Технологии

Отбор воздуха от двигателей или из атмосферы?

Идея «электрического» пассажирского самолета продолжает носиться в воздухе, но самолета такого в воздухе пока нет. Слишком много технических проблем еще предстоит решить, и в том числе – с этим самым воздухом. Точнее, с его кондиционированием.

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]В[/dropcap] том, что в почти герметичном салоне современного самолета кондиционирование необходимо, очевидно. Не менее очевидно, что поскольку салон «почти герметичный», его надо на высоте наддувать для поддержания комфортного для организма человека давления. Сейчас на эти нужды работают двигатели самолета: от них отбирается сжатый компрессором воздух и по трубам поступает в бортовой кондиционер. Это вынуждает иметь на борту достаточно сложную пневмосистему, а также тратить часть энергии в двигателе на ее запитывание.

А почему бы кондиционеру не брать воздух непосредственно из атмосферы?

Преимуществ у не связанной напрямую с двигателем системой кондиционирования в теории несколько.
[list type=»arrow2″]

  • Во-первых, это отсутствие проводки пневмосистемы в крыле и отчасти в фюзеляже.
  • Во-вторых, увеличение тяги двигателей и уменьшение расхода топлива.
  • В-третьих, большая отказоустойчивость.
  • В четвертых, применимость на самолетах будущего, где будут в качестве источника электроэнергии использоваться топливные элементы.

[/list]

 

Теория пока не слишком согласуется с практикой.

Действительно, при наличии чисто электрического кондиционера с самолета можно убрать большую часть пневмопроводки. Однако взамен надо установить отдельный компрессор для предварительного сжатия наружного воздуха, и мощный – на высоте исходное давление воздуха гораздо меньше, а предстоит его и до приемлемого уровня сжать, да еще и циркуляцию в кабине обеспечить.
Мощный компрессор питается не святым духом – ему нужна электроэнергия, следовательно, даже в будущем надо будет увеличивать объем и массу топливных элементов, а сейчас – ставить более мощные (и тяжелые) электрогенераторы.
Вдобавок всей этой электрической машинерии, двигателям и преобразователям, потребуется система вентиляции: электромотор компрессора при работе сильно греется. Вентиляция еще ест энергию и добавляет массу.
В итоге вместо экономии веса мы получаем, при той же мощности системы кондиционирования, его рост!
А раз рост массы, значит, больший расход топлива и вместо экономии получается перерасход.

Стоит ли овчинка выделки?

В компании Liebherr, давно и успешно работающей на рынке систем кондиционирования, в том числе авиационных (даже на SSJ стоит ее продукция), считают, что стоит. Просто надо по-новому подходить к проектированию.

Основной задачей, понятно, является снижение энергопотребления системы без ущерба для ее эффективности. Инженеры как будто нашли решение в том, что надо сократить забор внешнего воздуха Действительно, его перед подачей в салон надо предварительно сжимать, и если потребно меньшее количество свежего воздуха, то и нагрузка на компрессор меньше. Следовательно, сам компрессор можно сделать меньше и легче.

msp_pack-demonstrator

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]И[/dropcap]так, электрический центробежный компрессор через специальный воздухозаборник засасывает наружный воздух и сжимает его. Охлаждение сжатого воздуха осуществляется за счет теплообменника с воздушным охлаждением от набегающего потока, затем воздух проходит через влагоуловитель и под необходимым давлением подается в салон. За охлаждение и частичное удаление влаги из воздуха в салоне отвечает отдельное охлаждающее устройство с жидкостным теплоносителем.

Система все равно получается громоздкой, поскольку на узкофюзеляжном самолете она должна состоять из двух электрокондиционеров и двух холодильников. Но не это главное: они должны нормально функционировать во всем диапазоне высот и температур, которых действует самолет.

msp_cad-based-pack-installation

Получается, что компрессор должен и быть экономичным, и все же поддерживать в салоне минимальное требуемое авиационными нормами давление плюс запас мощности на случай разгерметизации. При этом он должен эффективно работать во всем диапазоне высот, то есть при разной плотности входящего воздуха. Специалистам Liebherr как будто удалось такой спроектировать, как и экономичные инверторы для него. Но вот заставить систему работать во всем диапазоне температур – нет. Поэтому на земле в жаркий день (и не очень жаркий, судя по всему, тоже) потребуется подключение к самолету дополнительной внешней турбины с влагоуловителем.

Вообще создается впечатление, что все эти конструкторские потуги были ни к чему, поскольку, если уж решиться уменьшить потребление энергии системой кондиционирования – а это при дорогой нефти для авиакомпаний самое главное, – но можно было бы оставить ее прежней по принципу (добавив улучшенную рециркуляцию воздуха), но уменьшить забор воздуха от двигателей. В итоге и их тяга несколько увеличилась, и на весе генераторов-компрессоров можно было бы сэкономить, ну а на земле при необходимости так же пользоваться дополнительным компрессором.

И стоило ради этого тратить 10 лет работы, из которых пять потрачена на создание работающего прототипа?

Нет, конечно остаются такие преимущества, как надежность (как за счет общей надежности электросистемы, так и за счет отказа от систем контроля пневмосистемы и исключения их ложного срабатывания) и «перспективность». Но повышение надежности не будет радикальным, а когда дело дойдет до альтернативных источников энергии на самолете, никто не знает. И с такими характеристиками у чисто электрической системы кондиционирования перспектив немного.

Это, в общем признают и в Liebherr, но заявляют, что тема вполне стоит дальнейшей разработки, пусть и с чисто научными целями. Есть даже планы поставить такую систему на летающую лабораторию А320, но нескоро – к 2015 году. Поскольку в том же году в эксплуатацию должен войти A320neo, ясно, что на нем ничего подобного ставиться не будет. Поскольку сообщалось, что система кондиционирования на Neo «более электрическая», то, возможно, там как раз и пошли по более простому пути снижения объема отбора воздуха от двигателей.

В боевой авиации идею с электрической системой кондиционирования, кажется, даже и не рассматривали – везде стоят обычные, с «пневмоприводом»…

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]С[/dropcap] другой стороны, за океаном есть «Дримлайнер», на котором стоит полностью электрическая система кондиционирования и наддува кабины, и она работает. Но вот как – загадка?

В теории все просто: на самолете стоят мощные генераторы, которые запитывают компрессоры и кондиционеры «воздушного» цикла (по два на самолет), и всем хорошо. Сообщается, что электрическая система кондиционирования позволяет экономить 3-5% топлива – это действительно впечатляет. Но есть несколько вопросов…

Главный вопрос – это насколько все это эффективно экономически.

Есть ведь Airbus A350, на этой машине энергосистема традиционная, конструкция – тоже, и тем не менее ее разработчики заявляет, что она заметно экономичнее 787. Как же так?

Вспомним главную особенность «цельноэлектрической» схемы 787 – чудовищную генерируемую мощность. На каждом двигателе стоят по два генератора, общая мощность – около мегавольт-ампер. Для сравнения: на 767 стоят по одному генератору на двигатель, общая мощность – всего 240 киловольт-ампер. Конечно, не вся энергия 787 идет на обеспечение функционирования системы кондиционирования, но это сотни киловольт-ампер. Что в случае электрической системы кондиционирования, что «пневматической», эта энергия в конечном итоге снимается с двигателя и увеличивает его расход топлива, но что более эффективно? Возможно, при подаче сжатого воздуха по трубопроводам пневмосистемы тратится больше энергии, чем расходуется на конвертацию механической энергии в электрическую в генераторе и обратно – в компрессоре, но намного ли?

Зато по массе, по имеющимся сведениям, боинговская (точнее, хамильтон-сандстрендовская) система тяжелее традиционной, и в целом добавляет самолету лишние 200 килограмм.

Вопрос облегчения и удешевления ТО электрической системе открыт, но даже «Боинг» указывал, что это проявится только при длительной эксплуатации. В то же время ясно, что отработанная пневмосистема будет надежнее и обходиться в эксплуатации дешевле, чем новая электрическая. А уж в плане расходов на проектирование – и подавно.

Известно, что на «Дримлайнере» были трудности с проектированием системы кондиционирования, и уже был случай ее отказа. Этим летом 27 июня – 787 авиакомпании All Nippon Airways не смог вылететь из Токио по причине сбоя в компьютере управления системы кондиционирования. Понятно, это «детские болезни», но ведь и «история с батареей» тоже, а обошлась она очень дорого.

Вообще складывается впечатление, что чисто электрическая система кондиционирования или не имеет никаких преимуществ по снижению расхода топлива перед обычной, или это преимущество пренебрежимо мало, а именно кондиционер, как один из главных потребителей энергии, является камнем преткновения для «электрического самолета» вообще. Сам «Боинг» признал, что такой самолет размерности 737 не имеет смысла, и тем более нет смысла перепроектировать уже имеющиеся конструкции. Поэтому ни 747-8, ни 737MAX «электрическими» не будут. «Эрбас», как видим, вообще пока ограничивается экспериментами, и когда и кем будет создан еще один «электрический» самолет – неизвестно. Не скоро – точно.

Обновлено 08.08.2013 в 19:37

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.