Разработиха мегаватов двигател, който може да спомогне за електрифициране на авиацията

Огромният въглероден отпечатък на авиацията може да се свие значително чрез електрифицирането на сектора. Понастоящем само малки изцяло електрически самолети са успявали да се отделят от земната повърхност. Техните електродвигатели генерират стотици киловати мощност, но за електрифицирането на по-големи, по-тежки самолети, като пътническите, са необходими двигатели с мощност от мегаватов порядък. Те ще се задвижват чрез хибридни или турбо-електрически системи, при които електрическа машина е комбинирана с газотурбинен аеродвигател.

За да отговори на тази потребност, екип от инженери от Масачузетския технологичен институт (MIT) създава 1-мегаватов двигател, който може да положи основата за електрифицирането на по-големи въздухоплавателни средства. Екипът проектира и тества основните елементи на двигателя и показва чрез детайлни изчисления, че присъединените компоненти могат да работят като едно цяло за генерирането на 1 мегават мощност. При това теглото и размерите на двигателя са конкурентни с настоящите малки авиационни двигатели.

За изцяло електрически приложения екипът предвижда двигателят да бъде комбиниран с източник на електроенергия като батерия или горивна клетка. Тогава двигателят може да преобразува електрическата енергия в механична, която да задвижва витлата на самолета. Електрическата машина може да бъде комбинирана и с традиционен реактивен двигател и да осигурява електрическо задвижване по време на определени фази на полета.

“Независимо какво използваме като енергоносител – батерии, водород, амоняк или устойчиво авиационно гориво, независимо от всичко това, двигателите от мегаватов клас ще бъдат ключът към превръщането на авиацията в екологосъобразен сектор”, казва Золтан Спаковски, професор по аеронавтика и директор на Газотурбинната лаборатория в MIT, който ръководи проекта.

Тежката истина

За да предотвратят най-лошите въздействия от предизвиканите от човека климатични промени, учените са убедени, че глобалните емисии на въглероден диоксид трябва да достигнат нетната нула до 2050 г. Реализирането на тази цел за авиацията, казва Спаковски, ще изисква “постепенни постижения” в проектирането на неконвенционални въздухоплавателни средства, интелигентни и гъвкави горивни системи, усъвършенствани материали и безопасно и ефективно електрическо задвижване. Множество авиационни компании са се фокусирали върху електрифицираното задвижване и проектирането на електрически машини от мегаватов порядък, които са достатъчно мощни и леки, за да бъдат използвани за пътнически самолети.
“Няма едно-единствено решение, което да спомогне за това, и дяволът е в детайлите. Това е труден инженеринг, що се отнася до едновременното оптимизиране на отделни компоненти и осигуряването на съвместимост между тях, докато същевременно максимално се увеличава цялостната производителност. Постигането на това означава да разширим границите на възможното по отношение на материали, производство, топлинен мениджмънт, структури и ротодинамика и силова електроника”, подчертава Спаковски.

Добра траектория

Проектираните от MIT електродвигател и силова електроника са всеки с размерите на един куфар за чекиран багаж, тежащ по-малко от възрастен пътник. Основните компоненти на двигателя са: високоскоростен ротор, покрит с мрежа от магнити с варираща ориентация на полярността; компактен статор с ниски загуби, който се побира в ротора и съдържа сложна мрежа от медни намотки; усъвършенстван топлообменник, който охлажда компонентите, докато подават въртящия момент на машината; разпределена система силова електроника, състояща се от 30 изработени по поръчка платки, които прецизно променят токовете, преминаващи през всяка от медните намотки на статора, с висока честота.

Като цялостна система, двигателят е проектиран така, че разпределените платки да са тясно куплирани с електрическата машина, за да се минимизира загубата при пренос и да се даде възможност за ефективно въздушно охлаждане чрез интегрирания топлообменник.

“Това е високоскоростна машина и за да поддържаме въртенето й, докато създава въртящ момент, магнитните полета трябва да се движат много бързо, което можем да постигнем чрез нашите платки, които превключват с висока честота”, обяснява Спаковски.
За да ограничи рисковете, екипът конструира и тества всеки един от основните компоненти поотделно, показвайки, че те могат да работят по предназначение при условия, надвишаващи нормалните оперативни потребности. Изследователите планират да асемблират първия изцяло функциониращ електродвигател и да започнат да го тестват тази есен.

След като демонстрират двигателя като едно цяло, учените от MIT казват, че той ще може да се използва за задвижване на въздухоплавателни средства за регионални полети или да съпътства конвенционални реактивни двигатели за реализиране на хибридни задвижващи системи. Екипът предвижда, че няколко 1-мегаватови двигателя ще могат да захранват няколко витла по протежение на крилото на самолета. Гледайки напред, основите на 1-мегаватовата електрическа машина могат потенциално да бъдат мащабирани до многомегаватови двигатели за задвижване на по-големи пътнически самолети.

“Мисля, че траекторията ни е добра”, казва Спаковски, чиято група и проучвания са с фокус не само върху газовите турбини. “Не сме електроинженери по диплома, но справянето с огромното климатично предизвикателство до 2050 г. е от изключително значение. Работата с факултета по електроинженерство, екипа и студенти за постигането на тази цел може да черпи от широкия технологичен диапазон на MIT, така че цялото да е много по-голямо от сумата на отделните му части. Затова се преоткриваме в нови области. А MIT ни дава възможността да го правим.”