Авторка — Лорен Нейґел
Розподілену електричну тягу (DEP) запропонували як спосіб удосконалити сучасний літальний апарат: підвищити ефективність і маневреність, скоротити дистанцію зльоту й посадки.
Концепції DEP обіцяють зменшити споживання палива та водночас поліпшити характеристики. Це приваблива перспектива на тлі постійних зусиль зробити авіацію екологічнішою.
У статті розглянуто принцип роботи DEP, переваги й недоліки та перспективні літальні апарати. Також представлено рішення для випробування таких систем.
Зміст
- Що таке розподілена електрична тяга (DEP)
- Як працює розподілена електрична тяга
- Переваги розподіленої електричної тяги
- Проблеми розподіленої електричної тяги
- Відомі літальні апарати з DEP
- Як випробувати систему DEP
1. Що таке розподілена електрична тяга (DEP)
Розподілена електрична тяга (DEP) — це система, у якій тягу створюють три або більше електричних рушіїв. У багатьох концепціях електричні вентилятори або пропелери розташовані паралельно вздовж аеродинамічної поверхні, наприклад крила.
DEP може бути повністю електричною, коли двигуни живляться від акумуляторів, або гібридною, коли їх живить турбогенератор.
Багато відомих організацій розробляють концепції DEP. Серед них NASA, яка активно випробовує різні конструкції [1].
Наразі загальноприйнятого визначення DEP немає, окрім обов’язкової наявності кількох електричних рушіїв.
Рисунок 1. Vertical Aerospace VX4 під час льотного випробування (джерело: Business Wire)
2. Як працює розподілена електрична тяга
DEP — концепція, що розвивається, і двох однакових апаратів із DEP немає. Проте більшість належить до двох основних категорій: повністю електричні та гібридні турбоелектричні.
1. Повністю електричні апарати з DEP
У повністю електричному апараті головним джерелом живлення є бортовий акумулятор із високою питомою енергією. Він живить кілька електродвигунів, кожен із яких окремо з’єднаний із вентилятором або пропелером. Рушії створюють необхідну для польоту тягу.
Рисунок 2. Схема повністю електричного апарата з DEP
Приклади повністю електричних апаратів: Vertical Aerospace VX4, S4 від Joby Aviationта Midnight від Archer.
2. Гібридні турбоелектричні апарати з DEP
У гібридному турбоелектричному апараті джерелом енергії є газотурбінний двигун, з’єднаний із генератором. Генератор перетворює механічну потужність турбіни на електричну, яка надходить до розподілених електродвигунів. Вони обертають рушії та створюють необхідну тягу.
Рисунок 3. Схема гібридного турбоелектричного апарата з DEP
Приклади: Electra EL-2 «Goldfinch» та Airbus EcoPulse.
Розташування компонентів ретельно продумують, оскільки джерела живлення, рушії та аеродинамічні поверхні мають працювати разом для оптимальних характеристик.
3. Нові технології DEP
Для апаратів із DEP досліджують кілька нових технологій. ZeroAvia розробляє воднево-електричні двигуни: водневі паливні елементи генерують електроенергію для електродвигунів, а єдиним побічним продуктом є вода.
Розвиток хімії акумуляторів також критично важливий для DEP. Твердотільні акумулятори обіцяють 400–500 Вт·год/кг проти наведених у статті 150–200 Вт·год/кг для літій-іонних елементів. Окрім більшої питомої енергії, вони безпечніші, оскільки не мають такої займистості, як акумулятори з рідким електролітом.
Проте головна проблема твердотільних акумуляторів — циклічний ресурс, тобто кількість циклів заряджання й розряджання до погіршення характеристик. Lyten нещодавно продемонструвала твердотільний літій-сірчаний акумулятор у 3D-друкованому БПЛА, який літав понад три години зі швидкістю до 86 миль/год.
Рисунок 4. Літій-сірчані акумулятори Lyten у 3D-друкованому БПЛА (джерело)
Хоча технології ще на ранніх стадіях, вони показують, як альтернативні джерела енергії можуть розширити дальність і можливості DEP порівняно з наявними системами.
Далі докладніше розглянемо ці компоненти, їхні переваги й проблеми.
3. Переваги розподіленої електричної тяги
Системи DEP мають кілька потенційних переваг:
Взаємодія аеродинаміки й рушійної системи
Інтеграція рушіїв у поверхні, що створюють підйомну силу, наприклад передню крайку крила, забезпечує взаємодію аеродинамічних і рушійних сил. Це проявляється кількома способами:
Засмоктування примежового шару (BLI) — приклад, коли рушії засмоктують повільніше повітря примежового шару вздовж поверхні апарата. Для його прискорення потрібно менше енергії, а сумарний опір поверхні може зменшитися, підвищуючи паливну ефективність до 8,5% [2].
Концепцію E-Thrust група EADS (Airbus, Astrium, Cassidian і Eurocopter) розробила спільно з Rolls-Royce для засмоктування примежового шару рушіями на задній крайці крила.
Водночас потік у примежовому шарі значно нерівномірніший за вільний потік, тому потрібні міцніші пропелери або вентилятори.
Рисунок 5. Концепція Airbus E-Thrust із засмоктуванням примежового шару (джерело)
Заповнення аеродинамічного сліду— ширший термін для способів зменшення опору, спричиненого збуреним потоком позаду літака. У DEP цьому сприяє продумане розташування рушіїв. Наприклад, їх можна встановити біля хвостової частини, щоб додати енергії потоку вздовж фюзеляжу.
Перенапрямлення кінцевих вихорів крила — ще одна досліджувана концепція взаємодії [3]. Рушії на кінцях крила перенапрямляють вихори, підвищуючи ефективність тяги й зменшуючи опір.
Керування літаком за допомогою тяги (PCA)
У літаку PCA тангаж, крен і рискання контролюються зміною роботи рушіїв, а не традиційними керувальними поверхнями. На відміну від реактивних літаків і ракет, що використовують керування вектором тяги, PCA зазвичай спирається лише на зміну величини тяги, а не форми випускної системи.
Апарати DEP добре підходять для такого маневрування, оскільки тягу кожного рушія можна змінювати незалежно. Точне узгодження тяги з потребами апарата потенційно підвищує паливну ефективність.
У більшості літаків керування тягою є резервним і працює разом із традиційними поверхнями. DEP може дати приклад іншого підходу, дозволивши зменшити їхні розміри та загальну масу апарата.
Приклад — модель Cirrus SR22T у масштабі 21%, створена кафедрою аерокосмічної інженерії Університету Іллінойсу. Її модифікували для керування тягою восьми вентиляторів у кільцевих каналах [3].
Рисунок 6. Модель Університету Іллінойсу з керуванням розподіленою електричною тягою — радіокерований Cirrus SR22T
Ступінь двоконтурності
В авіаційних рушійних системах бажаний високий ступінь двоконтурності, оскільки він забезпечує вищий тяговий ККД і нижчий шум. У звичайному газотурбінному двигуні це відношення масової витрати повітря в зовнішньому контурі до витрати через ядро двигуна.
Для деяких DEP також розглядають «ефективний ступінь двоконтурності» [1] — відношення сумарної витрати повітря через турбіну та рушії до витрати через ядро турбінного двигуна. Цей принцип використано в концепції NASA N3-X із турбоелектричною розподіленою тягою (TeDP) [4]: турбогенератори на кінцях крила живлять двигуни вентиляторів на корпусі. Ефективний ступінь двоконтурності — 29–36:1 [5], а прогнозоване зменшення споживання палива — 70% [6].
Рисунок 7. Концепція NASA N3X із турбоелектричною розподіленою тягою
Практичні переваги цих удосконалень:
Менші експлуатаційні витрати
Два головні чинники потенційного зниження витрат:
- Менші витрати на паливо: описані аеродинамічні та рушійні переваги підвищують загальну ефективність, зменшуючи споживання палива й викиди.
- Менша вартість виготовлення й ремонту: кілька менших двигунів і пропелерів можуть коштувати дешевше, ніж менша кількість великих агрегатів із такою самою сумарною потужністю й тягою. Їх також дешевше замінювати в разі відмови.
Менший шум
Загалом електричні рушійні системи тихіші за аналогічні системи з двигунами внутрішнього згоряння, що підтверджено дослідженнями. Наприклад, Університет Ватерлоо виявив зниження шуму навчальних електролітаків на 30 дБ порівняно з традиційними аналогами [7].
Разом зі зниженням шуму завдяки високому ступеню двоконтурності це має зробити апарати DEP значно тихішими за інші конструкції з подібними характеристиками.
Поліпшені злітно-посадкові характеристики
Описана взаємодія створює ефект підйомної сили від обдування, підвищуючи ефективний коефіцієнт підйомної сили, особливо на малих швидкостях. Це може суттєво скоротити дистанції зльоту й посадки до рівня STOL [8].
Додаткова перевага — краща маневреність на малій швидкості.
Більше резервування й вища безпека
DEP забезпечує резервування на кількох рівнях, підвищуючи загальну безпеку. Рушії можуть керувати рухом апарата, створюючи резерв у разі пошкодження керувальних поверхонь.
Велика кількість рушіїв також означає, що жоден окремий агрегат не є єдиним засобом підтримання польоту. У системі з 8 або 16 рушіями втрата одного чи навіть кількох не обов’язково критична для завдання. Наприклад, NASA N3X має 16 рушіїв, Electra EL-2 Goldfinch — 8, Archer Midnight — 12, що забезпечує продовження роботи за часткової відмови.
4. Проблеми розподіленої електричної тяги
Поряд із численними перевагами DEP має власні складнощі:
Інтеграція та складність
Електрична або гібридна тяга додає складності й інтеграційних завдань.
Наприклад, потрібно відводити тепло бортових акумуляторів та електроніки, а системи охолодження збільшують масу й складність.
Безпечний розподіл високовольтної потужності також потребує уваги до ізоляції, електромагнітних завад (EMI) та сумарної маси компонентів.
Перероблення стандартних деталей
Для реалізації переваг DEP потрібні певні зміни конструкції.
Наприклад, для засмоктування примежового шару потрібно спроєктувати й виготовити міцніші вентилятори або пропелери, здатні працювати з нерівномірним потоком.
Так само зменшення керувальних поверхонь завдяки обдуванню потребує аналізу резервування для безпеки в разі відмови компонентів DEP.
Ці чинники створюють фізичну й фінансову противагу зниженню експлуатаційних витрат, описаному раніше.
Масштабування й потреба в потужності
Як і для інших електричних літаків, масштабування ускладнюється тим, що питома енергія електричних джерел живлення значно нижча за традиційні палива. Навіть найенергоємніші акумулятори [9] досягають лише частки — 7% — питомої енергії реактивного палива.
Гібридні системи на кшталт TeDP можуть частково усунути розрив, але додають складних завдань і самі спалюють паливо. Кріогенні системи забезпечують вищу потужність, проте вони важкі й загалом менш ефективні в перерахунку на кілограм.
Хоча DEP може забезпечити політ у меншому масштабі — за розміром апарата й дальністю, — далекі польоти на літаках комерційного розміру залишаються нездійсненними в описаних умовах.
5. Відомі апарати з розподіленою електричною тягою
Нижче наведено концепції DEP на досить просунутому етапі розроблення, які успішно виконали політ повнорозмірного апарата або масштабної моделі.
Electra EL-2 Goldfinch
Демонстратор Electra EL-2 Goldfinch — електричний апарат короткого зльоту й посадки (eSTOL) із DEP та гібридною електричною системою. Вісім електродвигунів і обдування крила підвищують підйомну силу та забезпечують STOL. Перший пілотований політ із пілотом Коді Аллі відбувся 20 листопада 2023 року.
Рисунок 8. EL-2 Goldfinch під час випробувального польоту 20 листопада 2023 року (джерело)
Airbus EcoPulse
EcoPulse — гібридний турбоелектричний демонстратор, розроблений Airbus, Daherта Safran. Шість електричних рушіїв на крилі живляться від турбогенератора Safran; основа — модифікований Daher TBM 900. Перший політ відбувся 29 листопада 2023 року в Тарбі, Франція. Після 50 випробувальних польотів і 100 годин нальоту проєкт завершився в грудні 2024 року. Його результати мають вплинути на подальший розвиток DEP.
Рисунок 9. Представлення Airbus EcoPulse на Паризькому авіасалоні 2019 року (джерело)
Повітряне таксі Wisk шостого покоління
Wisk Aero, дочірня компанія Boeing, створила Generation 6 — eVTOL із 12 пропелерами DEP для вертикального підйому й польоту вперед. Автономний чотиримісний апарат покликаний забезпечити міську мобільність із мінімальним шумом. Він виконав численні випробувальні польоти на шляху до сертифікації та комерційного використання.
Рисунок 10. Підготовка Wisk до льотних випробувань (джерело)
S4 від Joby Aviation
Toyota, ключовий інвестор Joby, використала автомобільний виробничий досвід для підтримки S4 — eVTOL із шістьма поворотними рушіями DEP. У жовтні 2023 року Joby почала пілотовані випробування: чотири пілоти перевіряли зависання й перехід до польоту вперед. Також Joby почала будувати перший вертипорт у Міжнародному аеропорту Дубая, плануючи запуск повітряного таксі до кінця 2025 року.
Рисунок 11. S4 на Всесвітньому урядовому саміті в Дубаї (джерело)
Midnight від Archer
Midnight — апарат eVTOL компанії Archer Aviationіз 12 пропелерами DEP: шість нерухомих для вертикального підйому й шість поворотних для переходу до польоту вперед. Резервування підвищує безпеку, а шум у крейсерському польоті становить лише 45 дБ. Archer виконала понад 400 випробувальних польотів, просуваючись до сертифікації FAA та плануючи комерційні операції на 2025 рік.
Рисунок 12. Archer Midnight завершує перехідний політ (джерело)
Valo від Vertical Aerospace
Апарат Valo — серійний наступник прототипу VX4 із вісьмома пропелерами DEP. За результатами випробувань VX4 та відгуками авіакомпаній він отримав кращу аеродинаміку, вдосконалене розташування акумуляторів і перероблені крила. Він перевозить чотирьох пасажирів на відстань до 100 миль. Vertical планує сертифікацію на 2028 рік і має приблизно 1 500 попередніх замовлень від великих авіакомпаній, зокрема American Airlines і Japan Airlines.
Рисунок 13. Новий комерційний eVTOL Valo від Vertical Aerospace (джерело)
BETA Technologies Alia eVTOL
Апарат Alia A250 — п’ятимісний eVTOL із варіантом звичайного зльоту CX300. Максимальна швидкість — 153 вузли, проєктна дальність — 250 морських миль. Helijet International із Ванкувера замовила чотири апарати з опціоном ще на чотири. Отримання сертифіката типу FAA для A250 очікується у 2026 році.
Рисунок 14. eVTOL Alia A250 від BETA Technologies (джерело)
Якщо варто додати іншу концепцію DEP, напишіть у коментарях.
6. Як випробувати систему розподіленої електричної тяги
Через складність DEP випробування — невіддільна частина безпечного розроблення. Але як випробувати таку систему?
Tyto Robotics створила платформу для випробування DEP із кількістю силових установок до восьми. Вона містить обладнання, програму й електроніку для одночасного вимірювання характеристик восьми двигунів і пропелерів.
Перегляньте нашу платформу випробування DEP.
Рисунок 15. Платформа випробування розподіленої електричної тяги
Обладнання й електроніка використовують тензодатчики та інші сенсори для вимірювання тяги, крутного моменту, обертів, напруги, струму, температури й потужності.
За цими вимірюваннями визначають спільний ККД двигуна й ESC, ефективність пропелера та загальну ефективність — окремої установки або до восьми разом.
Наше програмне забезпечення для випробувань дає змогу керувати випробуваннями вручну, автоматично або через Python API. Функція відтворення польоту завантажує дані польотного контролера й використовує значення газу як шаблон випробування.
Рисунок 16. Графічний інтерфейс програми випробування DEP
Кожній установці можна задати назву й прив’язку для зручного відстеження даних. Графіки реального часу дають змогу швидко визначити, які рушії ефективніші.
Потрібно одночасно випробувати вісім силових установок? Напишіть нам , і ми з’ясуємо, як допомогти.
Джерела
[1] H. Kim, A. Perry, P. Ansell, "A Review of Distributed Electric Propulsion Concepts for Air Vehicle Technology", 2018 AIAA Propulsion and Energy Forum. https://www1.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/2018EATS-Review-of-DEP-Hyun-D.-6.2018-4998.pdf
[2] NASA Glenn Research Center, "Boundary Layer Ingestion Propulsion". Accessed July 10, 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/bli/
[3] K. Pieper, A. Perry, P. Ansell and T. Bretl, "Design and Development of a Dynamically, Scaled Distributed Electric Propulsion Aircraft Testbed," 2018 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS), Cincinnati, OH, USA, 2018, pp. 1-2. https://ieeexplore.ieee.org/document/8552755
[4] Miranda, L. R., and Brennan, J. E., “Aerodynamic Effects of Wingtip-Mounted Propellers and Turbines,” AIAA Paper 86-1802, June 1986. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1986-1802
[5] NASA Glenn Research Center, "N3X". Accessed July 10, 2024. https://www1.grc.nasa.gov/aeronautics/eap/airplane-concepts/n3x/
[6] "NASA N3-X with Turboelectric Distributed Propulsion", Fundamental Aeronautics Program Fixed Wing Project. James L. Felder. NASA Glenn Research Center Cleveland, Ohio. Accessed July 10, 2024. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150002081/downloads/20150002081.pdf
[7] Noisy neighbours: Do electric aircraft reduce airport noise pollution? by Paul Parker and Gabriel Song. January 2024. https://uwaterloo.ca/sustainable-aeronautics/blog/noisy-neighbours-do-electric-aircraft-reduce-airport-noise
[8] Qin, Jiachen and Zhou, Zhou and Yang, Guowei and Shao, Zhuang and Zong, Jia, "Aero-Propulsive Coupling Modeling and Dynamic Stability Analysis of Distributed Electric Propulsion Tandem-Wing Uav with Rapid Ascent Capability", April 2024. https://ssrn.com/abstract=4783514
[9] Quan Li et al 2023 Chinese Phys. Lett. 40 048201 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/40/4/048201