Kad tieši lidmašīnas nāks uz debesīm? Inženieri nosver

Tā kā elektriskie automobiļi un kravas automašīnas arvien biežāk parādās ASV automaģistrālēs, rodas jautājums: kad komerciāli dzīvotspējīgi elektriskie transportlīdzekļi nonāks debesīs? Ir vairāki vērienīgi centieni, lai izveidotu lidmašīnas ar elektrisko piedziņu, tostarp reģionālās sprauslas un lidmašīnas, kas var aptvert garākus attālumus. Elektrifikācija sāk dot iespēju veikt lidojuma veidu, ko daudzi ir cerējuši, bet vēl nav redzējuši - lidojošu automašīnu.

Galvenais izaicinājums elektrisko lidmašīnu būvniecībā ietver to, cik daudz enerģijas var uzglabāt konkrētā kuģa enerģijas avota svarā. Lai gan labākās baterijas uzglabā aptuveni 40 reizes mazāk enerģijas par svara vienību, nekā reaktīvā degviela, lielāka daļa to enerģijas ir pieejama kustības virzīšanai. Galu galā attiecībā uz konkrētu svaru reaktīvā degviela satur aptuveni 14 reizes vairāk izmantojamās enerģijas nekā jaunākā litija jonu baterija.

Skatiet arī: Atbilst elektrības, ūdeņraža un nulles emisiju plaknei, kas iestatīta lidojumam līdz 2025. gadam

Tas aviācijas vajadzībām padara baterijas relatīvi smagas. Aviosabiedrības jau ir norūpējušās par svaru - daļēji uzliekot bagāžas nodevas, lai ierobežotu lidmašīnu skaitu. Autotransporta līdzekļi var apstrādāt smagākas baterijas, bet ir līdzīgas bažas. Mūsu izpētes grupa ir analizējusi svara un enerģijas kompromisu elektriskajos kravas automobiļos un traktora piekabēs vai puspiekabēs.

No elektromobiļiem līdz lidojošiem transportlīdzekļiem

Savu pētījumu pamatā bija ļoti precīzs apraksts par enerģiju, kas nepieciešama, lai pārvietotu transportlīdzekli, kā arī sīkāku informāciju par galvenajiem ķīmiskajiem procesiem, kas saistīti ar Li-ion baterijām. Mēs atklājām, ka elektrisko puspiekabju, kas ir līdzīgs mūsdienu dīzeļmotoriem, varētu izveidot līdz pat 500 jūdzēm par vienu maksu, vienlaikus nodrošinot iespēju pārvadāt aptuveni 93 procentus no visiem kravu pārvadājumiem.

Baterijām būs jākļūst lētākām, pirms ir ekonomiski lietderīgi uzsākt ASV autopārvadājumu autoparka pārveidošanu par elektroenerģiju. Šķiet, ka tas notiks līdz 2020. gada sākumam.

Lidojošie transportlīdzekļi ir nedaudz tālāk, jo tiem ir atšķirīgas enerģijas vajadzības, it īpaši pacelšanās un nolaišanās laikā.

Kas ir e-VTOL?

Atšķirībā no pasažieru lidmašīnām, mazi akumulatori, kas darbināmi ar baterijām, kas pārvadā personīgos iepakojumus īsos attālumos, lidojot zem 400 pēdām, jau sāk izmantot. Taču cilvēku un bagāžas pārvadāšanai vajadzīgs 10 vai vairāk reizes vairāk enerģijas.

Mēs paskatījāmies, cik daudz enerģijas būtu nepieciešams mazam akumulatoram darbināmam lidaparātam, kas spēj veikt vertikālu pacelšanos un nosēšanos. Tās parasti ir paredzētas, lai uzsāktu taisni uz augšu, piemēram, helikopterus, pārejot uz efektīvāku lidmašīnas režīmu, rotējot to dzenskrūves vai visus spārnus lidojuma laikā, pēc tam pārejot atpakaļ uz helikoptera režīmu izkraušanai. Tie varētu būt efektīvs un ekonomisks veids, kā pārvietoties aizņemtajās pilsētās, izvairoties no aizsērētiem ceļiem.

E-VTOL gaisa kuģu enerģijas prasības

Mūsu izpētes grupa ir izveidojusi datoru modeli, kas aprēķina jaudu, kas nepieciešama viena pasažiera e-VTOL vienādojumam jau izstrādes stadijā. Viens no šādiem piemēriem ir e-VTOL, kas sver 1000 kilogramus, ieskaitot pasažieri.

Ceļojuma garākajai daļai, braucot lidmašīnas režīmā, ir nepieciešama vismazākā enerģija uz jūdzi. Mūsu paraugam e-VTOL būtu vajadzīgi aptuveni 400–500 vatu stundas uz jūdzi, ap to pašu enerģijas daudzumu, kas būtu nepieciešams elektriskajam pacēlājam, un aptuveni divreiz vairāk nekā elektriskā pasažieru sedana enerģijas patēriņš.

Tomēr pacelšanās un nosēšanās prasa daudz lielāku jaudu. Neatkarīgi no tā, cik lielā mērā e-VTOL ceļo, mūsu analīze paredz, ka pacelšanās un nolaišanās kopā būs nepieciešamas no 8000 līdz 10 000 vatstundām vienā braucienā. Tas ir apmēram puse no enerģijas, kas pieejama vairumā kompakto elektrisko automašīnu, piemēram, Nissan Leaf.

Visam lidojumam ar labākajām šodien pieejamajām baterijām mēs aprēķinājām, ka viena pasažiera e-VTOL, kas paredzēts, lai pārvadātu personu, kas ir 20 jūdzes vai mazāk, prasītu aptuveni 800 līdz 900 vatu stundām uz vienu kilometru. Tas ir apmēram puse no enerģijas kā puspiekabei, kas nav ļoti efektīva: ja jums ir nepieciešams ātri apmeklēt iepirkšanos tuvējā pilsētā, jūs neaizdotos pilnībā piekrautā piekabes kabīnē tur nokļūt.

Tā kā tuvāko gadu laikā baterijas uzlabojas, tās varēs iesaiņot aptuveni 50 procentus vairāk enerģijas par vienu un to pašu akumulatora svaru. Tas palīdzētu padarīt e-VTOLS dzīvotspējīgākus īstermiņa un vidēja lieluma braucieniem. Taču ir vēl dažas lietas, kas nepieciešamas, lai cilvēki varētu sākt lietot e-VTOLS regulāri.

Tā nav tikai enerģija

Attiecībā uz sauszemes transportlīdzekļiem pietiekamā mērā noteikt ceļojuma diapazonu - bet ne lidmašīnām un helikopteriem. Gaisa kuģu dizaineriem ir arī rūpīgi jāpārbauda jauda - vai cik ātri uzglabātā enerģija ir pieejama. Tas ir svarīgi, jo pacelšanās līdz pacelšanai strūklas virzienā vai stumšana pret gravitāciju helikopterā aizņem daudz vairāk enerģijas nekā automašīnas vai kravas automašīnas riteņu pagriešana.

Tāpēc e-VTOL akumulatoriem jābūt spējīgiem izlādēt aptuveni 10 reizes ātrāk nekā baterijas elektriskajos autotransporta līdzekļos. Kad baterijas izlādējas ātrāk, tās kļūst daudz karstākas. Tāpat kā jūsu klēpjdatora ventilators spin līdz pilnam ātrumam, kad mēģināt straumēt TV pārraidi, spēlējot spēli un lejupielādējot lielu failu, transportlīdzekļa akumulatoru ir nepieciešams atdzist vēl ātrāk, kad tiek prasīts radīt lielāku jaudu.

Autotransporta līdzekļu akumulatori braukšanas laikā neuzsilda gandrīz tikpat daudz, lai tos varētu atdzesēt ar gaisu, kas šķērso vienkāršu dzesēšanas šķidrumu. Tomēr e-VTOL taksometrs pacelšanās laikā radītu milzīgu siltuma daudzumu, kas atvēsinātu ilgu laiku, un īsiem braucieniem, iespējams, pat nav pilnīgi atdzist, pirms atkal uzsildās pie izkraušanas. Salīdzinot ar akumulatora izmēru, tā paša nobrauktā attāluma laikā e-VTOL baterijas pacelšanās un nolaišanās laikā radītais siltums ir daudz vairāk nekā elektriskie automobiļi un puspiekabes.

Skatiet arī: Tesla izpilddirektors Elons Muskuss Detaļas Ideja par elektrisko lidmašīnu Joe Rogan Podcast

Šis papildu siltums saīsinās e-VTOL bateriju lietderīgās lietošanas laiku un, iespējams, padarīs tos jutīgākus pret ugunsgrēku. Lai saglabātu gan uzticamību, gan drošumu, elektriskajiem lidaparātiem būs nepieciešamas specializētas dzesēšanas sistēmas, kas prasītu vairāk enerģijas un svara.

Šī ir būtiska atšķirība starp elektriskajiem autotransporta līdzekļiem un elektriskajiem lidaparātiem. Kravas automašīnu un automašīnu dizaineriem nav nepieciešamības radikāli uzlabot ne jaudas, ne dzesēšanas sistēmas, jo tas palielinātu izmaksas, nepalīdzot veiktspējai. Tikai specializēti pētījumi atradīs šos svarīgos sasniegumus elektriskajiem gaisa kuģiem.

Mūsu nākamais pētījuma temats turpinās izpētīt veidus, kā uzlabot e-VTOL bateriju un dzesēšanas sistēmas prasības, lai nodrošinātu pietiekamu enerģiju lietderīgam diapazonam un pietiekami daudz jaudas pacelšanās un nolaišanās gadījumā - visi bez pārkaršanas.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Venkat Viswanathan, Shashank Sripad un William Leif Fredericks sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.