Inginerii britanici şi americani au anunţat crearea unui motor hibrid pentru avioane supersonice, care să combine propulsia electrică şi cea cu reacţie

Avioanele supersonice au constitut apogeul ingineri aerospaţiale, demonstrând că omenirea a putut crea metode fezabile de zboruri ultra rapide. Din păcate, însă, singurul avion supersonic de pasageri care a fost operat regulat, Concorde, a fost foarte scump în operare, din cauza ineficienţei de combustie a motoarelor cu reacţie necesare la o asemenea viteză, în jur de Mach 2, cât avea avionul. În ultimii ani, mai multe echipe de ingineri din lume, lucrează la readucerea avioanelor supersonice în actualitate şi, pentru a nu repeta problema consumului imens care le-ar face prea puţin viabile, multe dintre aceste echipe caută soluţii ingenioase de a le face mai eficiente. Acum inginerii americani de la Astro Mechanica şi-au unit forţele cu inginerii britanici de la Helix, specializaţi în electromotoare de înaltă performanţă, şi au anunţarea crearea motorului hibrid Duality, destinat avioanelor supersonice capabile să atingă o viteză de până la Mach 3, adică de trei ori mai mare decât viteza sunetului.

Foto: Avionul Concorde

Astro Mechanica e un start-up american creat cu misiunea de a reînvia zborurile supersonice, declarând că aviaţia a stagnat în progresul acestui domeniu de 50 de ani încoace, în timp ce tehnologiile au evoluat enorm în industrie. Prin urmare, misiunea celor de Astro Mechanica e să regândească zborurile supersonice de la principiile de bază, aplicând progresele tehnologice pentru un nou avion supersonic de distanţă lungă, care să fie eficient în consum şi viabil. Şi totul a început de la motor, pentru că acolo e esenţa.

Iar ideea lor se inspiră parţial şi din lumea auto, unde până şi hypercar-urile au devenit hibride. Inginerii de la Astro Mechanica s-au întrebat atunci dacă n-ar putea să aplice acelaşi principiu şi pe motoarele cu reacţie. Mai mult ca atât, exact cum multe maşini hibride şi-au optimizat ciclul de funcţionare în regim Miller, fiind mai eficiente la turaţii medii, dar sacrificând eficienţa la porniri, care e completată de propulsia electrică, exact aşa şi motorul de avion ar putea miza pe electromotoare în anumite regimuri de funcţionare, care să reducă din eficienţele clasice existente la aceste motoare cu reacţie.

Ceea ce au făcut inginerii acum a fost să combine trei tipuri de motoare de avion într-unul singur cu o construcţie hibridă. Primul din ele este un motor turboreactor de tip turbofan, adică un motor cu reacţie cu ventilatoare cu multiple pale, obişnuit de pe avioanele comerciale. La acest tip de motor, în mod normal turbina e antrenată de gazele arse şi, printr-un ax direct, învârte ventilatorul din faţă. Acesta aspiră aerul, o parte din el ocolind motorul şi oferind o parte mare a tracţiunii, iar o altă parte trecând prin motor spre turbină. Motorul e eficient la viteze subsonice, dar la viteze supersonice el dă rezistenţă prea mare din cauza diametrului mare şi a felului în care sunt distribuiţi curenţii.

Foto: Motor de tip turbofan

Cel de-al doilea tip de motor cu reacţie, combinat aici, e turbojet-ul, sau motorul cu reacţie unde tot fluxul de aer trece prin interiorul său, prin compresor, prin procesul de ardere şi prin turbină. Compresorul e multietajat aici, având minim două ventilatoare cu pale poziţionate unul după altul, motorul comprimând aerul din faţă pentru admisie, apoi arzând combustibilul în zona turbinei, care pun în mişcare turbina propriu-zisă. Aceste gaze expulzate din motor sunt şi cele care generează forţa de tracţiune şi astfel motorul e mai eficient la viteze supersonice, fiind folosit la mai multe avioane de luptă din primele generaţii, dar şi la Concorde. Datorită construcţiei şi modului de comprimare a jetului de aer, motorul are diametrul mai mic, ceea ce-i reduce rezistenţa la viteze supersonice.

Foto: Motor turbojet

Însă avioanele supersonice ce ating viteze de peste Mach 2 nu se mai descurcă nici cu turbojet, şi au trecut la ramjet, care are o construcţie similară, doar că nu mai compresează aerul prin propriile pale în faţă întrucât la asemenea viteze imense aerul devine comprimat de însăşi viteza cu care e captat în admisie. E un motor cu reacţie fără compresor, în esenţă.

Foto: Motor ramjet

Combustibilul arde aici printr-o cameră de ardere simplă, deci nu mai există nici turbina clasică. Asta îl uşurează enorm şi-l face foarte capabil şi eficient la viteze de peste Mach 2, până spre Mach 6, dar acest motor nu poate genera deloc forţă de propulsie la viteze de sub Mach 0,7-1. Prin urmare, avioanele sau obiectele de zbor care sunt echipate cu acest motor au nevoie de obicei de propulsie adiţională sau sunt lansate de alt avion supersonic.

Ei bine, noul motor despre care vorbim azi voia să combine toate aceste trei motoare cu reacţie într-un mod foarte curios, conform ideii iniţiale a americanilor. În faţă, trebuiau să existe două discuri cu pale, cu rol de ventilatoare şi compresoare, fiecare din ele fiind conectate la electromotoare. În spate, trebuia să fie turbina cu gaze, care nu e conectată mecanic prin vreun ax cu acele discuri din faţă, însă e conectată cu un generator de electricitate.

Doar că împreună cu britanicii lucrurile au evoluat într-un soi de sistem de motoare, în care prin părţi există două unităţi de propulsie electrică, combinate cu câte o cameră de ardere, iar pe centru există şi turbogeneratorul clasic, cu generatoare electrice. Pe axul central sunt conectate două electromotoare Helix cu rol de generator, care pot produce 900 kW putere.

Cele două unităţi de prin părţi, montate la baza aripilor avionului, au fiecare câte alte două electromotoare Helix SPX242-94, fiecare având capacitate de a produce 400 kW putere maximă şi 470 Nm, în timp ce un asemenea motor cântăreşte doar 31,3 kg. În fiecare din cele două părţi există două electromotoare, conectate la câte un disc cu pale.

Ce obţine Astro Mechanica prin această construcţie complexă? Combinarea celor trei tipuri de motoare într-un singur sistem. La decolare şi ascendenţă, dar şi viteze subsonice, sistemul lucrează în regim turbofan. Turbina centrală porneşte cu rol de generator electric şi generează electricitate pentru electromotoarele din părţi, cu ajutorul cărora se obţine efectul avioanelor obişnuite subsonice. Consumul de combustibil rămâne foarte mic, datorită turbinei centrale, care consumă exact cât e nevoie pentru producţia de electricitate.

Principiul e oarecum similar cu transmisia diesel electrică — în loc ca un motor mare să-şi transmită mecanic forţa printr-o cutie de viteze el e ataşat de un generator electric, care produce electricitate pentru electromotoarele conectate cu roţile. Exact aşa şi aici, turbogeneratorul central se învârte generând electricitate, iar ventilatoarele din motoarele laterale folosesc acea electricitate pentru a genera propulsie, fără o legătură mecanică directă, ca la motoarele obişnuite.

La viteze apropiate de supersonic, electromotoarele încep a mişcare acele discuri cu rol de a comprima aerului, iar camerele de ardere din spatele lor pornesc, şi forţa principală de propulsie le revine acestora. E o funcţionare în regim de turbojet deja, cu ardere internă şi expulzare de gaze.

Iar la viteze de peste Mach 2, electromotoarele laterale se opresc aproape complet şi-şi schimbă unghiul palelor pentru rezistenţă minimă. Aerul trece liber spre partea din spate, iar combustia are lor deja prin injecţie şi expulzare directă de gaze, ca la un ramjet. Turbogeneratorul central produce un minim de electricitate, doar pentru răcire activă şi avionica de la bord, dar nu şi pentru propulsie.

Foto: Electromotorul folosit în noul sistem

Astfel, cei de Astro Mechanica şi cei de la Helix ţintesc 3 iepuri deodată acest sistem hibrid, reuşind să-şi asigure un diapazon eficient de propulsie în toate trei regimuri de zbor — decolări şi subsonic, supersonic iniţial şi supersonic de peste Mach 2. Astfel, noul avion supersonic ar urma să devină o Toyota Prius a zborurilor supersonice, asigurând o eficienţă nemaivăzută de consum pentru asemenea avioane. Doar că, la ce viteză va genera, l-am putea compara mai degrabă cu un Lamborghini sau Ferrari hibrid.

Cele două echipe de ingineri îndeplinesc astfel visurile inginerilor aeronautici de jumătate de secol încoace, reuşind ceea ce n-a reuşit încă nimeni. Şi totul a devenit acum posibilă datorită electromotoarelor Helix cu densitate energetică enormă, care au permis încadrarea lor în interiorul motoarelor cu reacţie de avioane supersonice. E o construcţie intrigantă cu siguranţă, şi e ceva de genul ce ar putea face cu adevărat zborurile supersonice tangibile.