Коли саме електричні літаки підуть на небо? Інженери зважують

Як електричні автомобілі та вантажівки з'являються все більше на US шосе, це піднімає питання: Коли буде комерційно життєдайний електричні судна взяти до неба? Існує ряд амбітних зусиль з будівництва літаків з електричним приводом, включаючи регіональні літаки та літаки, які можуть покривати великі відстані. Електрифікація починає забезпечувати тип повітряних перевезень, на який багато хто сподівався, але ще не бачив - літаючий автомобіль.

Ключовою проблемою при будівництві електричного літака є те, скільки енергії може бути збережено в заданій кількості ваги бортового джерела енергії. Хоча кращі батареї зберігають приблизно в 40 разів менше енергії на одиницю ваги, ніж реактивне паливо, більша частка їх енергії доступна для керування рухом. Зрештою, для даної ваги, реактивне паливо містить приблизно в 14 разів більше корисної енергії, ніж найсучасніша літій-іонна батарея.

Див. Також: Зустріч електричного, водню, літака з нульовими викидами до 2025 року

Це робить батареї відносно важкими для авіації. Авіакомпанії вже стурбовані вагою - накладаючи збори на багаж, частково, щоб обмежити кількість літаків. Дорожні транспортні засоби можуть обробляти більш важкі батареї, але є подібні проблеми. Наша дослідницька група проаналізувала компроміс між вагою та енергією в електричних пікапах і тракторних причепах або напіввагонах.

Від електричних вантажних автомобілів до літаків

Ми базували наше дослідження на дуже точному описі енергії, необхідної для переміщення транспортного засобу, а також деталей основних хімічних процесів, пов'язаних з літій-іонними батареями. Ми виявили, що електричний напівпричіп, подібний до сучасних дизельних двигунів, може бути спроектований таким чином, щоб проїхати до 500 миль за один заряд, маючи можливість перевозити вантаж близько 93% всіх вантажних поїздок.

Батареї потрібно буде дешевшати, перш ніж стане економічним сенсом почати процес перетворення американського автопарку на електроенергію. Здається, це може статися на початку 2020-х років.

Літаючі апарати трохи віддалені, тому що вони мають різні потреби в енергії, особливо під час зльоту і посадки.

Що таке e-VTOL?

На відміну від пасажирських літаків, невеликі трубопроводи з батареєю, які несуть особисті пакети на невеликих відстанях, коли літають нижче 400 футів, вже вступають у використання. Але перевезення людей і багажу вимагає в 10 разів більше енергії - або більше.

Ми подивилися на те, скільки енергії потребуватимуть невеликі літаки з батареєю, здатні до вертикального зльоту і посадки. Вони, як правило, призначені для запуску прямо вгору, як вертольоти, перехід до більш ефективного режиму літака, обертаючи їх пропелери або цілі крила під час польоту, потім перехід назад в режим вертольота для посадки. Вони можуть бути ефективним і економічним способом навігації зайнятими міськими районами, уникаючи засмічених доріг.

Енергетичні потреби літака e-VTOL

Наша дослідницька група побудувала комп'ютерну модель, яка обчислює потужність, необхідну для одного пасажира e-VTOL за лініями конструкцій, які вже розробляються. Одним з таких прикладів є e-VTOL, який важить 1000 кілограмів, включаючи пасажира.

Найдовша частина поїздки, що виконується в режимі літака, потребує найменшої енергії на милю. Наша зразка e-VTOL би потребувала приблизно 400 до 500 watt-годин за милю, навколо тієї же кількості енергії електрична pickup вантажівка би потребувала - та про двічі енергетичне споживання електричного пасажира sedan.

Проте зліт і посадка вимагають набагато більшої потужності. Незалежно від того, наскільки далеко подорожує e-VTOL, наш аналіз передбачає, що зліт і посадка буде вимагати від 8000 до 10000 ватт-годин на поїздку. Це приблизно половина енергії, доступної в більшості компактних електричних автомобілів, як Nissan Leaf.

Для цілковитого польота, з кращими батареями наявними сьогодні, ми розрахували що єдиний-пасажир e-VTOL замислений щоб перевезти людину 20 миль або менш би вимагали приблизно 800 до 900 watt-годин за милю. Це приблизно половина енергії, як напів-вантажівка, яка не дуже ефективна: якщо вам потрібно швидко відвідати магазин в сусідньому містечку, ви не хочете потрапити в кабіну повністю завантаженого трактора дістатися туди.

Оскільки батареї покращуються протягом наступних кількох років, вони можуть упакувати приблизно на 50% більше енергії для тієї ж ваги батареї. Це допоможе зробити e-VTOLS більш життєздатною для коротко- та середньострокових поїздок. Але ще кілька речей, необхідних для того, щоб люди могли почати регулярно використовувати e-VTOLS.

Це не просто енергія

Для наземних транспортних засобів достатньо визначити корисний діапазон руху - але не для літаків і вертольотів. Дизайнери літаків також повинні уважно вивчити потужність - або як швидко зберігається наявна енергія. Це важливо, тому що підйом, щоб зняти в струменя або штовхання вниз проти гравітації в вертольоті займає набагато більше енергії, ніж поворот колеса автомобіля або вантажівки.

Таким чином, батареї e-VTOL повинні розряджатися в 10 разів швидше, ніж батареї електричних дорожніх транспортних засобів. Коли батареї розряджаються швидше, вони стають набагато гарячішими. Так само, як ваш вентилятор ноутбука обертається на повну швидкість, коли ви намагаєтеся передати телевізійне шоу під час гри та завантажуєте великий файл, акумуляторну батарею транспортного засобу потрібно охолоджувати ще швидше, коли попросять виробляти більше енергії.

Батареї дорожніх транспортних засобів не нагріваються майже так само, як за кермом, тому їх можна охолоджувати повітрям, що проходить мимо, або простими теплоносіями. Такси e-VTOL, однак, генерує величезну кількість тепла на зльоті, що займе багато часу, щоб охолодитися - і на коротких поїздках може навіть не повністю охолодитися, перш ніж знову нагрітися на посадці. Відносно розміру акумуляторної батареї, для тієї ж пройденої відстані, кількість тепла, виробленого акумулятором e-VTOL під час зльоту і посадки, набагато більше, ніж електричні автомобілі та напіввантажувачі.

Див. Також: Генеральний директор Tesla Elon Musk Деталі Ідея для електричного літака на Joe Rogan Podcast

Це додаткове тепло скоротить термін служби батарей e-VTOL і, можливо, зробить їх більш сприйнятливими до вогню. Щоб зберегти надійність і безпеку, електричні літаки потребуватимуть спеціалізованих систем охолодження, які потребують більше енергії і ваги.

Це є принциповою різницею між електричними дорожніми транспортними засобами та електричними літаками: конструктори вантажних автомобілів та автомобілів не потребують радикального поліпшення або вихідної потужності, або систем охолодження, оскільки це призведе до збільшення витрат, не сприяючи продуктивності. Тільки спеціалізовані дослідження знайдуть ці життєві досягнення для електричних літаків.

Наша наступна дослідницька тема буде продовжувати дослідження шляхів поліпшення батареї e-VTOL та вимог системи охолодження, щоб забезпечити достатньо енергії для корисного діапазону та достатньої потужності для зльоту та посадки - все без перегріву.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Венката Вісванатана, Шашанка Шріпада та Вільяма Лейфа Фредерікса. Читайте оригінальну статтю тут.