Поскольку на автомагистралях США все чаще появляются электромобили и грузовики, возникает вопрос: когда коммерчески жизнеспособные электромобили поднимутся в небо? Существует ряд амбициозных усилий по созданию самолетов с электрическим приводом, в том числе региональных самолетов и самолетов, способных преодолевать большие расстояния. Электрификация начинает давать возможность путешествовать воздушным транспортом, на который многие надеялись, но еще не видели - летающий автомобиль.
Ключевая проблема при создании электрических самолетов заключается в том, сколько энергии может быть сохранено при заданном весе бортового источника энергии. Хотя лучшие аккумуляторы на единицу веса сохраняют примерно в 40 раз меньше энергии, чем реактивное топливо, большая часть их энергии доступна для движения. В конечном счете, для данного веса реактивное топливо содержит примерно в 14 раз больше полезной энергии, чем современная литий-ионная батарея.
Это делает батареи относительно тяжелыми для авиации. Авиакомпании уже беспокоятся о весе - взимая плату за багаж отчасти, чтобы ограничить, сколько самолетов должны нести. Дорожные транспортные средства могут работать с более тяжелыми батареями, но есть и аналогичные проблемы. Наша исследовательская группа проанализировала соотношение веса и энергии в электрических пикапах и тягачах или полуприцепах.
Концепция этого экспериментального экспериментального электрического самолета НАСА показывает 14 двигателей вдоль крыльев. (NASA) От электрических грузовиков до летательных аппаратов
Мы основали наше исследование на очень точном описании энергии, необходимой для движения автомобиля, а также на деталях основных химических процессов, происходящих в литий-ионных батареях. Мы обнаружили, что электрический полуприцеп, аналогичный современным дизельным, может быть рассчитан на проезд до 500 миль без подзарядки, позволяя перевозить грузы примерно в 93 процентах всех грузовых рейсов.
Батареи должны будут дешеветь, прежде чем станет экономически целесообразным начать процесс преобразования автопарка США в электроэнергию. Вероятно, это произойдет к началу 2020-х годов.
Летающие машины находятся немного дальше, потому что у них разные потребности в мощности, особенно при взлете и посадке.
Что такое электронный VTOL?
В отличие от пассажирских самолетов, уже используются малые беспилотные летательные аппараты с батарейным питанием, которые перевозят личные посылки на короткие расстояния и летят ниже 400 футов. Но для перевозки людей и багажа требуется в 10 раз больше энергии - или больше.
Мы рассмотрели, сколько энергии понадобится небольшому самолету с батарейным питанием, способному к вертикальному взлету и посадке. Они, как правило, предназначены для запуска прямо, как вертолеты, перехода в более эффективный режим полета самолета, вращая их винты или целые крылья во время полета, а затем переходят обратно в режим вертолета для посадки. Они могут быть эффективным и экономичным способом навигации по оживленным городским районам, избегая засоренных дорог.
Энергетические требования самолета e-VTOL
Наша исследовательская группа создала компьютерную модель, которая рассчитывает мощность, необходимую для e-VTOL с одним пассажиром, в соответствии с проектами, которые уже разрабатываются. Одним из таких примеров является электронный VTOL, который весит 1000 кг, включая пассажира.
Самая длинная часть поездки, путешествуя в режиме самолета, требует наименьшего количества энергии за милю. Нашему электронному VTOL потребовалось бы от 400 до 500 ватт-часов на милю, примерно столько же энергии, сколько потребовалось бы электрическому пикапу, и примерно вдвое больше энергии, чем у электрического пассажирского седана.
Однако взлет и посадка требуют гораздо большей мощности. Независимо от того, как далеко продвигается электронный VTOL, наш анализ предсказывает, что взлет и посадка в совокупности потребуют от 8000 до 10000 ватт-часов на поездку. Это примерно половина энергии, доступной в большинстве компактных электромобилей, таких как Nissan Leaf.
Мы рассчитали, что для всего полета с лучшими батарейками, доступными на сегодняшний день, e-VTOL для одного пассажира, рассчитанный на перевозку 20 миль или менее, потребует от 800 до 900 ватт-часов на милю. Это примерно вдвое меньше энергии, чем у полуприцепа, что не очень эффективно: если вам нужно быстро посетить магазин в соседнем городе, вы бы не сели в кабину полностью загруженного тягача с прицепом, чтобы попасть.
По мере улучшения состояния аккумуляторов в течение следующих нескольких лет они могут быть способны на 50 процентов больше энергии при той же массе аккумулятора. Это поможет сделать электронный VTOLS более жизнеспособным для поездок на короткие и средние расстояния. Но есть еще несколько вещей, необходимых для того, чтобы люди действительно начали регулярно использовать e-VTOLS.
Переместите ползунок «удельная энергия» из стороны в сторону, чтобы увидеть, как улучшение качества батарей может изменить энергетические потребности автомобилей. Венкат ВишванатанЭто не просто энергия
Для наземных транспортных средств достаточно определить полезную дальность полета, но не для самолетов и вертолетов. Проектировщики самолетов также должны внимательно изучить мощность - или насколько быстро накопленная энергия доступна. Это важно, потому что на взлете в самолете или на гравитации на вертолете требуется гораздо больше энергии, чем на поворотах колес легкового или грузового автомобиля.
Следовательно, батареи e-VTOL должны разряжаться со скоростью примерно в 10 раз быстрее, чем батареи в электромобилях. Когда батареи разряжаются быстрее, они становятся намного горячее. Так же, как вентилятор вашего ноутбука вращается до полной скорости, когда вы пытаетесь транслировать телепередачу, играя в игру и загружая большой файл, автомобильный аккумуляторный блок необходимо охлаждать еще быстрее, когда его просят увеличить мощность.
Аккумуляторы дорожных транспортных средств не так сильно нагреваются во время вождения, поэтому их можно охлаждать воздухом, проходящим мимо или простыми охлаждающими жидкостями. Тем не менее, при взлете электронное VTOL будет генерировать огромное количество тепла, а охлаждение может занять много времени, а в коротких поездках он может даже не полностью остыть, прежде чем снова разогреваться при посадке. Относительно размера аккумуляторной батареи при одинаковом пройденном расстоянии количество тепла, выделяемого батареей e-VTOL во время взлета и посадки, намного больше, чем у электромобилей и полуприцепов.
Это дополнительное тепло сократит срок службы батарей e-VTOL и, возможно, сделает их более подверженными возгоранию. Чтобы сохранить надежность и безопасность, электрическим самолетам потребуются специализированные системы охлаждения, которые потребуют больше энергии и веса.
Это принципиальное различие между электромобилями и электромобилями: разработчикам грузовых и легковых автомобилей не нужно радикально улучшать свою выходную мощность или системы охлаждения, потому что это увеличит стоимость, не сказываясь на производительности. Только специализированные исследования найдут эти жизненно важные достижения для электрических самолетов.
В нашей следующей исследовательской теме мы продолжим изучение способов улучшения требований к батарее и системе охлаждения e-VTOL, чтобы обеспечить достаточное количество энергии для полезного диапазона и достаточную мощность для взлета и посадки - и все это без перегрева.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Венкат Вишванатан, доцент кафедры машиностроения, Университет Карнеги-Меллона
Шашанк Шрипад, доктор философии Кандидат технических наук, Университет Карнеги-Меллона
Уильям Лейф Фредерикс, научный сотрудник в области машиностроения, Университет Карнеги-Меллона
