Moderne burgerluchtvaartuigen bestemd voor commerciële luchtvaartmaatschappijen moeten niet alleen hoge prestatiekenmerken vertonen, maar zich ook onderscheiden door lage exploitatiekosten. Bij het maken van nieuwe monsters van dergelijke apparatuur wordt rekening gehouden met de noodzaak om alle basiskosten te verlagen, en er ontstaan voortdurend nieuwe opties om de kosten van onderhoud en vluchten te verlagen. Dit jaar werd door NASA- en DLR-organisaties een interessante versie van de voering voorgesteld, die speciale efficiëntie kan tonen. Een veelbelovend conceptproject heet eRay.
De Amerikaanse National Aeronautics and Space Administration (NASA) en het Duitse Center for Aeronautics and Space (DLR) leveren een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van de luchtvaart in alle belangrijke categorieën, inclusief de commerciële luchtvaart, die verantwoordelijk is voor het vervoer van mensen en goederen. De specialisten van deze organisaties zijn continu op zoek naar nieuwe ideeën, komen met nieuwe voorstellen en testen deze. In de zomer van dit jaar presenteerden de twee organisaties het concept van een veelbelovend vliegtuig dat hoge prestatiekenmerken kan vertonen met verhoogde economische indicatoren.
Het nieuwe project met de voorlopige titel eRay werd uitgewerkt met een reserve voor de toekomst. Bij het formuleren van de eisen daarvoor is rekening gehouden met prognoses over de ontwikkeling van de commerciële luchtvaart tot 2045. De huidige voorspellingen laten zien dat tegen die tijd in ontwikkelde en ontwikkelingslanden het passagiers- en vrachtverkeer aanzienlijk zal groeien. Daarbij zal de ontwikkeling van het vliegveldennetwerk en de oplossing van diverse organisatorische vraagstukken nodig zijn. Daarnaast zal nieuwe luchtvaarttechnologie met karakteristieke capaciteiten nodig zijn om het transport te ondersteunen. In termen van zijn kenmerken zou het de bestaande monsters moeten overtreffen.
NASA en DLR zijn van mening dat de commerciële vliegtuigen van de toekomst 60% zuiniger moeten zijn dan de huidige. Het moet kunnen werken op kleine vliegvelden, maar ook worden gekenmerkt door minder lawaai en bedieningsgemak. De auteurs van het nieuwe project gebruikten in hun onderzoek en rapportering het bestaande productievliegtuig Airbus A321-200 als een soort referentie. Een veelbelovende eRay zou vergelijkbare parameters van capaciteit en draagvermogen hebben, maar tegelijkertijd voordelen laten zien op alle andere gebieden.
Het eRay-concept is nog niet bedoeld voor een volwaardig ontwerp met de daaropvolgende start van de productie en exploitatie van apparatuur. In dit opzicht konden de specialisten van wetenschappelijke organisaties zich niet beperken en de meest gedurfde ideeën gebruiken, die nog niet klaar zijn voor implementatie in de praktijk. Het was het gebruik van dergelijke oplossingen die het mogelijk maakten om de toegewezen taken op te lossen en een nieuwe versie van het vliegtuig van de toekomst te "creëren".
Volgens de meest optimistische voorspellingen zal het eRay-vliegtuig 30% lichter zijn dan de productie A321. Het rendement van de elektriciteitscentrale wordt verhoogd met 48%. De totale energie-efficiëntie van het bord stijgt met 64%. Opgemerkt moet worden dat om dergelijke resultaten te verkrijgen, wetenschappers en ontwerpers niet alleen nieuwe ideeën moesten introduceren, maar ook hun gebruikelijke oplossingen moesten opgeven. Als gevolg hiervan verschilt de voorgestelde voering aanzienlijk van moderne vertegenwoordigers van zijn klasse.
Het eRay-project stelt de constructie voor van een cantilever low-wing vliegtuig met een geveegde vleugel. Er is een staarteenheid voorzien, inclusief alleen een stabilisator met een grote dwarse V. Er is geen kiel. Op een originele manier, vanwege de noodzaak om de efficiëntie te verbeteren, werd het probleem van het rangschikken van de elementen van de energiecentrale opgelost. De afzonderlijke eenheden zijn in verschillende delen van de vleugel geplaatst, evenals in de staart van de romp.
De romp van het vliegtuig lijkt over het algemeen op de eenheden van bestaande machines. De constructie van een volledig metalen structuur met een hoge rek en een aerodynamische vorm wordt voorgesteld. Het boegdeel bevindt zich onder de cockpit en technische ruimtes, waarachter zich een grote salon met passagiersstoelen bevindt. Onder het passagierscompartiment is een volume voor vracht voorzien - in de eerste plaats voor bagage. Het staartcompartiment moet plaats bieden aan een van de motoren van de krachtcentrale.
Er wordt voorgesteld om geveegde vliegtuigen aan de romp te koppelen. De vleugel krijgt een optimaal profiel en op het grootste deel van het oppervlak zijn er geen elementen die de stroming kunnen verstoren. Op de voor- en achterranden van de vleugel is mechanisatie van het traditionele type aangebracht. Aan de uiteinden plaatsten de ontwerpers een paar bypass-turbojetmotoren met de benodigde apparatuur.
In plaats van de traditionele empennage gebruikt het eRay-project een ongebruikelijk systeem. Aan het uiteinde van de romp is een conisch ringvormig kanaal aangebracht voor de voortstuwende propeller van de krachtcentrale. Aan de zijkanten van dit kanaal hebben de ontwerpers twee stabilisatievlakken geplaatst die zijn geïnstalleerd met een aanzienlijke dwarse V. Er is geen kiel. De giercontrole moet worden uitgevoerd door de stuwkracht van de vleugelmotoren te veranderen of door middel van vleugelmechanisatie.
Volgens berekeningen van NASA en DLR kan driekwart van de toename van de energie-efficiëntie alleen worden bereikt door aerodynamica. Zo wordt 13% van de totale efficiëntieverhoging geleverd door laminaire stroming rond de romp. Het brengen van de spanwijdte naar 45 m geeft een toename van nog eens 6%. Het verlaten van de kiel verkort het oppervlak van het casco en vermindert de luchtweerstand.
De taak om de "extra" verspilling van energie te verminderen, wordt echter niet alleen door aerodynamica opgelost. Dus werd de mogelijkheid overwogen om de zijruiten van het passagierscompartiment te verwijderen. In dit geval wordt het ontwerp van de romp sterk vereenvoudigd, wat leidt tot een lager gewicht en een overeenkomstige vermindering van de eisen aan de motoren. Een dergelijke innovatie wordt echter niet als verplicht beschouwd, omdat passagiers het misschien niet leuk vinden. Het is onwaarschijnlijk dat een vervoerder energie-efficiëntie wil behalen, maar zonder klanten blijft zitten.
Het eRay-project voorziet het vliegtuig uit te rusten met een hybride energiecentrale. De vleugel moet worden uitgerust met turbojetmotoren die stuwkracht genereren uit de gassen en een paar elektrische generatoren aandrijven. Elektriciteit moet via de nodige omvormers worden geleverd aan de batterijen, evenals aan de staartmotor. Het belangrijkste voordeel van een dergelijke krachtcentrale is het vermogen om de algemene parameters van stuwkracht flexibel te wijzigen om het optimale brandstofverbruik te verkrijgen dat overeenkomt met het huidige vliegregime.
NASA en DLR zien een paar bypass-turbojets als basis voor de energiecentrale voor eRay. Er wordt voorgesteld producten met voldoende prestaties en kleinere afmetingen in de vleugeltips te plaatsen. In het kader van het project werd de toepassing bestudeerd van motoren met een systeem van warmtewisselaars, die de binnenkomende atmosferische lucht verwarmen door gassen achter de turbine. In sommige modi kunt u hierdoor het brandstofverbruik met 20% verminderen.
Deskundigen van de twee organisaties hebben bestaande elektrische apparaten van de vereiste typen beoordeeld en bepaalde conclusies getrokken. Het bleek dat de bestaande generatoren, batterijen en motoren het mogelijk maken om een elektriciteitscentrale voor eRay te bouwen, maar de eigenschappen ervan zullen verre van gewenst zijn. Om optimale parameters te verkrijgen, zijn nieuwe technologieën en oplossingen nodig. Met name de mogelijkheid om gebruik te maken van het effect van supergeleiding, dat de parameters van een elektromotor kan beïnvloeden, wordt overwogen.
De bestaande accu's laten ook niet toe om een vliegtuig te maken met de gewenste parameters. Technologieën van het niveau van 2010 zorgen voor een energiedichtheid in de orde van grootte van 335 W * h / kg. Tegen 2040 zal deze parameter naar verwachting groeien tot 2500 W*h/kg. Op korte termijn is men echter aangewezen op batterijen met meer bescheiden eigenschappen van zo'n 1500 W*h/kg. Volgens berekeningen zal de gecombineerde krachtcentrale met elektrische en turbojetmotoren een vliegduur van minimaal 6-7 uur en een actieradius van meer dan 6.000 km bieden.
Het rapport over het eRay-conceptproject levert interessante cijfers die het potentieel van een dergelijke techniek aantonen. De ontwerpers berekenden de belangrijkste prestatie-indicatoren van verschillende apparatuur terwijl ze hetzelfde probleem oplosten. Het A321-vliegtuig zou bij het uitvoeren van een "referentievlucht" op een afstand van 4.200 km in totaal iets minder dan 84,5 MW aan energie moeten verbruiken. Hiervoor heeft hij 15881 kg brandstof nodig. Het vliegtuig verbruikt 2,36 liter brandstof om één passagier per 100 km te vervoeren. Voor het veelbelovende eRay-vliegtuig bereikt het totale energieverbruik volgens berekeningen 39,57 MW - dit is 5782 kg brandstof. Om een passagier per 100 km te vervoeren, heb je slechts 0,82 liter brandstof nodig. Zo blijkt onder de gegeven omstandigheden de veelbelovende machine 65,3% efficiënter te zijn dan het seriemodel.
Een van de manieren om de energie-efficiëntie te verbeteren, is door verstandig gebruik te maken van de ruimte in het passagierscompartiment. NASA en DLR bieden drie opties voor de voeringcockpit met verschillende capaciteiten. Allereerst beschouwen we de economy class-cabine, gemaakt op basis van de A321-cabine. In dit geval worden de stoelen geïnstalleerd in rijen van 3 + 3 met een middenpad. In deze configuratie vervoert het vliegtuig 200 mensen. In de Premium Economy-configuratie wordt de zitcapaciteit vergroot tot 222 passagiers, waarbij verschillende stoelen worden gebruikt en de verdeling van beschikbare volumes wordt geoptimaliseerd. Ook is er een variant met salons van drie klassen uitgewerkt. Business class biedt plaats aan 8 stoelen, terwijl "economy" en "economy-slim" respectievelijk plaats bieden aan 87 en 105 passagiers.
In de voorgestelde vorm heeft het eRay-vliegtuig een lengte van 43,7 m. De spanwijdte is 38 m in de basisconfiguratie of 45 m in de geavanceerde, wat enige verhoging van de energie-efficiëntie geeft. Het gewicht van het lege vliegtuig is bepaald op 36,5 ton, het maximale startgewicht is 67 ton en het laadvermogen is ongeveer 25 ton, inclusief 21 ton passagiers en 4 ton bagage. De vliegprestaties zijn afhankelijk van de elementen van de gebruikte energiecentrale. Over het algemeen moeten ze zich op het niveau van bestaande modellen van commerciële luchtvaart bevinden.
***
Het eRay-concept, dit jaar onthuld door toonaangevende onderzoeksorganisaties in de Verenigde Staten en Duitsland, is in feite een nieuwe poging om manieren te vinden om de passagiersluchtvaart verder te ontwikkelen. Zoals terecht opgemerkt in het projectrapport, zullen er in de toekomst nieuwe vereisten zijn voor de commerciële luchtvaart en zullen luchtvaartmaatschappijen nieuwe modellen apparatuur met speciale mogelijkheden nodig hebben. De zoektocht naar oplossingen voor dit probleem houdt niet op en het eRay-project biedt opnieuw originele ideeën van welke aard dan ook.
In het NASA- en DLR-project waren de belangrijkste doelen het verhogen van de energie-efficiëntie en het verbeteren van de aerodynamica, wat een positief effect zou moeten hebben op de algehele efficiëntie van het vliegtuig. Om dergelijke kenmerken te verkrijgen, wordt een speciaal casco-ontwerp voorgesteld, waarin goed gemasterde en nieuwe oplossingen worden gecombineerd, evenals een ongebruikelijke hybride krachtcentrale op basis van ongelijke componenten. Berekeningen tonen aan dat het optimale verbruik van brandstofenergie in combinatie met een verbeterde aerodynamica zowel de vliegprestaties als de economische prestaties van de apparatuur zou moeten verbeteren.
Tot nu toe blijven al deze resultaten echter “op papier”. Het concept van de eRay-liner heeft, net als andere ontwikkelingen in zijn soort, een ernstige fout, en de auteurs zijn zich hiervan bewust. Op dit moment en in de nabije toekomst zullen ontwerpers niet alle voordelen van het voorgestelde concept kunnen realiseren. Het behalen van de gestelde doelen wordt bemoeilijkt door het ontbreken van de benodigde technologieën. Het idee van een turbojetmotor met warmtewisselaars en vermogensafgifte aan de generator behoeft dus verdere uitwerking en praktische verificatie. Batterijen met de gewenste eigenschappen zijn nog niet beschikbaar en het karakteristieke aerodynamische uiterlijk van het vliegtuig moet zijn capaciteiten in de loop van verschillende onderzoeken bevestigen.
De ontwikkeling van de technologie die nodig is om een echt eRay-vliegtuig te bouwen is kostbaar en tijdrovend. De auteurs van het project zijn zich hiervan bewust en daarom overwegen ze een veelbelovend vliegtuig in de context van luchtvaartontwikkeling in de komende decennia - tot 2040-45. Ze zijn van mening dat de wetenschap tegen die tijd de nodige componenten zal creëren en al het vereiste onderzoek zal uitvoeren, wat de implementatie van nieuwe concepten mogelijk zal maken: eRay of andere projecten.
Het NASA / DLR eRay-conceptproject kan - vanwege zijn specifieke doel - niet als een succes of een mislukking worden beschouwd. Het doel was om de paden voor de ontwikkeling van de burgercommerciële luchtvaart te bepalen en het optimale ontwerp te vinden dat voldoet aan de eisen van de toekomst. Wetenschappers en ingenieurs van de twee landen bestudeerden de huidige vraag zorgvuldig en presenteerden hun eigen antwoord. Het is goed mogelijk dat eind jaren dertig vliegtuigen zoals de huidige eRay ook daadwerkelijk opstijgen. De ontwikkeling van de luchtvaart kan echter ook op andere manieren gaan, en daarom zullen toekomstige vliegtuigen overeenkomsten hebben met andere concepten van onze tijd.
