• envinow.gr

Χρήση ηλεκτρικής κατανεμημένης πρόωσης για την μείωση του περιβαλλοντικού στίγματος των αεροπλάνων

Του Λεωνίδα Θεοδωρόπουλου


Τα τελευταία χρόνια η αεροναυτική βιομηχανία εξετάζει εναλλακτικές λύσεις για να επιτύχει τεχνολογικές εξελίξεις με στόχο την ανάπτυξη αεροσκαφών νέας γενιάς. Οι συμβατικοί αεροπορικοί κινητήρες και αρχιτεκτονικές αεροπλάνων έχουν φτάσει ένα σημείο κορεσμού καθώς δεν υπάρχουν πολλά περιθώρια εξέλιξης τους. Το γεγονός αυτό αποτελεί εμπόδιο των μελλοντικών στόχων που έχουν τεθεί με αποτέλεσμα η υπέρβαση των δυσκολιών αυτών να απαιτεί την εφαρμογή ραγδαίων λύσεων. Η χρήση ηλεκτρικής κατανεμημένης πρόωσης είναι η πιο υποσχόμενη τεχνολογία για την υλοποίηση των μελλοντικών στόχων. Έρευνες έχουν δείξει ότι η βιωσιμότητα της αρχιτεκτονικής αυτής βασίζεται στην ενσωμάτωση δικτύου ισχύος με υπεραγωγούς καθώς και στην αντικατάσταση των κινητήρων εσωτερικής καύσης με πολλαπλές προπέλες , τοποθετημένες στα φτερά ή στο πίσω μέρος του αεροπλάνου , κινούμενες από ηλεκτροκινητήρες που τροφοδοτούνται από γεννήτρια εγκατεστημένη στην άτρακτο του αεροπλάνου .


Αεροσκάφος με σύστημα κατανεμημένης ώσης

Οι διανεμημένες προπέλες κατά μήκος του αεροσκάφους είναι η πιο δελεαστική και αποτελεσματική υλοποίηση της κατανεμημένης πρόωσης. Προσπάθειες υλοποίησης της αρχιτεκτονικής αυτής μπορούν να εντοπιστούν από το 1924 όταν προτάθηκε η κατασκευή αεροσκάφους με δύο σειρές με προπέλες κατά μήκος των φτερών , η οποία όμως δεν πραγματοποιήθηκε. Στα σύγχρονα αεροσκάφη η εγκατάσταση όπως αναφέραμε περιλαμβάνει έναν στροβιλοκινητήρα ισχύος για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για τις προπέλες. Η μετάδοση της ενέργειας αυτής πραγματοποιείται μέσω δικτύου με υπεραγωγούς καθώς απαιτείται μεταφορά μεγάλων ποσών ενέργειας σε μικρό χρόνο οπότε είναι αναγκαία η ελαχιστοποίηση της αντίστασης του ηλεκτρικού συστήματος. Η αρχιτεκτονική αυτή όχι μόνο επιτυγχάνει με ευκολία τις ανάγκες ώσης για την απογείωση και πλεύση του αεροσκάφους αλλά βελτιώνει σημαντικά την συνολική απόδοση ολόκληρου του συστήματος , γεγονός το οποίο καθιστά δυνατή την μείωση των εκπομπών του αεροσκάφους στο περιβάλλον.


Η πρώτη ρεαλιστική υλοποίηση της τεχνολογίας αυτής έχει πραγματοποιηθεί από την NASA με το πειραματικό αεροσκάφος N3-X. Στην περίπτωση αυτή έχουν τοποθετηθεί δύο στροβιλοκινητήρες ισχύος στις άκρες των φτερών , οι οποίοι κινούν δύο γεννήτριες. Η θέση των στροβιλοκινητήρων , αν και ασυνήθιστη , παρέχει αυξημένη ασφάλεια καθώς σε περίπτωση βλάβης δεν επηρεάζει την άτρακτο καθώς και εντυπωσιακή μείωση του θορύβου λόγω της απόστασης από αυτή . Παράλληλα επιτρέπει μεγαλύτερη παροχή αέρα ελεύθερου ρεύματος στον πυρήνα τους χωρίς να επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την ροή του αέρα πάνω από το αεροσκάφος , διατηρώντας σταθερή την επαγόμενη αντίσταση . Οι γεννήτριες αυτές παρέχουν ρεύμα σε προπέλες που έχουν τοποθετηθεί στο πίσω μέρος της ατράκτου, μειώνοντας έτσι την αντίσταση του αεροπλάνου καθώς η τυρβώδης ροή που δημιουργούν δεν διέρχεται από τις πτέρυγες που παράγουν το κύριο μέρος της απαιτούμενης άνωσης για την πτήση του . Η μορφή του αεροσκάφους διαφέρει από την συμβατική των σύγχρονων αεροπλάνων καθώς είναι τριγωνική προκειμένου να είναι δυνατή η εγκατάσταση του απαραίτητου αριθμού προπελών για την παραγωγή ώσης. Το N3-X διαθέτει 14 προπέλες κινούμενες από υπεραγώγιμους ηλεκτροκινητήρες.


Πειραματικό αεροσκάφος N3-X

Τα υπεραγώγιμα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του ηλεκτρικού συστήματος προσφέρουν οριακά μηδενική αντίσταση και ακύρωση των παραγόμενων μαγνητικών πεδίων όταν βρίσκονται χαμηλότερα από την κρίσιμη θερμοκρασία. Υπάρχουν πολλά υλικά που παρουσιάζουν τις ιδιότητες αυτές αλλά λίγα είναι κατάλληλα για χρήση σε αεροπορικές εφαρμογές καθώς απαιτείται ψύξη σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες , μέχρι και 77 Κ σε ορισμένες περιπτώσεις , πράγμα αδύνατο κατά την διάρκεια μίας πτήσης. Παρόλα αυτά , τα τελευταία 20 χρόνια έχουν βρεθεί υλικά που έχουν χαμηλότερες απαιτήσεις ψύξης , με το πιο δημοφιλές από αυτά να είναι το διβορίδιο του μαγνησίου MgB_2 λόγω του χαμηλού κόστους του και των υψηλών δυνατοτήτων του.


Με την εφαρμογή των παραπάνω τεχνολογιών είναι δυνατό να επιτευχθεί εντυπωσιακή μείωση του καυσίμου που χρησιμοποιεί ένα αεροσκάφος κατά την διάρκεια μίας αποστολής , μειώνοντας έτσι τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και οξειδίων του αζώτου στην ατμόσφαιρα. Παράλληλα θα γίνει ένα σημαντικό βήμα στην προσπάθεια ηλεκτρικοποίησης των μέσων μεταφοράς του ανθρώπου και της μείωσης του στίγματος τους στο περιβάλλον.