零排放的原型和测试飞机显示行业的尖端清洁空气旅行和货物交付。
随着航空工业和航空公司设计和测试零排放的飞机,他们解决问题不仅仅是适应燃料来源,减少温室气体排放。重量的问题,噪音,冗余,加油,成本和周转时间正在解决一个航空公司的座位。
强大的工具可以帮助飞机设计师看飞机系统作为一个整体,探测出问题,会影响飞机的其他部分。在同一时间,他们是生命呼吸到一些梦想的用例,如空气出租车和飞行汽车。
零排放汽车使用燃料,不会产生两种温室气体——二氧化碳(有限公司2)和氮氧化物(NOx,包括一氧化氮和二氧化氮(没有)[不2])。电池、氢动力的结合都是零排放燃料的飞机。
“大感兴趣的领域之一电气化的飞机是电池的能量密度与传统燃料,”约翰·Chawner说高级组CFD产品管理主管节奏。“这是相当低。认为航空燃料电池和氢能源存储设备。能量密度的影响为给定的平台你可以携带多少负载大小。电动飞机,现在我们看小平台和较短的路线。其他问题是飞机噪音,和后勤问题或MRO(维护、可靠性、检修)。增加,充电时间,更换,会发生一些奇怪的电现象,大电池操作在高海拔地区时,引擎操作,等等。”
那么什么使电动飞机不同于传统汽油动力的飞机吗?
“最简单的答案就是纯粹的数量的电力需要,”戴尔说资料,行业战略的副总裁西门子数字行业软件。“当你有一个动力飞机、权力的主要来源来自于汽油。你携带燃料,发动机。发动机,发电机驱动所有飞机电气系统,所以您可能需要3或4千瓦的电力驱动的大部分电力系统在飞机上。当你开始观察这些电动飞机,现在你需要数百千瓦的电力。”
权力的影响。说:“现在你有更大的电线的资料。“你必须管理你的热管理。有很多的热负荷会通过你的电池和电力系统驱动电机。除了所有的电力系统在飞机上,当你有大量的电磁效应,高功率的飞机,你必须思考如何保护您的系统。如果你有关键系统,你需要保护他们免受电磁效应。您还需要考虑如何你有所有这些系统之间的分离,这样你不会失去多个系统在飞机上,当一个系统下降。”
“电动动力系统,包括电动机、逆变器和电池,还需要热管理操作温度保持在限制,整个操作信封,”杰弗里·鲍尔说,首席工程师阿切尔eVTOL公司。“有很多有趣的设计权衡这些系统(例如,空气和液体冷却,独立与分布式),对性能有很大的影响,整个系统的可靠性。”
在航空电子设备冗余总是至关重要的,但更复杂的电动飞机。“与任何飞机设计,无论是由喷气燃料或气体,你总是有挑战之一是,如果你失去了一个发电机引擎,你不想失去你的飞机上所有的电气系统,“说的资料。“你真的要考虑冗余的水平,这些飞机为了确保您可以安全地操作失败。如果你有一个组件和它是一样的电动飞机。你不能有一个失败,会导致你失去你所有的系统。所以有很多安全因素考虑如何将这些系统并确保你可以安全地操作飞机。”
“整个系统可靠性需求驱动整个动力系统(例如我们使用冗余,12个马达和多个电池连接以智能的方式),以确保一个高程度的动力系统的可靠性,”阿切尔说的凉亭。“如果有一个组件失败在汽车动力系统可以把车停在路边,这是一个麻烦,而对于一个eVTOL飞机我们必须保持飞行和安全着陆。”
进一步分解分离的概念,很多飞机有左边和右边系统。“你也有一个关键任务系统和紧急总线,根据不同的公司怎么称呼它,”他说。“你有紧急公共汽车,只是电池,所以理论上,如果你失去了你所有的发电机你仍然有一个备用电池供电最关键的系统。当你开始思考一个全电动飞机,他们可能有两个,三个,甚至四个不同的电气系统连接在一起,当一切都运转正常。你可以失去一个不丢失,或在最后你可能仍然只有一种单一的紧急公共汽车。这紧急总线是一个关键的系统,可以帮助你安全地回家。”
用例,飞机类型
飞机的距离可以根据其燃料定义它的用例中,有四个主要的:
燃料功率密度、重量、大小和加油
电池和燃料电池的重量和大小可以需要移除座位,因为燃料容器的重量和大小是固定的。这与喷气燃料,用于在飞行,使飞机更轻,因为它继续。油箱,飞机的翅膀,飞行不身体变小,但他们不干扰的空间。权衡,根据普遍的氢,便宜的燃料成本使用换出H2细胞(如图所示彭博社的视频)。现有涡轮螺桨飞机可以切换到氢系统的H2坦克通过货物装载门。
“能量密度影响你可以携带多少负载大小,对于一个给定的平台”节奏的Chawner说。“所以电动飞机,现在我们看着小平台和较短的路线。”
另一种方法是使用不同类型的燃料和推进系统,这可以是不同类型的电池,为高功率和高能量的其他优化。“如果你能有相同的设备做,最终你可能会这样做,”引导Srinivasan,阿贡合作中心主任储能科学与联合储能研究中心副主任。“今天这是发生了什么事。特斯拉可以在三秒内0到60。它可以给你300英里或更多的范围。所以证明,我们没有问题,很少有地方有两种技术在同一设备似乎是有意义的。但这可能会改变。如果我们把电动飞机,你可能会看到起飞需要大量的电力。所以我要有一个装置起飞,然后我将使用第二个飞机运行设备地,我会收取第一次设备登陆,因为我需要大量的电力停止。”
电机也有较低的维护成本。但大问题一直充电时间,提高,特别是对于飞机,乘客需要远远超过的卸载和加载的时间注入天然气汽车。
图1:结合燃料有好处。图表从ZeroAvia,公司致力于H2-electric动力系统和自己的支线飞机。ZeroAvia声称一个氢/电动组合使得远程航班清洁和具有成本效益的短期。来源:ZeroAvia
”的一部分,这是你能多快充电电池,技术推进,”佩里Rothenbaum说,高级职员电力电子工程师设计和应用英飞凌科技。“艺术的状态现在是他们得到了七分钟在一辆汽车。我不知道这是在飞机上,但关键是,这是一个大量能量转移。如果你可以在7分钟收取你的车,这使得电动汽车,eVTOL,出租车,或者任何电动非常可行的。现在是相当于一个加油站,满了气体。把这些充电站在美国。我们知道的公司会全部转发到把这些高能充电站。这将是一个改变游戏规则。”
充电电动飞机也可以在这一天。与空气/ eVTOLs,出租车20分钟的飞行可能是平均水平。“它会飞从中心到中心。也许是降落在建筑之类的,但会有一个充电站的建设和eVTOL会得到一个快速充电,“援助西门子的资料。“他们真的是大小的电池,这样他们完全充电的开始一天的工作,然后他们用一点,然后充电一点但不是完全充电。然后第二点他们使用更多,所以在一天结束的时候他们的电池,然后一夜之间它充电。”
充电策略将取决于飞机的使用模型。“更大的飞机,也许像一个支线飞机,他们会看一些急转弯充电,做同样的事,然后一夜之间你我称之为标准化有助于稳定电池充电,“资料说。“你可以给飞机快速注入力量可以充电,但这是次优的。你可以做这样的急转弯,也许需要45分钟到一个小时。但在这些机场,大约需要45分钟到一个小时把大部分的飞机,这样可以给你足够的电力和能源快速充电。一夜之间,你把它更维护或优化。足够奇怪的是,你的iPhone做同样的事。它开始学习你充电和充电模式,当它认为它通常是插在数小时,将进入一个优化管理,它将需要更长的时间去从50%降至100%。但如果你把它插在异常的时候,它会“噢,这个时候通常不插入”,它将在15分钟充电。这是今天发生,大多数人甚至没有意识到这一点。 It’s the same thought process on airplanes and electric cars.”
更高的效率电动机控制
另一个选择是使汽车更有效率,从而可以进一步延长电池寿命。这就是磁场定向控制(foc)符合。通过提高效率,他们能够帮助减肥,降低成本,增加距离。
“船是一种非常高效的控制电动机,“Rothenbaum说。“这也是一个相当复杂的运动控制。尽管我们想,所有公司技术,间接磁场定向矢量控制的专家是非常有用的。有很多汽车在一个e-plane。这不仅仅是一个螺旋桨旋转。”
混合动力飞机仍在使用天然气发动机连同电动也正在进行中。空客正与劳斯莱斯和西门子100座的飞机中途,称为e-Fan x飞机预计将商用2025年和2030年之间的某个时候。
噪音
噪声是一个频繁的话题在公司致力于电动飞机/零排放的飞机。电动飞机不是沉默,降低飞机的声音污染是一个大的考虑。
图2:固定翼航空出租车原型。来源:弓箭手
“如果你曾经听说过无人驾驶飞机飞行,尤其是小型企业,这是一个尖锐,尖锐的哀鸣,“节奏的Chawner说。“现在想象不仅仅是自治的,但一个air-taxi-sized也许是一辆SUV的大小与四个道具旋转,这些飞行和多个城市。它可以创造相当热闹。需要各种各样的缓解找出我们要如何处理,噪声环境。如果你看看普通飞机在机场、噪声控制仍然是一个巨大的问题。这就是一切从喷气发动机的排气——喷嘴做各种有趣的事情来减轻噪音的签名。但某些非常基本的东西,你不能避免-降低起落架进入流导致的各种湍流流动,从而导致噪音。这是一个正在进行的研究领域。”
计算流体动力学(CFD)是用来计算不仅空气流动和热,但飞机水平和签名的声音。越来越多的CFD EDA和设计公司提供的运行模拟。
电动飞机不同的声音。“电变化的性质和签名,声音明显。这是一个不同的频率,”Chawner说。“有不同层次的。飞机的飞行资料可能是不同的,像空气出租车在四轴飞行器的设计。那些不会飞越其领空的社区。典型的喷气式飞机在降落在跑道上,它必须飞过某人家里去机场和土地。正是这些航班的飞机在哪里低到地上,在嘈杂的配置,因为齿轮,关键前沿板条,襟翼,生成所有的噪音。”
有时噪音是解决的飞行路径,因为工程尚未解决了这个问题。“例如,约翰韦恩机场(位于加州圣安娜)有一些严格的噪声控制措施,工程不能得到解决的。他们解决而不是飞行剖面上起飞。我们可以避免这种嘈杂的配置如果你刚刚得到了一个四轴飞行器可以引进和连续下降,因为它不是飞过的每一个人。你直走,你将很难摆脱地方。但这是一个类的飞机——小型无人机和quadcopter-type空气出租车——你会为城市空气流动,“Chawner说。
什么大的电动和众多的螺旋桨飞机吗?“当你看看大短途飞机的类型,他们会分布式推进。一些配置10螺旋桨的前缘翼,而不是试图运行一个大支柱的电池。你分配,推进整个翼,这改变了一切,因为你有多个电厂运行,“Chawner说,“它还扰乱流以不同的方式在机翼时。所有的流动产生的噪音。不仅仅是喷气发动机的咆哮。在空气中发生了什么,它是如何被打扰。就像如果你把你的手从车窗口,你可以听到,颤振速度高速公路。”
面临的挑战是找出空气声学,很难计算,因为它需要细节和长时间运行时,波传播。
高海拔
无论燃料类型、电子通过对流冷却在稳固的基础上有一个热的问题在高海拔。
“因为你生成所有这些热量高功率电子产品和电池,或者推动电力推进系统,第一个挑战你遇到在高海拔地区空气稀薄,所以更有效地冷却电子,”说的资料。“所以你必须大小你的空气流动和你开口和热交换器的高空操作。”
其他电磁效应出现在高海拔,。“当你开始讨论大功率电器,有一些可能发生的电磁效应和电晕效应,”说的资料。“这只是另一个需要考虑的因素。所有这些都很好理解和我们的很多解决方案能够帮助你模型和解决这些问题。但解决热挑战是最复杂的一个方面。”
结论
随着电池技术的改进和工业原型得到更多的空气,与电气技术问题和hydrogen-electric飞机可能是问题的一部分空气越容易出租车和短跳交付。
飞机设计需要考虑系统作为一个整体并验证其需求。
“这些需求可能客户的性能要求,联邦航空管理局的监管要求,以及你如何需要证明它,”的资料。“那些需求驱动设计不同系统的飞机。系统倾向于机电系统,因为有机械元素或传感器。也有电气系统连接和软件驱动,和你继续下到芯片,这是一个迭代过程。追溯从需求到飞机电气系统第一,2、PC板、芯片,所有这些一起工作在一个真正发展汽车的设计过程。所有的部件必须一起工作。然后他们在组件级别的验证,如芯片或印刷电路板,再一次在系统水平。它只是能够从第一个“我有一个想法,”然后它如何体现在“好了,我需要这个芯片的性能。这是系统的临界。”
最后,安全管理所有低空空气流量是一个必要性避免噩梦的情况。无人机在美国工业和美国联邦航空局一直致力于为无人机空中交通控制系统多年。空气出租车可以节省旅行时间和方便,但是如果每个人都和一切由空中巴士旅行,友好的天空迅速将成为疯狂的天空。
- - - - - -埃德·斯珀林对此报道亦有贡献。
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