerwünschte Vibrationen auftreten. Sie brauchen Lüfterblätter, um langsamer zu werden, und dafür ist das Getriebe da. Laut Pratt & Whitney kann ein solcher Motor bis zu 16 Prozent betragen. großer Kraftstoffverbrauch und 50 Prozent. weniger Abgasemissionen und liegt bei 75 Prozent. ruhig. Kürzlich gaben SWISS und Air Baltic bekannt, dass ihre Triebwerke der GTF-C-Serie sogar weniger Treibstoff verbrauchen, als der Hersteller verspricht.

PW1100G-JM-Motor in einer Produktionslinie

Das Magazin TIME nannte das PW1000G-Triebwerk eine der 50 wichtigsten Erfindungen des Jahres 2011 und eine der sechs umweltfreundlichsten Erfindungen, da Pratt & Whitney PurePower sauberer, leiser und leistungsstärker ist und weniger Treibstoff verbraucht als bestehende Triebwerke. Im Jahr 2016 bezeichnete Richard Anderson, damals Präsident von Delta Air Lines, das Triebwerk als „die erste echte Innovation“, seit Boeings Dreamliner die Verbundbauweise revolutioniert hatte.

Einsparungen und Reduzierung von Emissionen

Der kommerzielle Luftfahrtsektor stößt jährlich mehr als 700 Millionen Tonnen Kohlendioxid aus. Obwohl es nur etwa 2 Prozent sind. Angesichts der weltweiten Kohlendioxidemissionen gibt es Hinweise darauf, dass Treibhausgase im Kerosin größere Auswirkungen auf die Atmosphäre haben, da sie in größeren Höhen freigesetzt werden.

Große Motorenhersteller versuchen, Kraftstoff zu sparen und Emissionen zu reduzieren. Der Pratt-Konkurrent CFM International hat kürzlich sein eigenes fortschrittliches Triebwerk namens LEAP vorgestellt, das laut Unternehmensvertretern ähnliche Ergebnisse wie ein Getriebefan auf Kosten anderer Lösungen liefert. CFM behauptet, dass in einer traditionellen Turbofan-Architektur die gleichen Vorteile ohne das zusätzliche Gewicht und den Luftwiderstand des Antriebsstrangs erzielt werden können. LEAP verwendet leichte Verbundwerkstoffe und Lüfterflügel aus Kohlefaser, um Verbesserungen der Energieeffizienz zu erzielen, die nach Angaben des Unternehmens mit denen des Pratt & Whitney-Motors vergleichbar sind.

Bisher verteilen sich die Bestellungen für Airbus-Triebwerke für die A320neo etwa zu gleichen Teilen auf CFM und Pratt & Whitney. Unglücklicherweise bereiten PurePower-Motoren den Benutzern Probleme. Der erste Fall trat in diesem Jahr auf, als im Airbus A320neo von Qatar Airways eine ungleichmäßige Kühlung der GTF-Triebwerke festgestellt wurde. Ungleichmäßige Abkühlung kann zu Verformung und Reibung von Teilen führen und gleichzeitig die Zeit zwischen den Flügen verlängern. Infolgedessen kam die Fluggesellschaft zu dem Schluss, dass die Triebwerke den betrieblichen Anforderungen nicht entsprachen. Kurz darauf stellten die indischen Luftfahrtbehörden die Flüge von 11 Airbus A320neo-Flugzeugen mit PurePower GTF-Triebwerken ein. Nach Angaben der Economic Times fiel die Entscheidung, nachdem Airbus-Flugzeuge mit GTF-Antrieb innerhalb von zwei Wochen drei Triebwerksausfälle erlitten hatten. Pratt & Whitney spielt diese Schwierigkeiten herunter und sagt, sie seien leicht zu überwinden.

Elektronischer Airbus-Lüfter

Ein weiterer Gigant auf dem Gebiet der Flugzeugtriebwerke, Rolls-Royce, entwickelt ein eigenes Power Gearbox, das bis 2025 den Treibstoffverbrauch großer Turbofans um 25 % senken wird. im Vergleich zu älteren Modellen der bekannten Trent-Motorenreihe. Dies bedeutet natürlich einen neuen Designwettbewerb von Pratt & Whitney.

Die Briten denken auch über andere Arten von Innovationen nach. Während der jüngsten Singapore Airshow startete Rolls-Royce die IntelligentEngine-Initiative, deren Ziel die Entwicklung intelligenter Flugzeugtriebwerke ist, die durch die Fähigkeit zur Kommunikation untereinander und über ein Support-Netzwerk sicherer und effizienter sind. Durch die Bereitstellung einer kontinuierlichen bidirektionalen Kommunikation mit der Engine und anderen Teilen des Service-Ökosystems ist die Engine in der Lage, Probleme zu lösen, bevor sie auftreten, und zu lernen, wie sie die Leistung verbessern kann. Sie würden auch aus der Geschichte ihrer Arbeit und anderer Motoren lernen und müssten sich im Großen und Ganzen sogar unterwegs selbst reparieren.

Antrieb braucht bessere Batterien

Die Luftfahrtvision der Europäischen Kommission für 2050 fordert eine Reduzierung der CO-Emissionen.₂ um 75 Prozent, Stickoxide um 90 Prozent. und Lärm um 65 Prozent. Sie können mit bestehenden Technologien nicht erreicht werden. Elektrische und hybridelektrische Antriebssysteme gelten derzeit als eine der vielversprechendsten Technologien zur Bewältigung dieser Herausforderungen.

Es gibt zweisitzige elektrische Leichtflugzeuge auf dem Markt. Viersitzige Hybrid-Elektrofahrzeuge sind in Sicht. Die NASA prognostiziert, dass diese Art von neunsitzigen Kurzstreckenflugzeugen Anfang der 20er Jahre den Flugverkehr wieder in kleinere Gemeinden bringen werden. Sowohl in Europa als auch in den USA glauben Wissenschaftler, dass es bis 2030 möglich ist, ein Hybrid-Elektroflugzeug mit einer Kapazität von bis zu 100 Sitzplätzen zu bauen. Allerdings sind im Bereich der Energiespeicherung noch erhebliche Fortschritte erforderlich.

Derzeit reicht die Energiedichte von Batterien einfach nicht aus. Allerdings könnte sich das alles ändern. Tesla-Chef Elon Musk sagte, sobald die Batterien 400 Wattstunden pro Kilogramm produzieren können und das Verhältnis von Zellleistung zum Gesamtgewicht 0,7 bis 0,8 beträgt, werde das elektrische Transkontinentalflugzeug zu einer „schwierigen Alternative“. Da Lithium-Ionen-Batterien im Jahr 113 Energiedichten von 1994 Wh/kg, im Jahr 202 von 2004 Wh/kg erreichen konnten und nun etwa 300 Wh/kg erreichen, ist davon auszugehen, dass sie im nächsten Jahrzehnt 400 Wh/kg erreichen werden.

Kitty Hawk elektrisches Zweisitzer-Lufttaxi-Projekt

Airbus, Rolls-Royce und Siemens haben sich kürzlich zusammengetan, um den Flugdemonstrator E-Fan Die Demonstration der E-Fan In der ersten Phase wird der BAe 2020 einen der vier Motoren durch einen 146-MW-Elektromotor ersetzen. Anschließend ist geplant, nach Nachweis der Systemreife die zweite Turbine durch einen Elektromotor zu ersetzen.

Airbus wird für die Gesamtintegration sowie die Hybrid-Elektroantriebs- und Batteriesteuerungsarchitektur und deren Integration mit Flugsteuerungssystemen verantwortlich sein. Rolls-Royce wird für das Gasturbinentriebwerk, den XNUMX-Megawatt-Generator und die Leistungselektronik verantwortlich sein. Gemeinsam mit Airbus wird Rolls-Royce außerdem daran arbeiten, die Ventilatoren an die bestehende Siemens-Gondel und den Elektromotor anzupassen. Siemens wird XNUMX-MW-Elektromotoren und einen elektronischen Leistungsregler sowie einen Wechselrichter, einen Umrichter und ein Stromverteilungssystem liefern.

Viele Forschungszentren auf der ganzen Welt arbeiten an Elektroflugzeugen, darunter auch die NASA, die die X-57 Maxwell baut. Auch das elektrische Zweisitzer-Lufttaxi-Projekt Kitty Hawk und viele andere Strukturen großer Zentren, Unternehmen oder kleiner Start-ups sind in der Entwicklung.

Angesichts der Tatsache, dass die durchschnittliche Lebensdauer von Passagier- und Frachtflugzeugen etwa 21 bzw. 33 Jahre beträgt, würde es zwei bis drei Jahrzehnte dauern, bis die mit fossilen Brennstoffen betriebenen Flugzeuge auslaufen, selbst wenn alle neuen Flugzeuge, die morgen produziert werden, rein elektrisch sind.

Es wird also nicht schnell funktionieren. Unterdessen können Biokraftstoffe die Umwelt im Luftfahrtsektor entlasten. Sie tragen dazu bei, den Kohlendioxidausstoß um 36–85 Prozent zu reduzieren. Obwohl Biokraftstoffmischungen für Flugzeugtriebwerke bereits 2009 zertifiziert wurden, hat die Luftfahrtindustrie keine Eile, Änderungen umzusetzen. Es gibt nur wenige technologische Hürden und Herausforderungen, die damit verbunden sind, die Produktion von Biokraftstoffen auf industrielles Niveau zu bringen, aber der größte Abschreckungsfaktor ist der Preis – es dauert weitere zehn Jahre, bis die Gleichstellung mit fossilen Brennstoffen erreicht ist.

Treten Sie ein in die Zukunft

Gleichzeitig arbeiten die Labore an etwas futuristischeren Flugzeugtriebwerkskonzepten. Bisher klingt beispielsweise ein Plasmamotor nicht sehr realistisch, aber es ist nicht auszuschließen, dass sich wissenschaftliche Arbeiten zu etwas Interessantem und Nützlichem entwickeln. Plasmatriebwerke nutzen Elektrizität, um elektromagnetische Felder zu erzeugen. Sie komprimieren und regen ein Gas wie Luft oder Argon zu einem Plasma an – einem heißen, dichten, ionisierten Zustand. Ihre Forschung führt nun zu der Idee, Satelliten in den Weltraum zu starten (Ionentriebwerke). Allerdings wollen Berkant Goeksel von der Technischen Universität Berlin und sein Team Plasmatriebwerke in Flugzeuge einbauen.

Ziel der Studie ist die Entwicklung eines Luftstrahl-Plasmatriebwerks, das sowohl für Start- als auch für Höhenflüge eingesetzt werden kann. Plasmadüsen sind typischerweise für den Betrieb in einer Vakuum- oder Niederdruckatmosphäre ausgelegt, wo eine Gasversorgung erforderlich ist. Allerdings testete Göksels Team ein Gerät, das in Luft bei einem Druck von einer Atmosphäre betrieben werden kann. „Unsere Plasmadüsen können Geschwindigkeiten von bis zu 20 Kilometern pro Sekunde erreichen“, sagt Göckel in der Konferenzreihe Journal of Physics.

SABRE-Motor im Hyperschallfahrzeug der Zukunft

Zunächst testete das Team Miniaturtriebwerke mit einer Länge von 80 Millimetern. Bei einem Kleinflugzeug sind das bis zu tausend von dem, was das Team für möglich hält. Die größte Einschränkung ist natürlich der Mangel an leichten Batterien. Die Wissenschaftler denken auch über Hybridflugzeuge nach, bei denen ein Plasmamotor mit Verbrennungsmotoren oder Raketen kombiniert würde.

Wenn wir über innovative Triebwerkskonzepte sprechen, dürfen wir das von Reaction Engines Limited entwickelte SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) nicht vergessen. Es wird davon ausgegangen, dass es sich um einen Motor handelt, der sowohl in der Atmosphäre als auch im Vakuum arbeitet und mit flüssigem Wasserstoff betrieben wird. In der Anfangsphase des Fluges ist das Oxidationsmittel Luft aus der Atmosphäre (wie bei herkömmlichen Strahltriebwerken) und aus einer Höhe von 26 km (wo das Schiff eine Geschwindigkeit von 5 Millionen Jahren erreicht) flüssiger Sauerstoff. Nach dem Wechsel in den Raketenmodus erreicht er Geschwindigkeiten von bis zu Mach 25.

HorizonX, der an dem Projekt beteiligte Investitionsarm von Boeing, muss noch entscheiden, wie SABRE es nutzen könnte, außer dass es erwartet, „revolutionäre Technologie einzusetzen, um Boeing bei seinem Streben nach Überschallflügen zu unterstützen“.

RAMJET und Scramjet (Überschallstrahltriebwerk mit Brennkammer) sind bei Fans der Hochgeschwindigkeitsfliegerei schon lange in aller Munde. Derzeit werden sie hauptsächlich für militärische Zwecke entwickelt. Doch wie die Geschichte der Luftfahrt lehrt, wird das, was in der Armee getestet wird, in die Zivilluftfahrt gehen. Alles, was Sie brauchen, ist ein wenig Geduld.

Rolls Royce Intelligent Engine Video:

Rolls-Royce | Innovation in IntelligentEngine