Máy bay dân dụng hiện đại dành cho các hãng hàng không thương mại không chỉ phải thể hiện các đặc tính hiệu suất cao mà còn phải được phân biệt bởi chi phí vận hành thấp. Khi tạo ra các mẫu thiết bị mới như vậy, nhu cầu giảm tất cả các chi phí cơ bản được tính đến và các phương án mới để giảm chi phí bảo trì và các chuyến bay liên tục xuất hiện. Một phiên bản thú vị của tấm lót, có khả năng thể hiện hiệu quả đặc biệt, đã được đề xuất trong năm nay bởi NASA và các tổ chức DLR. Một dự án khái niệm đầy hứa hẹn được gọi là eRay.
Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ (NASA) và Trung tâm Hàng không và Vũ trụ Đức (DLR) đóng góp đáng kể vào sự phát triển của hàng không ở tất cả các hạng mục chính, bao gồm hàng không thương mại, chuyên chở người và hàng hóa. Các chuyên gia của các tổ chức này không ngừng tìm kiếm các ý tưởng mới, đưa ra các đề xuất mới và thử nghiệm chúng. Vào mùa hè năm nay, hai tổ chức đã trình bày khái niệm về một loại máy bay đầy hứa hẹn có khả năng thể hiện các đặc tính hiệu suất cao với các chỉ số kinh tế tăng lên.
Dự án mới với tiêu đề dự kiến eRay đang được thực hiện với một khoản dự phòng cho tương lai. Khi xây dựng các yêu cầu cho nó, các dự báo liên quan đến sự phát triển của hàng không thương mại cho đến năm 2045 đã được tính đến. Các dự báo hiện tại cho thấy đến thời điểm này ở các nước phát triển và đang phát triển, lưu lượng hành khách và hàng hóa sẽ tăng trưởng đáng kể. Về vấn đề này, cần phải phát triển mạng lưới sân bay và giải quyết các vấn đề tổ chức khác nhau. Ngoài ra, công nghệ hàng không mới với các khả năng đặc trưng sẽ được yêu cầu để hỗ trợ giao thông vận tải. Về đặc điểm của nó, nó sẽ vượt trội hơn các mẫu hiện có.
NASA và DLR tin rằng máy bay thương mại của tương lai sẽ tiết kiệm hơn 60% so với máy bay hiện tại. Nó có thể hoạt động ở các sân bay nhỏ, cũng như được phân biệt bởi tiếng ồn giảm và dễ vận hành. Trong nghiên cứu và báo cáo của họ về nó, các tác giả của dự án mới đã sử dụng máy bay sản xuất hiện có Airbus A321-200 như một loại tài liệu tham khảo. Một eRay đầy hứa hẹn được cho là có các thông số tương tự về sức chứa và khả năng mang theo, nhưng đồng thời cho thấy lợi thế trong tất cả các lĩnh vực khác.
Khái niệm eRay vẫn chưa dành cho một thiết kế chính thức với việc khởi động sản xuất và vận hành thiết bị sau đó. Về vấn đề này, các chuyên gia của các tổ chức khoa học đã không thể tự giới hạn mình và sử dụng những ý tưởng táo bạo nhất chưa sẵn sàng để triển khai trong thực tế. Chính việc sử dụng các giải pháp đó đã giúp nó có thể giải quyết được các nhiệm vụ được giao và “chế tạo” ra một phiên bản máy bay mới của tương lai.
Theo những dự báo lạc quan nhất, máy bay eRay sẽ nhẹ hơn 30% so với A321 đang sản xuất. Tăng hiệu suất của nhà máy điện là 48%. Hiệu suất năng lượng chung của bảng tăng 64%. Cần lưu ý rằng để có được kết quả như vậy, các nhà khoa học và nhà thiết kế không chỉ phải đưa ra các ý tưởng mới mà còn phải từ bỏ các giải pháp thông thường của họ. Kết quả là, lớp lót được đề xuất khác biệt rõ rệt so với các đại diện hiện đại cùng lớp.
Dự án eRay đề xuất chế tạo một loại máy bay cánh thấp công xôn có cánh xuôi. Một bộ phận đuôi được cung cấp, chỉ bao gồm một bộ ổn định có chiều ngang lớn V. Không có keel. Xét một cách ban đầu, do yêu cầu nâng cao hiệu suất, vấn đề bố trí các phần tử của nhà máy điện đã được giải quyết. Các đơn vị riêng lẻ của nó được đặt ở các phần khác nhau của cánh, cũng như ở phần đuôi của thân máy bay.
Nhìn chung, thân máy bay giống với các đơn vị của máy móc hiện có. Việc xây dựng một cấu trúc hoàn toàn bằng kim loại có độ giãn dài cao với hình dạng khí động học được đề xuất. Phần mũi tàu được đưa ra dưới buồng lái và các phòng kỹ thuật, phía sau có một salon lớn có ghế hành khách. Một khối lượng hàng hóa được cung cấp dưới khoang hành khách - trước hết là hành lý. Phần đuôi phải chứa một trong các động cơ của nhà máy điện.
Nó được đề xuất để cập các máy bay bị cuốn theo thân máy bay. Cánh có được hình dạng tối ưu, và trên hầu hết bề mặt của nó không có phần tử nào có khả năng làm xáo trộn dòng chảy. Trên các cạnh trước và sau của cánh, cơ giới hóa kiểu truyền thống được cung cấp. Ở phần cuối, các nhà thiết kế đã đặt một cặp động cơ tuốc bin phản lực qua đường với các thiết bị cần thiết.
Thay vì trao quyền truyền thống, dự án eRay sử dụng một hệ thống khác thường. Ở cuối đuôi của thân máy bay, một kênh hình khuyên hình nón được lắp đặt cho cánh quạt đẩy của nhà máy điện. Ở hai bên của kênh này, các nhà thiết kế đặt hai mặt phẳng ổn định được lắp đặt với một mặt cắt ngang đáng kể V. Không có keel. Việc điều khiển cánh phải được thực hiện bằng cách thay đổi lực đẩy của động cơ cánh hoặc bằng phương pháp cơ giới hóa cánh.
Theo tính toán của NASA và DLR, 3/4 mức tăng hiệu quả sử dụng năng lượng chỉ có thể đạt được thông qua khí động học. Ví dụ, 13% hiệu suất tăng tổng thể được cung cấp bởi dòng chảy tầng xung quanh thân máy bay. Đưa sải cánh lên 45 m sẽ tăng thêm 6%. Việc bỏ keel làm rút ngắn bề mặt khung máy bay, giảm sức cản của không khí.
Tuy nhiên, nhiệm vụ giảm lãng phí năng lượng "thêm" được giải quyết không chỉ do khí động học. Vì vậy, khả năng loại bỏ các cửa sổ bên của khoang hành khách đã được xem xét. Trong trường hợp này, thiết kế của thân máy bay được đơn giản hóa đáng kể, dẫn đến trọng lượng nhẹ hơn và giảm các yêu cầu đối với động cơ tương ứng. Tuy nhiên, một sự đổi mới như vậy không được coi là bắt buộc, vì hành khách có thể không thích nó. Không có khả năng một nhà vận chuyển muốn đạt được hiệu quả năng lượng, nhưng lại bị bỏ rơi mà không có khách hàng.
Dự án eRay dự kiến trang bị cho máy bay một nhà máy điện hybrid. Cánh phải được trang bị động cơ tuốc bin phản lực tạo ra lực đẩy từ khí, cũng như truyền động một cặp máy phát điện. Điện thông qua các bộ chuyển đổi cần thiết phải được cung cấp cho pin, cũng như động cơ đuôi. Ưu điểm chính của nhà máy điện như vậy là khả năng thay đổi linh hoạt các thông số chung của lực đẩy để có được mức tiêu hao nhiên liệu tối ưu tương ứng với chế độ bay hiện hành.
NASA và DLR coi một cặp tua bin vòng là cơ sở cho nhà máy điện cho eRay. Các sản phẩm có đủ hiệu suất và kích thước giảm được đề xuất đặt ở phần đầu cánh. Trong khuôn khổ dự án, việc ứng dụng động cơ có hệ thống trao đổi nhiệt, đốt nóng không khí trong khí quyển đi vào do các chất khí phía sau tuabin đã được nghiên cứu. Ở một số chế độ, điều này cho phép bạn giảm mức tiêu thụ nhiên liệu tới 20%.
Các chuyên gia của hai tổ chức đã xem xét các thiết bị điện hiện có thuộc loại cần thiết và đưa ra kết luận nhất định. Hóa ra các máy phát điện, pin và động cơ hiện có cho phép xây dựng một nhà máy điện cho eRay, nhưng các đặc điểm của nó sẽ không như mong muốn. Để có được các thông số tối ưu, cần phải có các công nghệ và giải pháp mới. Đặc biệt, khả năng sử dụng hiệu ứng siêu dẫn, có thể ảnh hưởng đến các thông số của động cơ điện, đang được xem xét.
Các pin dự trữ hiện có cũng không cho phép tạo ra một chiếc máy bay với các thông số mong muốn. Công nghệ cấp độ 2010 cung cấp mật độ năng lượng theo thứ tự 335 W * h / kg. Đến năm 2040, thông số này dự kiến sẽ tăng lên 2500 W * h / kg. Tuy nhiên, trước mắt người ta phải dựa vào loại pin có đặc tính khiêm tốn hơn là khoảng 1500 W * h / kg. Theo tính toán, nhà máy điện kết hợp với động cơ điện và turbo phản lực sẽ cung cấp thời gian bay ít nhất 6-7 giờ và tầm bay hơn 6.000 km.
Báo cáo về dự án khái niệm eRay cung cấp những số liệu thú vị cho thấy tiềm năng của một kỹ thuật như vậy. Các nhà thiết kế đã tính toán các chỉ số hiệu suất chính của các thiết bị khác nhau trong khi giải quyết cùng một vấn đề. Máy bay A321 khi thực hiện chuyến bay "tham chiếu" ở tầm bay 4.200 km nên tiêu tốn tổng năng lượng chỉ dưới 84,5 MW. Để làm được điều này, anh ta cần 15881 kg nhiên liệu. Máy bay tiêu tốn 2,36 lít nhiên liệu để vận chuyển một hành khách trên 100 km. Đối với loại máy bay eRay đầy hứa hẹn, theo tính toán, tổng năng lượng tiêu thụ lên tới 39,57 MW - tức là 5782 kg nhiên liệu. Để vận chuyển một hành khách trên 100 km, bạn chỉ cần 0,82 lít nhiên liệu. Do đó, trong các điều kiện đã cho, chiếc máy đầy hứa hẹn sẽ hoạt động hiệu quả hơn 65,3% so với kiểu nối tiếp.
Một trong những cách để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là sử dụng không gian trong khoang hành khách một cách khôn ngoan. NASA và DLR cung cấp ba tùy chọn cho buồng lái lót với sức chứa khác nhau. Trước hết, chúng tôi xem xét khoang hạng phổ thông, được tạo ra trên cơ sở khoang A321. Trong trường hợp này, các ghế được lắp đặt thành hàng 3 + 3 với lối đi chính giữa. Trong cấu hình này, máy bay chở 200 người. Ở cấu hình hạng Phổ thông Đặc biệt, sức chứa chỗ ngồi được tăng lên 222 hành khách, sử dụng các ghế khác nhau và tối ưu hóa việc phân bổ số lượng ghế có sẵn. Một biến thể với các tiệm ba lớp cũng đã được thực hiện. Hạng thương gia có sức chứa 8 chỗ ngồi, trong khi hạng "phổ thông" và "tiết kiệm" có sức chứa lần lượt là 87 và 105 hành khách.
Ở dạng đề xuất, máy bay eRay có chiều dài 43,7 m, sải cánh là 38 m ở cấu hình cơ bản hoặc 45 m ở cấu hình nâng cao, giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Trọng lượng của máy bay rỗng được xác định là 36,5 tấn, trọng lượng cất cánh tối đa là 67 tấn, trọng tải khoảng 25 tấn, bao gồm 21 tấn hành khách và 4 tấn hành lý. Hiệu suất bay phụ thuộc vào các yếu tố của nhà máy điện được sử dụng. Nhìn chung, chúng phải ở mức độ của các mô hình hàng không thương mại hiện có.
***
Khái niệm eRay, được công bố trong năm nay bởi các tổ chức nghiên cứu hàng đầu ở Hoa Kỳ và Đức, trên thực tế là một nỗ lực khác nhằm tìm cách phát triển hơn nữa ngành hàng không chở khách. Như đã lưu ý trong báo cáo dự án, trong tương lai sẽ có những yêu cầu mới đối với hàng không thương mại và các hãng vận tải sẽ cần những mẫu thiết bị mới với những khả năng đặc biệt. Việc tìm kiếm giải pháp cho vấn đề này không dừng lại, và dự án eRay một lần nữa đưa ra những ý tưởng ban đầu thuộc loại này hay loại khác.
Trong dự án của NASA và DLR, các mục tiêu chính là tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và cải thiện khí động học, điều này sẽ ảnh hưởng tích cực đến hiệu quả tổng thể của máy bay. Để có được những đặc điểm như vậy, một thiết kế khung máy bay đặc biệt được đề xuất, kết hợp các giải pháp mới và được tổng thể hóa tốt, cũng như một nhà máy điện hỗn hợp khác thường dựa trên các thành phần khác nhau. Các tính toán cho thấy rằng việc tiêu thụ năng lượng nhiên liệu một cách tối ưu kết hợp với cải thiện khí động học sẽ làm tăng cả khả năng bay và hiệu suất kinh tế của thiết bị.
Tuy nhiên, cho đến nay tất cả những kết quả này vẫn nằm “trên giấy”. Khái niệm eRay liner, giống như các phát triển khác của loại hình này, có một lỗ hổng nghiêm trọng và các tác giả của nó cũng nhận thức được điều này. Ở thời điểm hiện tại và trong tương lai gần, các nhà thiết kế sẽ không thể phát huy hết những ưu điểm của ý tưởng đề xuất. Việc đạt được các mục tiêu đã đặt ra bị cản trở do thiếu các công nghệ cần thiết. Do đó, ý tưởng về một động cơ tuốc bin phản lực với các bộ trao đổi nhiệt và công suất phát ra một máy phát điện cần được nghiên cứu thêm và thử nghiệm thực tế. Pin với các đặc tính mong muốn vẫn chưa có sẵn, và hình dáng khí động học đặc trưng của máy bay phải khẳng định khả năng của nó trong quá trình nghiên cứu khác nhau.
Sự phát triển của công nghệ cần thiết để chế tạo một chiếc máy bay eRay thực sự rất tốn kém và mất thời gian. Các tác giả của dự án nhận thức rõ điều này, và do đó họ đang xem xét một loại máy bay đầy hứa hẹn trong bối cảnh hàng không phát triển trong những thập kỷ tới - đến 2040-45. Họ tin rằng vào thời điểm này khoa học sẽ tạo ra các thành phần cần thiết và tiến hành tất cả các nghiên cứu được yêu cầu, điều này sẽ cho phép thực hiện các khái niệm mới: eRay hoặc các dự án khác.
Dự án ý tưởng eRay của NASA / DLR - do mục đích cụ thể của nó - không thể được coi là thành công hay thất bại. Mục tiêu của nó là xác định con đường cho sự phát triển của hàng không thương mại dân dụng và tìm ra thiết kế tối ưu đáp ứng các yêu cầu của tương lai. Các nhà khoa học và kỹ sư của hai nước đã nghiên cứu kỹ lưỡng câu hỏi hiện tại và đưa ra phiên bản câu trả lời của riêng họ. Rất có thể vào cuối những năm 30, các máy bay tương tự như eRay hiện tại sẽ thực sự cất cánh. Tuy nhiên, sự phát triển của hàng không có thể đi theo những hướng khác, và do đó các hãng hàng không trong tương lai sẽ có những điểm tương đồng với các khái niệm khác của thời đại chúng ta.
