Felforgathatják a repülést az elektromos motorok

2019.03.28. 20:25

Szerencsére egyre több az elektromos autó az utakon, és lassan a repülőgépgyártásban is kezd megjelenni az elektromos hajtás, mi több, nemzetközileg is növekszik erre az igény. Ha sikerül néhány problémát megoldani, az elektromos meghajtás gyökeresen átalakíthatja a légiközlekedést.

Tíz-hússzor is biztonságosabb a villany, mint a robbanómotor

Már Magyarországon is egyre több környezetbarát elektromos autóval lehet találkozni. Az autóiparban most zajló intenzív fejlesztések mellett a légiközlekedésben is megjelent az igény az elektromos hajtású repülőgépekre. 

Az elektromos repülőgép elektromotorja messze hatékonyabb, 3-4-szer jobb hatásfokú, 

mint a belső égésű motor, hatékonysága 95%, míg a hagyományos robbanómotoroké mindössze 18-23%, ezért a villanymotorok sokkal kevesebb energiát pazarolnak.

A magyar Magnus Aircraft Zrt. és a német Siemens Zrt. közös munkájának eredménye az eFusion nevű elektromos kisrepülőgépForrás: http://www.origo.hu/gazdasag/20170804-elektromos-kisrepulo-gyartas-magyar-siker.html

Brien Seeley a Comparative Aircraft Flight Efficiency (CAFE) alapítvány elnöke szerint 

az elektromos motor megbízhatósága talán 10-szerese, vagy akár még 20-szorosa is lehet a dugattyús motorokénak. 

Seeley a LiveScience tudományos magazinnak többek között elmondta, hogy az elektromosrepülőgép-motornál nincs szükség annyi hűsítő légáramra, mint a belsőégésű motornál, ami igen nagy probléma a robbanómotoros repülőgépeknél, mert a légellenállás szignifikáns része ebből származik.

A North American Aviation által gyártott P-51 Mustang a második világháború messze legjobb dugattyúmotoros vadászgépének bizonyult.  A robbanómotoros repülés a világháborúban érte el a technológiai csúcsátForrás: U.S. Air Force Photo

A belsőégésű motorok hűtése vagy folyadékkal, vagy pedig kizárólag csak levegővel történik. 

Ez utóbbiak a léghűtéses radiális dugattyús, vagy más néven csillagmotorok, amelyeknél a hengerek nem egymás mögött sorban, hanem koszorúalakban vannak elhelyezve.

A Goldtimer Alapítvány tulajdonában álló és a világ egyetlen repülőképes Liszunov Li-2 kétmotoros utasszállító gépe a Budaörsi Repülőtéren. Jól megfigyelhetők a gép nagy átmérőjű radiális dugattyús, vagy csillagmotorjaiForrás: Elter Tamás

A folyadékhűtéses soros motoroknál – további hűtési célból – áramoltatnak a motortérbe levegőt, a motorgondolákra épített beömlőnyílásokon keresztül, amelyek kiállnak a gondolából, és ezzel jelentősen megnövelik a légellenállást.

A Li-2 jobb oldali 1000 lóerős kilenchengeres csillagmotorjának gondolájaFotó: Polyák Attila - Origo

A csillagmotoroknak meg eleve nagy az átmérője, és így a radiális dugattyús gépek hajtóműgondolája is jóval szélesebb, ami miatt ezeknek a típusoknak  jóval nagyobb a közegellenállása.

A villanymotor előnyei a robbanómotorral és a sugárhajtóművel szemben

Az elektromos motor nagyobb hatékonysága mellett sokkal csöndesebb is, mint a hagyományos repülőgép-hajtóművek. Az elektromos motorok csendessége miatt ezek elterjedése esetén a polgári reptereket is sokkal közelebb lehetne helyezni a célállomáshoz anélkül, hogy a légi forgalommal zavarnák a lakosságot. 

Az elektromos motor csendessége annak köszönhető, hogy teljesen más elven működik, 

mint a belsőégésű motorok, illetve a gázturbinák, amelyek jelenleg a repülőgépeket hajtják.

Az eFusion elektromos hajtóműveForrás:https://www.flyer.co.uk/first-flight-for-hybrid-electric-magnus-efusion/

A belsőégésű vagy robbanómotorokban 

a hengerekbe fecskendezett üzemanyagot a gyertyák keltette szikra robbantja be, 

és az így keletkező gáz nyomása mozgatja a dugattyúkat, azok pedig a főtengelyt, ami meghajtja a légcsavart. A folyamatos robbanások okozzák a motor zúgását, erős hangját.

Cessna 182L típusú soros belsőégésű motorral rendelkező könnyű túragépForrás: Wikimedia Commons

A gázturbinás sugárhajtóműves gépeknél a kompresszor beszívja a levegőt, amit  összesűrít, és ez által felhevít, 

amitől az égéstérbe befecskendezett kerozin begyullad. Az így keletkező gáz nagy nyomáson áramlik a turbinalapátokra, amelyet ahatómű – szintén kompresszorok közbeiktatásával - összesűrít, majd nagy erővel kinyomja a gázsugarat, amiből a tolóerő keletkezik.

A General Electric J85-GE-17A típusjelű turbofan hajóműve. 1945 után robbanásszerű fejlődésnek indult a sugárhajtóművek fejlesztéseForrás: National Air and Space Museum - Smithsonian Institution

A kiáramló forró gázsugár pedig a rezonanciák és a keletkező lökéshullám miatt ad dörgő hangot. 

A villanymotor a bekapcsolása után azonnal magas fordulatszámon, tehát maximális teljesítményen dolgozhat, míg a sugárhajtóművek nem.

Sir Frank Whittle brit mérnök tervezte az első gázturbinás sugárhajtóművet, amelyet 1931-ben szabadalmaztatottForrás: Wikimedia Commons

Ráadásul, mivel nem kell fokozatosan gyorsítani a gépet, hogy elérje az emelkedési sebességet, az elektromos meghajtású repülőgép képes a különösen rövid távú felszállásra, 

ezért ezeknek a gépeknek rövidebb kifutópályára van szükségük. 

A sugárhajtású gépeken fokozatosan kell a hajtóművet felpörgetni, mivel – az optimális kenés miatt – el kell érni a megfelelő olajnyomást és hőmérsékletet, illetve a kiáramló gázsugár magas üzemi hőmérsékletét is.

A Boeing 737-800 NG típusú sugárhajtású utasszállító gép gázkarjai. A gázturbinás hajtóműveket csak fokozatosan lehet felpörgetniForrás: Origo

Ezért a sugárhajtóművet start előtt csak akkor lehet felszálló teljesítményre felpörgetni, ha már az említett paraméterek mind elérték az üzemi értékeket, ez pedig időt vesz igénybe.

Kínában már gyártják is az elektromos meghajtású repülőgépeket

Az elektromos repülőgépre való tömeges átállás igen jót tenne a környezetnek, mert ezzel javulna a levegő minősége, de ezek elterjedése a klímaváltozás szempontjából is igen üdvözítő volna. 

Az elektromos repülőgép hajtómű rendkívül alacsony zajszintje miatt a katonaságot is érdekli, 

ezért a hadiipari vállalkozások jelentős összegeket invesztálnak az elektromos hajtású és személyzet nélküli légi járművek vizsgálatába, illetve kísérleti-fejlesztési munkáiba.

A több mint kétszeres hangsebességgel repülő Mikojan-Gurevics MiG-29-es vadászgépek nagy teljesítményű utánégetős hajtóművekkel rendelkeznekForrás: Wikimedia Commons

Mark Moore, a NASA mérnöke elmondta, hogy a belsőégésű motorok minél kisebbek, annál kevésbé hatékonyak, 

de az elektromos repülőnek nincsenek ilyen korlátjai, 

ezért tud használni számos kis motort a szárnyak belépő élénél felszerelve, ahol a légáramlás közvetlen felettük fúj, potenciálisan növelve ezzel is a gép hatékonyságát.

A magyar Magnus Aircraft Zrt. és a német Siemens Zrt. eFusion nevű elektromos kisrepülőgépeForrás: https://www.flyingmag.com/magnus-efusion-rolls-out-at-aero-friedrichshafen

A gázturbinás hajtóműveknél a teljesítmény a kompresszorok és a turbinalapátsorok számától, másrészt az égéstér térfogatától függ. 

Több kompresszor és hosszabb turbinalapátsor, valamint a nagyobb égéstér (a szuperszonikus gépeknél ehhez jön még hozzá az utánégető, vagy a forszázs is) pedig nagyobb tömegű hajtóművet eredményez.

A Pratt & Whitney J58-1 típusú utánégetős gázturbinás torló-sugárhajtóműForrás: Wikimedia Commons

A sokkal egyszerűbb felépítésű elektromos motornál nincs szükség ezekre. Nemzetközi szinten is növekszik az érdeklődés az elektromos repülőgépek iránt-  tudtuk meg Seeley-től.

A Lockheed SR-71 Balckbird magassági felderítő a start előtt. A "feketerigó" közel négyszeres hangsebességével és 26 ezer méter feletti szolgálati csúcsmagasságával a sugárhatású technológia csúcsának tekinthetőForrás: NASA

És azt is megtudtuk tőle, hogy a Yunec International repülőgépgyártó cég 

egy 260.000 m2 alapterületű gyárat épített Kínában elektromosrepülőgép-építés céljából, 

amely  az elektromos repülőgépek első üzembe helyezett nagy gyáregységének számít.

Egyelőre - csakúgy, mint az autóknál - az akkumulátor a legnagyobb gond

A NASA éves Green Flight Challange versenyének egyik legfőbb célja a repülőgépek sebességének növelése, valamint a meghajtáshoz szükséges üzemanyag csökkentése, utasonként számítva, és egy 200 mérföldes repülési szakaszra vetítve . A szükséges üzemanyag-mennyiség mindig egyedi érték.

A Travel Service Boeing 737- 800 NG típusú gépe a "ferihegyi" betonon a start előtt. A szükséges üzemanyag mindig egyedi értékForrás: Elter Tamás

Ennek kiszámításánál többek között figyelembe kell venni a gép üres tömegét, a tervezett útvonal hosszát, az ez utóbbinak megfelelő mennyiségű üzemanyag tömegét, a repülési magasságot, valamint az utasok, a személyzet, illetve a poggyász súlyát, vagyis a feltankolt gép bruttó felszálló tömegét. 

A pilóták ennek figyelembe vételével számítják ki az úgynevezett felszállási sebességeket, bennük az elemelési sebességet, 

vagyis azt a sebességküszöböt, amikor már elegendő aerodinamikai felhajtóerő keletkezik a szárnyakon ahhoz, hogy a gép elrugaszkodhasson a futópálya betonjától.

Az úgynevezett felszállási sebességeket a pilóták minden felszállás előtt, az adott paraméterek szerint számítják kiForrás: Elter Tamás

Az elektromos repülés legnagyobb problémáját a megfelelő  tömegű és teljesítmányű akkumulátorok hiánya  jelenti jelenleg. Ahhoz, hogy a repülőgép a levegőben maradjon, viszonylag könnyűnek kell lennie, 

a jelenleg használt akkumulátorok azonban nagyon nehezek. 

Ezért sok mérnök és anyagtudós dolgozik azon, hogy megfelelő, könnyűsúlyú repülőgépet alkosson.

A könnyű, szénszálas sárkányszerkezetek fejlesztése is még sok lehetőséggel rendelkezikForrás: Wikimedia Commons

Seeley elmondta, hogy vannak igazán különlegesnek tekinthető vitorlázórepülőgép-tervek, 

amelyek szuperkönnyű súlyú szénszálszerkezetű sárkányszerkezettel épülnének, 

és amelyeknek a légellenállási arányszáma 70:1, ami nagyban csökkenti a szükséges energiamennyiséget.

A Siemens és a Magnus Aircraft ultrakönnyű eFusion nevű elektromos kidgépeForrás: Magnus Aircraft Zrt.

Ez utóbbi azt jelenti, hogy 

egy ilyen sárkányszerkezetű gép még nem túl nagy akkumulátorokkal is potenciálisan meg tud tenni 100 vagy 200 mérföldet, 

azaz hozzávetőleg 185 vagy 370 kilométert. (A légellenállási arányszám, vagy ahogy a szaknyelvben mondják, a siklószám, a hajtómű használata nélkül repülő gépnél - ilyenek a vitorlázógépek is - a megtett út és az elvesztett magasság hányadosa.) Bár az is igaz,  hogy ez a  hatósugár a repülésben igencsak kevésnek számít.

A vadászgépek még hosszú ideig fognak dübörögni

A Kalifornia állambeli San Jose székhelyű Nanosolar Inc. napenergia-berendezéseket forgalmazó társaság is kísérletezik olyan vékony és rugalmas napelempanelekkel, amit szárnyfelületként lehet alkalmazni, lehetővé téve az akkumulátorok repülés közbeni feltöltését.

A vadászgépek manővereihez szükséges nagy teljesítményt egyelőre még lehetetlen elektromos hajtóművel biztosítaniForrás: Elter Tamás archívuma

Seeley elmondta, hogy nagy áttörés várható az elem-energia sűrűség limitációjával, mert a nanotechnológia segítségével lehet, hogy képesek lesznek a jelenlegihez képest 10 vagy 20-szorosára növelni az akkumulátorok teljesítményét.

Ugyanúgy, mint az elektromos autóknál, a fejlesztés alatt álló villanymotoros repülőgépeknél is a megfelelő teljesítményű akkumulátor hiánya jelenti még a legnagyobb kihívástForrás: Peter Lugosi / www.lugopicture.com/Peter Lugosi / Www.Lugopicture.Com

Seeley nem várja, hogy minden repülőgép átálljon az elektromosságra. 

A harci gépek még minden bizonnyal sokáig gázturbinás hajtóművekkel fognak működni, mivel a katonai gépeknél teljesen mások a követelményrendszerek.

A lopakodó technológiával épített F22-es "Raptor" vadászgépForrás: U.S. Air Force/Senior Airman Matthew Lancaster

A vadászgépeknek például olyan manővereket kell végrehajtaniuk, amihez villanymotorral nem lehet elérni a szükséges tolóerőt csakúgy, mint a hanghatár áttörését sem.

A nagy sebességű manőverek végrehajtására és a hanghatár áttörésére jó ideig még csak a sugárhajtású vadászgépek lesznek képesekForrás: U.S. Air Force photo/Ssgt Samuel Rogers

Az elektromos repülő – a harci gépek követelményeihez képest – nagyon lassú, és az elégtelen motorteljesítmény miatt nem képes a nagy toló-, illetve a motoros gépeknél húzóerőt igénylő manőverekre.

A sok utast szállító gépek is még jó ideig sugárhajtóművel fognak működniForrás: Elter Tamás

Valószínűleg szintén sugárhajtású motorral fognak működni jó ideig azok a repülőgépek is, 

amelyek hosszú távra repülnek, illetve sok utast szállítanak, 

mivel az elektromos repülőgépeknek jelenleg még igen jelentős súly- és méretbeli korlátaik vannak.

Világviszonylatban is előremutató a magyar fejlesztés

Magyarország is jelentős szerepet játszik az elektromos repülőgépek gyártásában. A magyar Magnus Aircraft Zrt. és a német Siemens Zrt. közös munkájának eredménye az eFusion nevű elektromos kisrepülőgép, amely a 2016. április 20-án megrendezett AERO nemzetközi repülőgép szakmai kiállításon elnyerte a rangos eFlight díját.

A Fusion 212 ultrakönnyű repülőgépForrás: Magnus Aircraft Zrt.

A magyar elektromos repülőgép prototípusát három éve mutatták be Kecskeméten. 

A hazai fejlesztésű repülőgép első repülésére 2016. április 11-én került sor a Kecskemét-Makópusztai repülőtéren. 

A nemzetközi promóció után itthon is bemutatták. Az eFusion jelenleg még fejlesztési stádiumban van, de hamarosan a világ egyik első teljesen elektromos hajtású és sorozatban gyártott kisrepülőgépe lehet.

Az eFusion elektromos hajtóműve, szerelés közbenForrás: Magnus Aircraft Zrt.

A magyar elektromos repülőgép alkalmas oktató műrepülésre, alap műrepülésre és vészhelyzeti képzésre is. 

Rendelkezik a géphez 3 ponton csatlakozó beépített mentőernyőrendszerrel, duplikált a műszerezettsége, az ülései pedig egymás mellett helyezkednek el, és panorámás kabinteteje van. A beépített mentőernyőrendszer jelentősen megnöveli a kisgép repülési biztonságát.

A távlati cél az elektromos hajtású utasszállító

Az eFusion szerkezete miatt könnyen bírja a -6/-3 G-s terhelést, ezért megfelelő az alap műrepülő-gyakorlathoz is. Szimmetrikus szárnyprofilja biztosítja a gép stabilitását és dinamikus repülését. 

A környezetbarát eFusion üzemeltetése sokkal olcsóbb, 

mint a nagyfogyasztású hagyományos belső égésű motoros repülőgépé. Annak ellenére, hogy elektromos meghajtású, a teljesítménye vetekszik a benzinmotoros Fusion 212 teljesítményével.

Az eFusion elektromos hajtóműveForrás: Magnus Aircraft Zrt.

Géptörzse szinte pontosan megegyezik a Fusion 212-es törzsével, tehát a sárkányszerkezet annak a strapabíró tulajdonságaival rendelkezik. 

A Siemensnek az a perspektivikus célja, hogy elektromos meghajtású és hibrid hajtásrendszerű utasszállító repülőgépeket gyártsanak. 

A kisebb repülőgépektől kívánnak haladni az egyre nagyobbak felé.

Forrás: Magnus Aircraft Zrt.

Az eFusion tesztelése nagyon fontos állomás ebben a folyamatban, mert a hajtásrendszert minél többet kell tesztelni a levegőben, a további fejlesztések végett. Az eFusion hajtásrendszerét a Siemens Zrt. kutatás-fejlesztési csapata, a németországi anyavállalat, 

a repülőgép sárkányszerkezetét pedig a Magnus Aircraft Zrt. fejlesztette ki és gyártotta le, 

de a munkában részt vesznek további kis- és közepes magyar vállalkozások, valamint egyetemek - nyilatkozta Frank Anton, a Siemens AG elektromos repülőgép-fejlesztési üzletág igazgatója, a rendkívül ígéretes német-magyar elektromosrepülőgép-fejlesztési munkáról.