Как технологии электрических гиперкаров могут вернуть сверхзвуковые авиаперевозки (наконец-то!)

Электрические моторы от автомобилей, таких как Aston Martin Valkyrie, могут исправить главный недостаток, который приземлил Конкорд.

Всего 66 лет отделяли первый полет братьев Райт от запуска сверхзвукового пассажирского самолета Конкорд. Инженер-оптимист во мне глубоко разочарован тем, что скорость авиаперевозок только замедлилась за почти четверть века с тех пор, как грациозный Конкорд последний раз взлетел. Любители автомобилей гордятся: после десятилетий инноваций в аэрокосмической отрасли, перешедших в автомобили (турбонаддув, углеродное волокно, аэродинамика, керамика), автомобильный мир готов ответить взаимностью — впечатляюще.

Истинной ахиллесовой пятой сверхзвукового Конкорда была жажда его четырех турбореактивных двигателей Rolls-Royce (которые, как сообщается, могли потреблять 1–2 тонны топлива на земле перед взлетом!). Это ограничивало дальность полета самолета, что не позволяло ему обслуживать гиперприбыльные транстихоокеанские маршруты. Как решить эту сложную проблему? Так, как это могут сделать автомобили (в некотором роде): гибридизировать!

Компания Astro Mechanica из Сан-Франциско работает над интеграцией электрических моторов Helix, подобных тем, что приводят в движение такие дорожные ракеты, как Aston Martin Valkyrie, Lotus Evija, Czinger 21C и McMurtry Spéirling «фан-кар», не говоря уже о гонщиках Формулы E. Как выглядит «электрификация» сверхзвукового самолета?

Моторы будут приводить в действие вентиляторную ступень предложенного концепта «Duality» турбоэлектрического адаптивного двигателя (TAE) от Astro Mechanica. Обычные реактивные двигатели механически связывают вентилятор с турбиной, заставляя их работать в компромиссном режиме при сильно варьирующихся условиях полета.

Разделенный дизайн может независимо оптимизировать сжатие и генерацию энергии — особенно на высоких скоростях, где сжатие на входе значительно способствует общему повышению давления. Это снижает потери и улучшает общую эффективность. Электрические вентиляторы-компрессоры позволяют тому же двигателю вести себя как турбовентилятор на низких скоростях (сегодняшний уровень технологий для субзвукового полета), как турбореактивный двигатель на высоких скоростях (Конкорд, МиГ-21) и несколько как ракетный двигатель (SR-71, воздух-воздух ракеты) при полете на сверхзвуковых скоростях.

Откуда берется электричество? Хотя на борту есть аккумулятор, он просто служит буфером — как в Mild Hybrid автомобиле. Большая часть электричества, используемого, вероятно, четырьмя вентиляторами в двух пропульсивных установках, генерируется по мере необходимости отдельным турбинным двигателем, приводящим в действие аналогичные моторы Helix, работающие как генераторы (что приводит к некоторым потерям при преобразовании топлива в электричество).

На высокой скорости электрически приводимые компрессорные ступени Duality могут потенциально быть отключены. Работающие как ветряные мельницы, они могут генерировать некоторую энергию, но пока неясно, перевесит ли эта выгода потери эффективности из-за ограничений потока воздуха. Топливо в основном экономится за счет избежания избыточной работы компрессора, которую обеспечивает давление воздуха. Тем не менее, любой буферный аккумулятор будет рассчитан на удовлетворение всех потребностей в отоплении, вентиляции и кондиционировании воздуха (HVAC) и электроэнергии на земле, и он сможет катить самолет без выбросов, питая вентиляторы электрически без запуска основного турбина. (Основатель и генеральный директор Иэн Брук предполагает наличие аккумулятора на 40 кВтч весом 90 кг в своих первоначальных меньших самолетах.)

Пункт уточнения: Фактические моторы Helix SPX242-94 суперкара использовались для испытаний концепции, которые уже продемонстрировали сверхзвуковой поток выхлопных газов, но специальные моторы пятого поколения Helix, основанные на аналогичном «массовом производственном» оборудовании, подготавливаются для работы в условиях низкой температуры, низкого давления и на больших высотах. В разреженном воздухе электричеству легче пробиваться — между фазами статора или на землю. Предотвращение этого требует большей изоляции вокруг обмоток статора. Helix разработала моторы для ракет-носителей (в качестве основных исполнительных механизмов управления полетом), поэтому компания уже имеет моторы, способные работать при -90 градусах.

Наконец, хотя моторы имеют эффективность 98.4–98.8 процента, 2 процента почти одного мегаватта на мотор — это все равно много тепла для управления, и поддержание высоких непрерывных мощностей требует современных технологий охлаждения как статора, так и магнитов в роторе, что осуществляется через несколько охлаждающих контуров. Эти моторы работают с максимальной нагрузкой во время взлета и набора высоты.

Интересный момент: моторы будут напрямую приводить вентиляторы, поскольку моторы и вентиляторы спроектированы так, что моторы достигают своего инерционного предела примерно на той же скорости, на которой кончики лопастей вентилятора достигают своего аэродинамического предела скорости.

Astro Mechanica работает над тем, чтобы сделать сверхзвуковые путешествия реальностью в течение десятилетия, сначала разрабатывая большие, высокоскоростные, беспилотные системы. Но долгосрочная цель — это сверхзвуковой пассажирский полет по ценам, близким к сегодняшним тарифам на эконом-класс. Чтобы достичь этой слишком долго ожидаемой цели, Брук предлагает трехсторонний подход.

Первый очевидный аспект — это значительно улучшенная эффективность Duality. Вторым станет использование сжиженного природного газа (СПГ) в качестве топлива для Duality. Он значительно дешевле авиационного топлива с точки зрения энергии, предлагает более высокую удельную энергию, что может увеличить дальность полета в самолетах, спроектированных для этого, и производит примерно на 20–30 процентов меньше CO₂ при сгорании. Однако внедрение инфраструктуры для заправки СПГ займет годы, если не десятилетия.

Третий способ, которым Astro Mechanica планирует снизить стоимость сверхзвуковых путешествий, заключается в использовании бизнес-модели, находящейся где-то между регулярными рейсами малых самолетов, похожими на частные джеты JSX (ранее JetSuiteX), и моделью «Uber для воздушных путешествий», использующей небольшие (на пять-восемь пассажиров) сверхзвуковые самолеты, работающие из небольших аэропортов.

Какова скорость, о которой идет речь, как насчет звукового удара и какого материала будет корпус? Astro Mechanica нацеливается на скорость от Mach 2.25 до 2.70 (1,726–2,072 миль в час, значительно выше 1,354 миль в час Concorde). Их самолеты будут легче, а форма лучше спроектирована для распределения подъемной силы, что должно сделать конус звукового удара, следящий за самолетом, намного меньше и тише — особенно когда его слышно с высоты 18,300 метров.

Это слишком быстро для алюминиевой оболочки Concorde (максимум 300 градусов), а титан (660 градусов), использованный для SR-71 Blackbird, слишком трудно формовать в идеальную аэродинамическую форму. Поэтому Брук ожидает использовать титановую структуру, в основном обтянутую углеродным волокном в термореактивной смоле, называемой бисмалеимидом (или BMI — 480 градусов), применяя титан только там, где поверхность нагревается больше всего — например, на передних кромках крыльев.

Возвращаясь к этим моторам, Astro Mechanica имеет план по поставке двигателей Duality, а также полных самолетов. Helix может в конечном итоге поставлять моторы (а McLaren — кремниево-карбидные инверторы), как это происходит сегодня, но компания также обеспечила других поставщиков.

Какие уроки могла бы извлечь Helix из своих аэрокосмических приложений, которые могли бы быть применены к наземным электромобилям? Главный инженер Дерек Джордану-Бейли указывает на тройную трехфазную архитектуру как на важный аспект (три инвертора на мотор, в настоящее время лучший способ обеспечить достаточный ток с использованием сегодняшней архитектуры 800–900 вольт). Новые технологии высоковольтного соединения Helix также были решающими для достижения высокой плотности непрерывной мощности, необходимой Duality, и, вероятно, найдут свое применение в автоспорте и высокопроизводительных дорожных автомобилях. Тем временем интеграция системы охлаждения, используемой в автоспорте, в более массовую архитектуру моторов представляет собой еще одно достижение с потенциальной выгодой для дорожных автомобилей или Формулы E.

Когда же можно будет вызвать «гибридный» сверхзвуковой рейс? Брук ожидает, что самолеты начнут летать в ближайшие несколько лет, но признает, что вызвать доступный сверхзвуковой рейс на СПГ можно будет не раньше середины 2030-х годов.

Из пяти компаний, работающих над сверхзвуковыми самолетами, наиболее впечатляющей является стратегия Astro Mechanica по повышению эффективности. Тот факт, что компания внимательно следит за "финансовым двигателем", необходимым для финансирования в этот этап разработки, также внушает оптимизм — подписаны многочисленные контракты на более близкие сроки выполнения, о которых Брук не мог подробно рассказать.

Лично преодолев более 4,8 миллиона километров на Delta, медленно передвигаясь со средней скоростью 900 км/ч, я с нетерпением жду возможности испытать полет на скорости Маха. Удачи, Helix и Astro Mechanica!