Чи може електричний двигун забезпечувати таку ж продуктивність, як реактивні двигуни на поточних літаках?

Я розглянув різні питання на цьому сайті SE щодо цієї теми, але я не знайшов задовільного відповіді. Деякі коментарі тут щодо крутного моменту і потужності в електродвигунах проти бензинових двигунів були корисні. Тут також знайдено додаткову інформацію .

В основі мого питання лежить припущення, що технологія батареї значно випереджає те, що є в продажу зараз. Просто припустимо, що забезпечення електродвигуна достатньою потужністю не є проблемою і що вага батареї дорівнює паливі.

Чи можна побудувати електричний авіаційний двигун, який дозволить сучасним комерційним літакам використовувати ті ж можливості, що і сьогоднішні реактивні двигуни?

30
Хворіть вагою батареї бути спалені в муху? Навіть якщо ви пари кожну власність двигуна/палива система моя фактична airliner приїжджають більш світлі нечисленні тони/година
додано Автор Luiz Fernando Penkal, джерело
Припускаючи питання про двигуни тільки (та ми обдаровані нескінченна дія батареї) - єдина річ я можу подумати електричні двигуни не можуть зробити afterburner/reheat. Однак я вважаю, що дуже мало комерційних літаків ніколи цього не пропонували.
додано Автор Sergey Kudryavtsev, джерело
Одна з проблем полягає в назві: турбовентилятори/турбогвинтовики покладаються на механіку turbo , тобто паливо спалюється, а вихлоп, що використовується для керування валом, що в свою чергу, нагнітає більше повітря в камеру згоряння, дозволяючи вищі тиск для створення, збільшення потужності. Вся концепція не буде працювати для електричних двигунів, тому що немає жодного вихлопу для роботи, і тиск не є відповідним для ефективності двигуна. Ви, напевно, будете дивитися на "нормальні" пропелери і обмежену швидкість на час, якщо я не пропустив спосіб керувати не-турбонадвищим швидкістю звичайних пропелерів.
додано Автор DevSolar, джерело
Ви маєте на увазі щось подібне? scientificamerican.com/article/…
додано Автор Dhayalan Pro, джерело
Фундаментальною проблемою тут є закони термодинаміки. Припускаючи, що у вас була батарея, яка могла б експлуатувати еквівалент струменя, це коштуватиме більше в паливі, щоб зарядити акумулятор, а потім безпосередньо використовувати реактивне паливо. Це проблема з електричними автомобілями сьогодні.
додано Автор jasonh, джерело
Ви все ще повинні генерувати електроенергію і передавати електрику в автомобіль. Порівняйте витрати на опалення будинку з газом v. Електрикою.
додано Автор jasonh, джерело
Ні, @ user3344003, це не проблема з електричними автомобілями. Ви забуваєте що електричний автомобіль є приблизно в п'ять разів більше ефективний у повертаючих зберігаються watt-години у рух як автомобіль ICE. Таким чином, навіть якщо ваш заряд/розрядка в обидва кінці ефективності складає тільки 50% (і це насправді набагато краще, близько 80% або більше) електричний автомобіль буде як і раніше використовувати менше ват-годин. Але в літаку маса батареї є набагато гіршою проблемою, тому що ви постійно витрачаєте енергію, щоб тримати її в повітрі. Тримаючи електричний автомобіль (та його батарею) згортаючий на землі не є майже стільки вантаж.
додано Автор Michael Bishop, джерело
Я вважаю, що ви не можете просто передати акумуляторну технологію. Літій-іонні батареї забезпечують близько 250 Вт/л і 350 Вт/кг. Більшість нафтових дистилятів (від бензину до реактивного палива) становлять близько 9000 Вт/л і 13 500 Вт/кг. І є вагомі причини (наприклад, його атомна вага і високий потенціал напів реакції), чому ми навряд чи зробимо краще, ніж літій.
додано Автор Michael Bishop, джерело
Дякую за коментар. Так, я запитую лише про можливості двигуна (і літака). Мені було цікаво, чи є які-небудь притаманні характеристики, які роблять електродвигуни непридатними для використання в якості авіаційних двигунів?
додано Автор Ashley Davies, джерело
Якщо ви використовуєте електродвигун, це не буде турбовентилятор, а швидше вентилятор. Сучасні струмені мають сердечник турбінного двигуна з великими обхідними вентиляторами. Електричний двигун замінить все ядро ​​турбіни таким чином, ви залишитеся з вентилятором.
додано Автор Fabio Silva, джерело
@DevSolar Я припускаю, що вентилятор не буде мати такого ж обмеження швидкості, що і досвід турбогвинтових. Я маю на увазі щось схоже на високошвидкісні турбомашини, але з електричним ядром. Я не експерт, але мені здається схожим.
додано Автор Fabio Silva, джерело

10 Відповіді

Ще ні.

Щоб подивитися на літаки середнього діапазону, закладіть двигун на CFM56 або IAE V2500 . Ці двигуни виробляють статичну тягу від 100 до 150 кН. У круїзі їхня тяга значно нижча через низький рівень щільність у висоті круїзу і завдяки їм переміщення на 0,8 маха. Давайте скористаємось значенням 25 кН - цього достатньо для того, щоб два з них комфортно натискали A320 класу планера через тонке повітря на висоті.

Влада виробляти таку величину тяги є швидкість швидкості. Швидкість при польоті з Mach 0.8 в 35.000 футів 240 м/с, тому потужність одного двигуна становить 6,0 МВт. Тепер давайте подивимося, наскільки великим і важким є виробляти 6 МВт безперервно. Як ви можете бачити з пов'язаної сторінки Вікіпедії, результати знаходяться повсюди. Великі промислові двигуни мають потужність менше 1 кВт/кг, тому наш двигун важить більше 6 тонн. Менші двигуни для електричних літаків штовхають 10 кВт/кг, співвідношення потужності до ваги турбовентилятор GE90 , але втратить частину цього, коли масштабується до розміру. Пам'ятайте, що навіть при 98% ефективності двигун генеруватиме 120 кВт тепла - це потрібно видалити, а робота в тонкому повітрі не спрощує цього.

За допомогою нинішньої технології двигун може досягти від 2 до 3 кВт/кг - це означає, що двигун, який керує нашим гіпотетичним двигуном, приходить від 2 до 3 тонн. Додайте до цього вентилятор і обтічник реактивного двигуна (нам не буде потрібна частина високого тиску і всі турбіни), але подвоїти вагу вентилятора, тому що нам потрібно компенсувати відсутність високоенергетичного потоку сердечника. Це, можливо, важить 50% від CFM56/V2500, тому нам потрібно додати ще 1,2 тонни.

Електродвигун буде вдвічі важче, ніж частини, які він замінює. Поки що ще потрібно зробити, перш ніж вона зможе отримати перевагу над струминними реактивними двигунами, але вона має певний потенціал, оскільки вона не скидає половину енергії, що надходить до неї, в гарячому, швидко рухається, шумному газовому потоці.


EDIT:

З так багато людей приїжджають збуджений про мені опускаючий аспект енергетичної щільності електричного propulsion, незважаючи на те, що питання зробив явно бажання лишити це, у нас два речей розглянути. Щільність енергії - лише половина проблеми електричного зберігання.

  1. енергетична щільність реактивного палива становить близько 43 МДж/кг, а літій-полімер батареї не досягають навіть одного МДж/кг. Але це порівняння є лінійним мисленням - реально, струм буде вироблятися або високоефективною комбінацією турбін-генератора, або паливними елементами, спалюючи водень вдвічі ефективніше звичайного реактивного двигуна. Так як водень упаковує 142 МДж за кілограм, при подвійній ефективності електричному лайнеру знадобиться лише 162 кг водню на кожну тонну гасу в звичайному струмені. Так, я знаю, навіть тоді його обсяг буде проблемою.
  2. Якщо використовується будь-яка форма батареї, той факт, що порожні батареї важать так само, як і повні, - це остання цвях у труні літака з батарейним живленням. Незважаючи на те, що ваш середній реактив на довгостроковій дистанції потрапляє на 60% своєї злітної ваги , акумулятор Двигун, що рухається, повинен був би використовувати ці важкі батареї до кінцевого пункту призначення. Щоб бути конкурентоспроможними, такі гіпотетичні батареї повинні мати двічі енергетичну щільність гасу.
33
додано
@sanchises Спробуйте покрити квадратний метр у високопродуктивних процесорах, що працюють при повному навантаженні, і подивіться, як добре працює охолодження повітря. :)
додано Автор pauldoo, джерело
@sanchises Ах, я пропустив середню частину. Тим не менш, я б сказав, що у вас виникнуть проблеми навіть з таким повітряним потоком, особливо при атмосферному тиску, де літають літаки (від 1/3 до 1/4 значень рівня моря).
додано Автор pauldoo, джерело
@FreeMan Насправді, вага все ще є проблемою, навіть якщо ви вважаєте, що вона рівна. Подивись мою відповідь. Хоча, безумовно, ви маєте рацію, що аналіз того, що ці ваги буде не потрібний, оскільки передбачається.
додано Автор pauldoo, джерело
Досі не знали, що "schlepp" також існує англійською мовою: *)
додано Автор Nathan Fellman, джерело
Гарні коментарі на цю тему, Петро. Так, головна проблема полягає у вазі двигунів, а також в енергетичній щільності поточної технології акумуляторів. Однією з ідей може бути використання хімічних палив, що живлять паливні елементи, і використання надлишкового тепла від осередків і двигуна для збільшення ентальпії повітря з вентиляційного каналу в насадку, створюючи додаткову реактивну тягу. Це просто концепція, і я не зробив спину обчислення конвертів, щоб побачити, якщо загальна вага двигуна, паливного елемента, теплообмінника і т.д. буде легше, ніж існуючі реактивні двигуни.
додано Автор Tsahi Levent-Levi, джерело
Цей аналіз не враховує вагу джерела живлення для електричного літака у порівнянні з вагою палива для струменя.
додано Автор Richard Morgan, джерело
"електричний двигун повинен виробляти 6 МВт безперервно." Ви припускаєте, що реактивні двигуни працюють на 100% дросель протягом всього польоту? Електричні двигуни можуть обробляти більш високу потужність з перервами (тобто під час зльоту), ніж їх номінальна потужність, якщо вони призначені для цього. Там не може бути хороший приклад доступні комерційно, але, як реактивні двигуни літака електричний двигун обов'язково буде налаштований до застосування, і ви, ймовірно, слід шукати двигун десь ближче до крейсерської потужності, ніж максимальна потужність.
додано Автор Craig, джерело
Будь-яке паливо засноване електричне генерація би перемогла пункт електричного двигуна. Ви можете так само легко подавати водень в ДВС або реактивний двигун (або небесне, ракетний двигун).
додано Автор ruds, джерело
"Пам'ятайте, що навіть при 98% ефективності двигун буде генерувати 120 кВт тепла - це необхідно видалити, а робота в тонкому повітрі не полегшить це". Тим не менш, реактивний двигун вдається усунути набагато більше тепла в тій же атмосфері. Можливо, ви можете приєднати до електричного вентилятора якийсь електричний вентилятор для охолодження .... досить дивно 98% знаходиться в діапазоні граничної ефективності Карно (припускаючи, що повітря не є рідким азотом, а двигун працює під температура плавлення вольфраму).
додано Автор ruds, джерело
@kert: Оскільки ви насправді не читали те, на що ви пов'язані: це проекція, що використовує деякі героїчні припущення. Зверніть увагу, що я говорив про стан справ. Тонкий кручений MgB $ _2 $ просто не існує, бажане задумане у NASA. Йдеться про поточні літаки, а не пропаганду НАСА, придуману для збільшення фінансування.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@kert: Дякуємо за інформацію! Я відповів на це питання поточними знаннями ще рік тому, і враховуючи, що потужність двигуна "в п'ять разів перевищує порівнянні системи приводів" ( джерело ). Більш вражаючі співвідношення потужності/ваги можливі тільки з меншими двигунами; як тільки ви масштабуєте до ваги авіалайнера, 8 або 10 все ще неможливо.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@GabrielVince: двигун Prius - 1,37 кВт/кг. Він побудований для невеликої ваги - це автомобільний двигун, а не стаціонарний промисловий двигун. Я припускав, що 2 - 3 кВт/кг, добре знаючи, що вага - це премія у літаку, але з сучасними технологіями ви не отримаєте нічого кращого. Зрештою, цей двигун повинен бути сертифікований так само, як і будь-який інший компонент на літаку. У Формулі 1 все було б інакше, але ми все ще дивимося на цивільну авіацію.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@RussellBorogove: Будь ласка, прочитайте запитання. І зрозуміти це.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@ Арон: Не обов'язково. Якщо порівняти ефективність паливних елементів плюс електродвигуни з газовою турбіною, то паливний елемент виграє руки вниз.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@CarloFelicione: Я згоден, паливні елементи можуть бути варіантом. Їхня вага в останні 20 років трохи зменшилася, але їм потрібно зменшитися ще на порядок, щоб випередити всі інші варіанти.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@AdamDavis Зверніть увагу, що мій 6MW номер вже для круїзу. При зльоті витрата палива і тяга набагато вищі. Так, і я припускаю, що реактивні двигуни працюють на 100%, або близько до нього. Вони роблять це, щоб мати можливість літати якомога вище, щоб підвищити ефективність.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@BrockAdams Наскільки я знаю, водень у Zeppelins потребував не набагато більше, ніж легкий мішок шкіри золотистого пляма . І він все ще містив від 120 до 142 MJ на кг потенційної енергії. Будь ласка, поясніть, що таке чарівне для Цеппелінів. Вони існували!
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@BrockAdams: Потім це може вас здивувати. Будь ласка, не забувайте про абзац про Благу. Цей тип палива містив водень і був плавучо-нейтральним.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@lexeter Я не думаю, що це буде така велика проблема. Я керував цифрами, а тепловиділення (виміряне в Вт/м²) було б менше, ніж середнє тепловиділення процесора, якщо у вашому двигуні була лише 1 м² зовнішньої поверхні. Хоча це проблема для автомобільних додатків, де велика пропозиція холодного повітря вимагатиме великі, потворні совки, це, мабуть, менше проблеми для чогось, що в основному буде гігантським вентилятором настільного комп'ютера.
додано Автор Guido Kanschat, джерело
@lexeter Не соромтеся сумніватися в моїх розрахункових повноваженнях ;-) І, я не розрахував фактичну температуру двигуна, тільки на порядок величини. Якщо ви дійсно зацікавлені, книга 950 + сторінка книги я на ньому (Основи передачі тепла, F.Incropera та ін) є хорошим початком.
додано Автор Guido Kanschat, джерело
@reirab Я спеціально сказав "середній" процесор (45W/269mm²). По-друге, спробуйте охолоджувати цей квадратний метр з повітряним потоком 900 км/год -50 ° C - цілком відрізняється від процесорного кулера (навіть висококласного).
додано Автор Guido Kanschat, джерело
@RussellBorogove з питання Просто припустимо, що забезпечення електродвигуна з достатньою потужністю не є проблемою і що вага батареї дорівнює паливі. Аналіз ваги джерела живлення не потрібний для Цей конкретний питання.
додано Автор FreeMan, джерело
Водень не упаковує 142 МДж на кілограм. Для цього потрібний якийсь магічний контейнер, який ніколи не існуватиме. Водень вимагає надзвичайно важких баків під тиском та/або надзвичайно важких криосистем з громіздкими/важкими ізоляціями та/або композитними резервуарами низького тиску, які монополізують обсяг літака і мають проблеми з утриманням та обмерзанням. ... Існує причина, що, незважаючи на багато спроб, водневі літаки залишаються: рідкісними, завищеними і недостатньо ефективними.
додано Автор Daan, джерело
@ PeterKämpf, що цеппелін мав величезну кількість бензинових балонів для "водневого" ремесла. Тим не менш Вікіпедія каже, що вона могла піти 100 годин на водні (але це цитує джерело, яке не говорить про таку річ). ... Навіть якщо це було так, ви відзначите, що продуктивність системи - це тільки skosh нижче, ніж у літаків з реактивним двигуном, за питанням.
додано Автор Daan, джерело
@ PeterKämpf, zepplins не були живленням воднем (вони використовували бензин або дизель). Якби вони були, їхній діапазон був би лише кілька миль. (Насправді набагато менше, оскільки вони майже відразу втрачають плавучість і аварії.) На землі, ви не можете використовувати водень для руху в районі 120 МДж/кг через обладнання, необхідне для його зберігання.
додано Автор Daan, джерело
Турбореактивні двигуни встигають розсіювати багато тепла від активної зони. Не весь це виходить вихлопний. Я не знаю, чи це еквівалент
додано Автор TomMcW, джерело
Густина енергії водневих паливних елементів є маленькою. Сто разів, що є, але не використовується з інших причин.
додано Автор mkennedy, джерело
@sanchises Дякуємо, що запустили номери! Я не сумніваюся у ваших надмірностях розрахунку, але чи вважаєте Ви знижену щільність повітря на висоті? Хоча я припускаю, що в той час як тонке повітря ускладнює розсіювання тепла, теж дуже холодно, що в свою чергу повинно допомогти. Проте, не знаю, який з двох має більший вплив. Напевно, нелегко відповісти, оскільки це залежить від багатьох факторів.
додано Автор Ashley Davies, джерело
Дякуємо за вашу відповідь - саме те, що я шукав. Одним із аспектів, якого я не очікував, була проблема розсіювання тепла, виробленого електричним двигуном, дуже цікаво.
додано Автор Ashley Davies, джерело
@ PeterKämpf В даний час електроліз приблизно на 60% ефективний, хоча. Таким чином, вам знадобиться приблизно така ж енергія, яка була б покладена на батареї в літаку, так чи інакше. Різниця у вартості кожної поїздки близька до нуля. І це не розглядає необхідність мати справу з надзвичайно згубною молекулою водню, яку ви або будете мати як кріогенну і дорогу, щоб обробляти/зберігати рідину або газ з обсягом, більшим, ніж у батарей. Оскільки збільшення енергетичної щільності батарей здається неминучим, це пов'язано з зменшенням витрат на батареї.
додано Автор Jason Mercurio, джерело
@ PeterKämpf Давайте припустимо, що батареї становлять 75% від ваги літака @ майбутнє значення 500 Вт/кг = 1,8 МДж/кг. Тоді я розрахую для тієї же енергії зберігання, hydrogen + зберігання + клітини палива для того же самий airframe, тощо би взяв ~ 10% ваги літака якщо вони 80% ефективні. Якщо індукований потяг приблизно вдвічі перевищує тягар літака в корпусі акумулятора, то індуковане перетягування скорочується до ~ 10% від корпусу батареї, але давайте назвемо його нульовим. Таким чином, для паливних елементів, ви маєте половину перетягування корпусу батареї, і половина потреби в потужності.
додано Автор Jason Mercurio, джерело
Двигуни, які ви згадали, побудовані на довговічність і витримують досить жорстоке поводження. Ніхто не просив їх бути легкими :) Так що дійсно ще є дорога вперед, щоб поліпшити раціон/потужність:)
додано Автор Matthew Whited, джерело
Ні я читав це, та інші матеріали також. Та ж дослідницька група у співпраці з AFRL випустила робочі двигуни з HTS до 8kW/Kg раніше, його посилання у багато інших досліджень. Подвоєння цього досягнення наближається до ближнього періоду, і> 40 кВт/кг моделюється, без фундаментальних обмежень.
додано Автор user21948, джерело
За нинішньої технології двигун може досягти від 2 до 3 кВт/кг Існуючі двигуни на пропелерних електричних літаках досягають 5 кВт/кг на Siemens Extra 330LE. Високотемпературні надпровідні двигуни демонструють ~ 8кВт/кг, причому дуже гарні перспективи йдуть приблизно вдвічі.
додано Автор user21948, джерело
Насправді, NASA має конструкцію для 41 кВт/кг на 12-мегаваттному масштабі. Високотемпературні надпровідники. Див. ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi .ntrs.nasa.gov/20150023038.pd & zwnj; f
додано Автор user21948, джерело

Двигуни великі, як вони є. Електричні двигуни можуть бути швидкими, потужними та ефективними. Я бачу дві проблеми:

Перший - велика кількість енергії, споживаної комерційним літаком. З одним двигуном, який видає 200 кН, вам потрібен невеликий силовий агрегат, прикріплений до літака. Навіть батареї були б на 100% ефективними і могли зберігати достатню кількість енергії, вам потрібно спалювати більшу кількість палива, щоб зарядити їх (вам знадобиться багато альтернативних джерел енергії, щоб відповідати наданій енергії).

Друге - це все про щільності енергії. Реактивний паливо, що має 34 МДж/л, батареї до 120 Вт/кг = 0,36 МДж/кг (відповідно до цього сайту ). Таким чином, потрібно більше 100x більше місця для зберігання такої ж кількості енергії.

Просто шукайте «електричний літак», і ви отримаєте список в основному невеликих, надлегких або самохідних планерах, де їм не потрібно мати з собою багато енергії.

13
додано
@abligh Сучасні кораблі з ядерним приводом належать і експлуатуються військовими. Вони володіють знанням належного поводження з розщеплюваним матеріалом і, можливо, більш важливо, зброєю для його захисту. Що стосується термоядерного синтезу, то в даний час не існує нинішніх термоядерних реакторів, що виробляють чистий вихід енергії, малого чи іншого. Влада злиття була "десятиліття або два від", принаймні, з 1940-х років.
додано Автор pauldoo, джерело
@abligh Ви говорите, що ваші інженерні відбивні кращі, ніж обидві з двох найсучасніших військових у світі? Тому що ні вдалося змусити її працювати.
додано Автор ruds, джерело
Це не так. Проблемне простір просто. Ядерні реактори є радіоактивними. Люди і радіоактивність не змішуються. Захист важкий (науковий факт, вони повинні мати великий перетин). Важкі літаки не літають. Не запускайте мене з нейтронного випромінювання і злиття.
додано Автор ruds, джерело
@abligh також схильні нервувати, коли ви будуєте ядерні реактори, де може з'явитися масовий вогняний куля (див. Чорнобиль, Фукусіма і Вітсскейл).
додано Автор ruds, джерело
Ви потрапили в цвях на голову @GabrielVince, це все про щільність енергії. краща технологія батареї у поточному розвитку має приблизно 5-7 рази літій-іонний батарея, але це є все ще маленький у порівнянні до вуглеводневого палива. Навіть вибухові речовини не відповідають їх щільності - C4 має лише 6,3 МДж/кг!
додано Автор GdD, джерело
"На борту можна було б розмістити невелику АЕС" - якщо у вас є атомна електростанція, ви можете використовувати це тепло безпосередньо: en.wikipedia.org/wiki/Nuclear-powered_aircraft
додано Автор Adrian Godong, джерело
Електричні двигуни не повинні отримувати всю свою енергію від батарей. Можна було б поставити невелику атомну електростанцію на борту (можливо, не дуже хороша ідея, якщо це розщеплення, але якщо припустити, що в якийсь момент невеликі термоядерні установки є можливим ...). Перш ніж висміювати це занадто багато, пам'ятайте, що люди говорили те ж саме про ядерні кораблі/підводні човни.
додано Автор Bigood, джерело
@reirab Я згоден. Але ОП не обмежує питання цивільними літаками. Крім того, OP вважає, що технологія батареї просувається надзвичайно, так що не є нерозумним припускати, що технологія термоядерного синтезу надзвичайно одночасно. Я думаю аргументи re вага двигуна є більше придатний ніж цей про джерела енергії. Можливо, ядерний літак буде ефективнішим з турбінною системою, аніж до електрики і назад.
додано Автор Bigood, джерело
@Aron ні, я не сказав, <�я> я можу змусити його працювати. Але пропозиція вчених може зробити щось у наступні 20 років, вони не змогли зробити 60 років тому здається розумним.
додано Автор Bigood, джерело
@GdD фактично, як правило, вибухові речовини не дуже хороші запаси енергії взагалі. Вони називають своє ім'я не за рахунок збереження великої кількості енергії, а за їх здатності відпускати всю цю енергію в надзвичайно короткий період часу.
додано Автор Cort Ammon, джерело
Спасибі за вашу відповідь. Як згадувалося в моєму питанні, я знаю про проблеми з технологією батареї. Мені було цікаво, чи є якісь притаманні характеристики, які роблять електродвигуни непридатними для використання в якості авіаційних двигунів. Перший абзац вашої відповіді вказує на те, що це не так, і ми могли б побудувати електричні двигуни з такими ж можливостями, як і турбомашини - єдина (безумовно величезна) проблема полягає в постачанні цих електродвигунів достатньо енергії.
додано Автор Ashley Davies, джерело
І - не забувайте про аварії літаків - кілька разів щороку :) Ви не хочете, щоб у вашому саду вийшла з ладу аварійно-відпрацьована атомна електростанція.
додано Автор Matthew Whited, джерело

Є один важливий недолік, який батареї завжди будуть порівнювати зі спалюванням палива для авіаційного рушія: вага залишається постійним. Пасажири (особливо ті, що використовуються на дальніх рейсах) спалюють великий відсоток своєї злітної маси протягом польоту. Батареї, однак, постійно зберігають свою початкову масу. Це проблема з кількох причин:

  1. Найбільш очевидною причиною цього є те, що для польоту потрібно більше енергії. Навіть якщо ви отримаєте акумулятор, який має рівну енергетичну щільність до реактивного палива, а також стабільний (який ми зараз досить далекі), аероплан потрібно буде нести всю масу батарей на весь час польоту. Таким чином, як політ продовжується, значно більше енергії буде використовуватися за милю на батарейках, що літають, ніж на паливі, навіть якщо батареї мають ту ж щільність енергії, що й паливо. Це також означає, що ще більше маси батареї буде потрібно для того ж діапазону, так як ця потреба в додатковій енергії повинна надходити від батарей.

  2. Іншою великою проблемою є максимальна вага посадки. Багато авіалайнерів не розраховані на те, щоб мати можливість приземлитися на максимальну злітну вагу просто тому, що вона не потрібна. Це одна з причин, чому паливо іноді потрібно скидати або спалювати перед тим, як літак, який зіткнувся з проблемою після зльоту, може знову приземлитися. Але, з батареями, you''ll досі бути у take-off вага коли ви приземляєтесь, котрий означає ви будете потребувати більш сильних приладу приземлення та шин, котрий означає все ще більше вага та проект/вартість виробництва. Це також означає, що ви будете приземлятися швидше (через додаткову вагу), так що вам потрібно більше довжини злітно-посадкової смуги до землі, а також необхідність гальм, які можуть поглинути більше енергії. Кінетична енергія літака дорівнює половині її масової частоти, що перевищує її квадратичну швидкість, тому енергія, яка повинна поглинатися гальмами під час посадки, різко зростає по мірі збільшення ваги і швидкості посадки.

  3. Дещо менш важлива, але все ще значна проблема - це більше покарання поверхні злітно-посадкової смуги. З літаками, що приземляються поблизу своїх МТЗ, поверхні злітно-посадкових смуг будуть пошкоджені швидше і потребуватимуть знову частіше і/або розраховані на великі навантаження, ніж зараз. Це також, ймовірно, означає, що літаки не зможуть отримати доступ до стільки злітно-посадочних смуг, як інакше еквівалентне паливо, яке може використовуватись до тих пір, поки ці злітно-посадкові смуги не будуть посилені.

Звичайно, ви могли б розпочати викидання елементів батареї, коли вони вичерпані, але це також (очевидно) має багато проблем:

  1. Для того, щоб скоротити кількість осередків тесту швидше, ніж інші, ви не зможете використовувати всі клітини паралельно, що буде означати більш високі рівні енергії на клітинку (і, таким чином, більше тепла, виробленого на одиницю час на активну клітинку і т.д.)

  2. Потрібно розробити літак, щоб безпечно викидати клітини. Це доцільно, але вимагатиме великих додаткових витрат при проектуванні та додатковій вазі.

  3. Екологи не будуть дуже раді, коли ви почнете скидати величезні батареї. Також не будуть власники нерухомості. Існуюча хімія батареї вже досить корозійна, і хімія батареї з енергетичною щільністю Jet-A, ймовірно, буде ще більш корозійною, нестабільною, інакше поганою для того, на що вона упала.

11
додано
@lexeter Тепер ми можемо побудувати сильніші злітно-посадкові смуги, це просто дорожче і не відбувається за одну ніч. Аеропорти повинні мати значний попит на неї до того, як вони зроблять інвестиції, особливо у випадку з аеропортами, де закриття злітно-посадкової смуги повертається назовні і призводить до великих головних болів під час будівництва.
додано Автор pauldoo, джерело
@Mark Hmm ... Хоча вікі завжди потрібно брати з зерном солі, % є типовим , перш ніж розглядати втрати при перетворенні електроенергії в двигун. Крім того, як я вже згадував раніше, це не дуже актуально, оскільки питання стосується батарей, а не паливних елементів.
додано Автор pauldoo, джерело
@sanchises Питання було конкретно про батареї. Крім того, чому ви використовуєте електричний вентилятор з паливними елементами замість того, щоб просто спалювати паливо безпосередньо в двигуні, щоб почати? Останній майже напевно ефективніший, не кажучи вже про менш складний для проектування та обслуговування.
додано Автор pauldoo, джерело
@reirab, паливні елементи наближаються до 100% ефективності при перетворенні хімічної енергії в електрику. Спалювання в кращому випадку близько 40% ефективне.
додано Автор Peter Shor, джерело
А як щодо паливних елементів? :)
додано Автор Guido Kanschat, джерело
Дякую. Я знав про 1 та 2, але не 3. Додає цікаву перспективу; Я поняття не маю, які витрати на шліфування або зміцнення конструкції злітно-посадкової смуги могли б бути. Але, я думаю, якщо наша цивілізація почала використовувати електричні пасажирські літаки, стимул розвивати сильні злітно-посадкові смуги буде достатньо великим, щоб хтось придумав рішення для цієї конкретної проблеми (наприклад, дешева нова супер-сильна формула асфальту).
додано Автор Ashley Davies, джерело

Всі коментарі дуже вірні і дійсні. Я хотів би лише додати, що компанія Siemens зробила випробування літака 260 кВт з потужністю 5 кВт/кг для вагового коефіцієнта потужності для одного двигуна типу ICE і вважає, що конструкція масштабована таким чином, що 100-ти місцеві гібриди регіональної серії можуть бути реальність скоро. Важливо відзначити, що гібриди вирішують питання енергетичної щільності батареї, а також злітають проти ваги посадки, а електродвигуни різко підвищують безпеку в порівнянні з звичайними двигунами внутрішнього згоряння.

3
додано
Привіт, і ласкаво просимо до Aviation.SE. Дякуємо за гарну першу відповідь. Додавання посилань на цю відповідь зробить його ще кращим.
додано Автор Simon, джерело
Ось посилання на сайт Siemens щодо згаданого двигуна літака і його використання в пілотажному літаку Extra 330LE. siemens.com/ натисніть/en/feature/2015/corporate/& hellip;
додано Автор Ashley Davies, джерело

Так. Те, на чому ваше питання зводиться, по суті:

Ігноруючи вхідну потужність, чи може електричний двигун виробляти еквівалентний вихід реактивного двигуна в межах розміру і ваги цього реактивного двигуна?

Тому:

Чи є співвідношення потужності до ваги реактивного двигуна більшим, ніж електричні двигуни?

і

Чи є співвідношення потужності до обсягу реактивного двигуна більшим, ніж електричні двигуни?

https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-weight_ratio # Electric_motors.2FElectromotive_generators

Турбореактивний двигун GE90-115B Brayton, що використовується на Boeing 777, має співвідношення потужності до ваги 10,0 кВт/кг.

Електродвигун, створений для авіації, EMRAX268, має значно меншу потужність, але досягає 10,0 5кВт/кг.

Some will be concerned about whether the motors can scale up but as can be seen in the electric vehicle industry fast electric cars are readily available, іthe size іvolume of of just the motor іits required components (cooling, control) is smaller іlighter than the gas engines for those vehicles that can compete in terms of acceleration іtop speed.

Even more telling is that the electric motor іits components are not only lighter іsmaller, but they are cheaper as well.

The only limiting factor to electric aviation is the power source, іas a step forward every major manufacturer is already designing hybrid electric planes. As powerful as jet engines are, they are still not as fuel efficient (іthus emissions efficient) as they could be. A jet fuel powered generators powering electric engines may be available in the market within a decade.

These hybrid planes wouldn't be possible if the electric engines couldn't hold their own in size, weight, іpower relative to a jet engine.

1
додано

Найбільша перевага електричного вентилятора полягає в тому, що електричні вентилятори є більш ефективними, ніж реактивні турбовентилятори. Реактивний турбовентилятор створює 75-85% своєї тяги від вентилятора і 25-15% від потоку 'сердечника'. Принцип полягає в тому, що чим повільніше прискорене повітря, тим ефективніше ви генеруєте тягу, так як переміщення малого обсягу повітря дуже швидко означає втрату енергії в кінетичній енергії прискореної повітряної маси. Отже, більші (або більше) вентилятори, що прискорюють більший об'єм повітря при більш повільній швидкості, набагато ефективніші. Реактивні двигуни вже роблять це шляхом підключення великого вентилятора на фронті до валу компресора за ним, і це високий обхідний реактивний двигун.

Незважаючи на це, сучасні турбомашини досягають у 2 ньютонів тяги за кВт енергії. Це пояснюється тим, що сам двигун має низьку термодинамічну ефективність у поєднанні з вентилятором, який підгоняється різними обмеженнями, які не стосуються конструкції електричного вентилятора. Наприклад, діаметр вентиляторів обмежений дорожнім просвітом і обертанням оборотів приводного валу компресора. Він все ще обертається занадто швидко, а швидкість наконечника здатна протікати надзвуковою. Це призводить до різких втрат і шумів. Отже, коефіцієнт обходу є занадто низьким для дійсно високої ефективності, що може бути вирішено лише за допомогою декількох вентиляторів. наявність додаткових протиповоротних відкритих лопаток Електричні вентилятори, наприклад, навколо тилу фюзеляжу, можуть приймати повільний повітря з тіла літака, який є більш ефективним, і вони можуть бути розміщені в декількох точках вздовж крила і хвостових ділянок.

Електричні вентилятори можуть, завдяки приблизно в 4 рази менших втратах термодинамічної енергії та меншій швидкості наконечників, оптимальні швидкості обертання та повільнішу швидкість виходу повітря потенційно перевищують 20N за кВт, і, ймовірно, досягають 35N за кВт. продуктивність, яку вони б досягли, але можна з упевненістю сказати, що це буде краще, ніж турбовентилятор. Отже, батарея може потенційно бути конкурентоспроможною на рівні 500 Вт/кг, включаючи силову електроніку і електропроводку.

Ваги мотора залежать від необхідної потужності, оскільки, як вказується, її важче охолоджувати великим ядром. Однак ви не хотіли б намагатися замінити вентилятор на струменевий реактивний двигун, але матимуть кілька вентиляторів меншої потужності, що означає, що щільність потужності в кВт/кг буде вищою, ніж у вищезазначених випадках, надпровідники не витримують. Менші вентилятори також можуть обертатися швидше, підходячи для таких двигунів.

Як зазначалося вище, РЕАЛЬНИЙ питання полягає не в щільності енергії батареї, а в щільності батареї, щоб мати не тільки достатню потужність при зльоті, але й перезарядку в межах 20-50 хвилин. Оскільки електричні літаки першими будуть конкурентоспроможними лише на коротких і середніх рейсах, багато з яких є внутрішніми і мають швидкий час обертання, необхідна щільність потужності близько 1 кВт на кг, що перевищує поточні можливості акумуляторів з високою енергією з великим відривом.

Теоретично, якщо ми зможемо отримати більшу ефективність тяги (скажімо, 60 ньютонів на кВт), то ми можемо використовувати набагато менше енергії, тому нам потрібно буде лише обернути частину ємності акумулятора і вийти з, скажімо, 500 Вт/кг заряду/потужність розряду). На практиці заявлена ​​густина потужності є максимальним значенням, але відбувається при меншій енергоефективності і має тенденцію до скорочення терміну служби батареї, тому батарея повинна, ймовірно, мати заявлену щільність потужності на 50% більше, щоб ефективно працювати таким чином.

110 Newtons тяги за кВт потужності було продемонстровано з електростатичними іонними двигунами (тип, який використовується в 'lifters', який ви можете бачити на youtube), але це має низьку щільність тяги, тому вам необхідно враховувати вагу. Збільшення напруги допоможе в цьому.

Питання про те, що літак не стає легшим, як ви летите, є певною мірою важливим, але економія витрат на паливо і потенціал, що мають багато вентиляторів, які використовуються, наприклад, для сприяння повітряному потоку навколо крила, можуть збільшити підйом на низькій швидкості і тим самим компенсувати збільшена маса за рахунок польоту оболонки. Імовірне втілення протиповоротних пропелерів, кожен з яких має електрично керовані лопаті змінного кроку, які можуть оптимізувати швидкість і кут нахилу до умов поряд з прискоренням набагато більшого обсягу повітря, значно збільшують загальну ефективність. Електричний двигун в протиповоротних вентиляторах набагато простіше механічно, ніж той, який підключений до дизельної або реактивної турбіни, і може задовольняти високій швидкості комерційного літака (див. https://en.wikipedia.org/wiki/Propfan ), який показує, що протиповоротні вентилятори з безводним каналом можуть надавати переваги ефективності. Питання шуму є функцією приєднання цих пропелерів до індивідуальних реактивних двигунів, що знову означає високу швидкість наконечника як результат обмежень на діаметр і високі обороти двигуна. Коли електричне живлення, більше вентиляторів можуть бути використані на набагато більш повільній швидкості наконечника, це скорочує виробляється шум.

Вага додаткових вентиляторів частково компенсується вигодами від зняття капота як у вазі, так і в перетягуванні.

Внаслідок перезарядки питання, ймовірне втілення буде просунутий, більш високі ефективності двигунів, які перезаряджають батареї один раз в круїз і спуск, і поповнити енергію, необхідну під час підйому. Вони можуть використовувати надпровідні генератори і з достатнім запасом батареї ризик катастрофічних збоїв генератора повинен бути зменшений.

1
додано
Ви можете скористатися підвищеною ефективністю "електричних вентиляторів" насамперед, летячи більш повільно. Потім покінчити з саван і в кінцевому підсумку з регулярними пропелери. Тоді все це має сенс.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
Більшість батарей повністю перезаряджаються менш ніж за 1 годину. Багато за 30 хвилин. Заряджений від 10 хвилин до 80% не виключається з адекватним тепловим управлінням. Я не бачу, щоб це змінювалося з підвищеною щільністю енергії, тому я не розумію, чому щільність потужності була б проблемою. Але так, як сказав Петро, ​​я б зацікавився вашою тягою за кВт при швидкості 0,85.
додано Автор Sebas, джерело

Грубо, потенційно, але є деякі ключові відмінності в порівнянні реактивного двигуна і теоретичного "електричного реактивного двигуна", які дуже відрізняються від порівняння двигуна автомобіля з двигуном з електроприводом.

Найбільш примітно, як згадувалося раніше, турбо-вентилятор механічно приводиться в рух тепловим двигуном згоряння розширенням повітря, стиснутим його компресором. У крейсерських швидкостях (де реактивний двигун оптимізований), це набагато більш ефективне розташування палива, ніж круїзна швидкість роботи двигуна внутрішнього згоряння.

В основному, є два місця, де виділене тепло перетворюється на механічну енергію - по-перше, значна частина тепловиділення згоряння захоплюється турбіною, що приводить в дію компресор. По-друге, вихлопна форсунка також перетворює тепло, не захоплене турбіною, в кінетичну енергію, прискорюючи масовий потік через двигун, перетворюючи дельту тиску, що генерується тепловим розширенням, в дельту швидкості через геометрію сопла. Для порівняння, двигун внутрішнього згоряння перетворює теплову експансію відпрацьованих газів в механічну енергію, керуючи лінійним поршнем, і не отримує механічної енергії вихлопом. Як правило, турбіни є більш ефективними, ніж поршні при механічному перетворенні енергії. Існує також третина ефективність - саме те, що горіння при високих тисках більш ефективно перетворює тепло до тиску, оскільки щільність газоподібного газу вище, тому більше хімічної енергії палива перетворюється в кінетичну енергію в реактивному двигуні, ніж двигун внутрішнього згорання, просто внаслідок більш високого тиску реакції горіння в реактивному двигуні. «Недолік» для реактивного двигуна полягає в тому, що для того, щоб зробити роботу палива ефективною, необхідно працювати на значній частці Маха, набагато швидше, ніж наземний транспорт, можна безпечно управляти. Отже, двигуни внутрішнього згоряння керують землею та реактивними двигунами, які керують небом у поточній парадигмі.

Отже, навіть якщо припустити необмежений енергопостачання, вам доведеться мати дуже ефективний двигун на основі енергоефективності. Для завантаження, ви повинні мати двигун, який працював на аналогічних швидкості круїзу. Навіть залишивши осторонь нескінченну енергетичну генерацію, ми все ще можемо вважати, що більше часу в повітрі є більш тривалим тимчасовим кадром, по якому повітряне судно повинно бути енергетично самодостатнім, зазвичай прирівнюючи до більшої маси в батареї та/або генерації енергії. Більша маса знижує механічну ефективність на основі роботи літака, тому що це більше енергії, яку ви повинні витратити на прискорення і уповільнення додаткової маси.

Так у електричному двигуні загнаному еквіваленті, ви певно досі маєте щось схоже на turbo-вентилятор. За винятком того, що ваш двигун в першу чергу веде ваш вентилятор компресора, і турбіни є в основному, щоб відновити деякі з енергії стиснення (яка також генерує тепло) в енергію, щоб керувати певними функціями двигуна, як охолоджуюча рідина і циркуляція мастила, можливо, деякі енергії регенерації. Таким чином, можливо, менше турбіни, але це ставить вас проти незручного факту, що стиснення повітря не дуже енергоефективне як засіб генерації тяги. Якби це було, ми б керовали літаком від стисненого повітря.

Те, що це загалом, полягає в тому, що електрифікація повітряних перевезень, швидше за все, не буде нагадувати сучасну технологію реактивної епохи. Це є в межах відомої технології застосувати ефективність електричних двигунів до проблеми повітряного транспорту, але результуюча архітектура виглядає дуже сильно різний, як фундаментальна архітектура повного EV є різна ніж газ автомобіль. Це, ймовірно, додатково означає деяку принципово іншу інфраструктуру.

Напр. велика частина енергії польоту зайнята у початковому прискоренні, так що можливо, що повітряна ЕВ буде зніматися з злітно-посадкової смуги, що більше нагадує авіаносець, ніж плоска дорога з допоміжним запуском. Аналогічним чином, повторне використання енергії на посадці може знову використовувати систему, більш схожу з тією, що спостерігається на авіаносці, присвяченій тільки відновленню, а не швидким уповільненням.

Більш безпосередньо, однак, фундаментальна проблема полягає в тому, щоб генерувати тягу при швидкості, що наближається до Маха. Ефективність електричних двигунів при перетворенні електричної енергії в обертальну механічну потужність дещо пом'якшується дозвуковою і надзвуковою механікою рідини, тому що літак повинен генерувати тягу, прискорюючи повітряний потік, або «штовхаючи» повітрям так чи інакше. При цих швидкостях пропелери в основному починають втрачати свою ефективність, і рушійні методи вище зазначених швидкостей тому спираються на розширення газів з передачею тепла в газ. Таким чином, щоб конкурувати в цих областях швидкості, енергоефективні засоби передачі тепла (стиснутого) повітряного потоку повинні бути розроблені, що дуже відрізняється від простого застосування відомої технології електродвигуна.

1
додано
За винятком того, що ваш двигун в першу чергу керує вентилятором компресора , але це вже те, що відбувається.
додано Автор conmulligan, джерело
більша частина енергії польоту приймається в початковому прискоренні - тільки для рейсів з дуже малим діапазоном, низьким рівнем. Для будь-якого реалістичного стану ваше припущення є неправильним і належить до поля, що називається балістикою.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@JasonHubbard: Літак з 20% фракції палива і 25% ефективністю (перетворення хімічної енергії в роботу) використовує 0,0346% енергії, необхідної для поїздки, щоб прискорити до швидкості зльоту 150 кт. На аналогічному електричному літаку ви зможете заощадити 0,0346% від гіпотетичної ємності батареї за допомогою запуску катапульти, або ви можете розтягнути її діапазон на подібну фракцію. Ви отримаєте набагато більшу ефективність, наприклад, вибираючи сприятливі вітри, або витрачаючи витрати катапульти на більш легку структуру.
додано Автор Peter Kämpf, джерело
@Peterkampf, Airbus E-Fan вже застосовує електродвигун на своєму головному колесі, щоб прискорити під час зльоту, піднявши літак до 60 КРН. Наземна допомога під час запуску дозволить досягти подібного ефекту, але зменшить масу на літаковому транспортному засобі - що двигун запуску на E-вентиляторі має мертвий вагу на весь рейс. З допомогою наземного запуску ви можете заощадити більше енергії та розширити діапазон ефірного еквалайзера. Особливо, якщо допомога при запуску забезпечила 100% енергії для швидкості зльоту. Військово-морський флот використовує допоміжний запуск для короткого зльоту, без причини він не може бути використаний для енергоефективності.
додано Автор Matthijs Wessels, джерело
@ Fedrico Те, що я отримую в тому, що в той час як реактивний двигун нафтового палива приводиться в дію турбіною, перетворюючи виділення тепла з спалювання палива в енергію обертання для керування компресором, електричний двигун з дозвуковим/гіперзвуковим двигуном застосовуватиме Електродвигун до вентилятора компресора, оскільки компресор буде найбільш механічно ефективним місцем для застосування енергії обертання, що приводиться в дію електричним двигуном. У цій компонуванні, вона може бути енергоефективною для відновлення частини енергії з турбіною, але турбіна не приводить в рух двигун, електродвигун.
додано Автор Matthijs Wessels, джерело

Добре те, що ми повинні почати розгляд, що реактивні двигуни здатні забезпечити дуже велику кількість тяги, але вони функціонують на простому принципі газової турбіни. Так чи інакше можна зробити електродвигун для руху, але він буде складним і дуже важким і зниженим. Єдиним способом роботи електричного двигуна є заміна сердечника реактивного двигуна деяким електричним двигуном, який може обертати диск вентилятора, створюючи тягу; однак, враховуючи, скільки обертаючого моменту потрібно обертати, щоб створити розумну тягу, це кошмар, і двигун потребує важких батарей.

0
додано

Враховуючи акумуляторні та моторні технології, існує одна велика проблема із застосуванням електричних двигунів на комерційних літаках, тобто час перезарядки. Комерційні літаки тільки заробляють гроші, коли вони завантажуються пасажирами, які платять дохід, і в повітрі; коли вони на землі, це надзвичайно дорого. Звичайні хімічні палива не тільки упаковують велику щільність енергії, але й надзвичайно легко поповнюють постачання. Заправка пасажирського літака займає декілька хвилин - у деяких випадках до півгодини для A-380 або 747. .

Особисто я не бачу електричний комерційний літак як життєздатну альтернативу сучасним реактивним двигунам. Напевно, найчистішою формою повітряних перевезень будуть високоефективні реактивні двигуни Karen, що працюють на вуглецево-нейтральному біодизельному паливі.

0
додано
Питання стосується двигунів, а не батарей або палива. Так чи інакше, більшість літієвих батарей приймає понад 1С зарядний струм без значних пошкоджень, враховуючи хороше теплове управління. Це призводить до 80% заряду протягом 30 хвилин. Просто подивіться на електричні машини (тесла, аркуші тощо) або смартфони з швидкою зарядкою.
додано Автор Sebas, джерело

Так, вони могли б. Як ви сказали, припускаючи, що питання енергозабезпечення вирішено. На його серці, реактивний двигун нагріває повітря, використовує розширення для керування компресором і в більшості турбовентиляторів керує "пропелером". Хоча в даний час всі реактивні двигуни використовують спалювання палива для виробництва цього тепла, основний принцип системи не повинен турбуватися, звідки походить тепло. Якщо ви могли розвантажити досить енергію через електричні нагрівачі у секції згоряння інакше стандартного двигуна, я думаю ви могли теоретично працювати точно той же двигун електрики.

For a modern turbofan, that'd be about 35MW of power you'd have to dump into air heaters in the "combustion" section. This would be a pretty big engineering challenge, but I don't think it's out of the realm of possibility in theory. One option might be using plasma sparks, like an arc welder. Again, electrode lifespan would be an issue, but not necessarily impossible. Credit for this idea comes from this page: http://contest.techbriefs.com/2013/entries/aerospace-and-defense/3129

0
додано