O echipă de ingineri americani a conceput un avion turbo-electric cu ampenaj dublu, care va fi mai eficient fără baterii grele la bord

Spre deosebire de multe alte domenii de transport, propulsia electrică mai întârzie să fie adoptată pe larg în aviaţie, în mare parte din cauza bateriilor grele, cu densitate energetică încă insuficientă pentru a putea înlocui combustibilul. Totuşi, există multe avioane electrice concepute deja, multe din ele aflate în proces de dezvoltare, chiar dacă unele din ele mai folosesc soluţii hibride cel puţin pentru autonomia obligatorie de rezervă, pe care sunt obligate să o aibă avioanele. O echipă de ingineri americani a conceput un avion care nu ţine neapărat să fie pur electric, dar totuşi aplică o combinaţie foarte curioasă de soluţii de propulsie şi aerodinamică. E vorba de echipa celor de la Electra, care a conceput un avion turbo-electric cu ampenaj dublu, care va fi semnificativ mai eficient, fără a avea baterii grele la bord.

Foto: Noul avion turbo electric, conceput de Electra

Noul avion conceput acum face parte din programul anunţat şi finanţat de NASA, prin care 5 companii inovatoare, cu experienţă în aviaţie şi industria aerospaţială, au fost finanţate să-şi dezvolte conceptele ce reprezintă viziunea lor pentru o evoluţie realistă a avioanelor de circa 100 de pasageri către anul 2050. Tocmai pentru a păstra abordarea realistă, noul avion nu se bazează pe tehnologii inexistente, ci pe cele actuale, care pot fi dezvoltate şi perfecţionate predictibil, pentru a putea produce acest model, cu toate beneficiile promise.

Astfel, noul avion nu e unul cu propulsie pur electrică, ci una turbo electrică. Motoarele principale sunt plasate în zona aripilor, exact ca la un avion uzual actual, acestea creând forţă de propulsie directă, utilizând combustibil de aviaţie, eventual unul sintetic, numit şi SAF.

Doar că aceste motoare mai au şi un alt rol important, de a produce câţiva megawaţi de electricitate, ca generatoare electric, iar o mare parte din electricitatea produsă ar fi direcţionată către cele 3 electromotoare cu elice, integrate în ampenajul aeronavei, care are două derive verticale şi trei electromotoare integrate între ele în această construcţie dublă.

Această amplasare a celor trei electromotoare vine să rezolve o problemă aerodinamică bine ştiută, în care aerul cel mai apropiat de fuzelaj circulă încetinit faţă de aerul de alături. Către ampenaj, tot acest aer mai lent se concentrează, lăsând în urmă o dâră aerodinamică, care, din punct de vedere energetic, reprezintă o pierdere.

Foto: Cele trei electromotoare montate în ampenajul dublu al aeronavei

În mod ideal, plasarea propulsoarelor în zona concentrării aceste dâre ar putea reaccelera acest aer şi ar reduce pierderile. Însă în condiţiile avioanelor actuale e absolut nepractic să se monteze motoarele în zona extremităţii ampenajului. Motoarele sunt montate fie sub aripi, fie pe fuzelaj în partea spate, dar oricum ele sunt prea departe de fuzelaj pentru a avea efect direct asupra acelei dâre aerodinamice de aer încetinit. Noul avion despre care vorbim azi, însă, face uz de avantajele motoarelor electrice de a fi compacte şi uşoară şi integrează cele trei electromotoarelor exact acolo, în punctul de concentrare maximă a acestei dâre, contribuind la accelerarea aerului de acolo, la reducerea pierderilor energetice şi la suport pentru propulsie.

Inovaţia şi soluţiile curioase nu se opresc aici, însă. Noul avion foloseşte un fuzelaj de tip „double-bubble”, care înseamnă efectiv o formă mai lată, formată din contururi ce amintesc de doi cilindri longitudinali. E ca şi cum am uni două fuzelaje într-unul singur, doar că le-am integra foarte mult unul în celălalt, astfel încât privit dedesubt, avionul ar avea doar două unduiri longitudinale, fără a părea că e format din doi cilindri sudaţi.

Desigur, forma realistă a avionului e concepută şi perfecţionată în tunelul aerodinamic, dar această siluetă îi permite fuzelajului să devină portant, ca şi aripile. Deci, fuzelajul nu mai e doar corpul purtat de aripi, cu singurul rol de a străpunge cât mai uşor aerul şi a susţine construcţia, ci devine corp cu aerodinamică activă, care generează forţă de elevare în zbor. Iar asta face ca aripile să poată deveni ceva mai mici, reducând din rezistenţa proprie.

Un beneficiu pentru uzul comercial e că acest tip de fuzelaj poate avea două coridoare şi mai multe scaune pe acelaşi rând, dând senzaţia unui avion de clasă mai mare. Toate dimensiunile, însă, sunt calculate cu integrarea în standardele actuale ale aeroporturilor şi aviaţiei.

Aici e important să amintim că ideea de fuzelaj „double-bubble” n-a fost generată acum. În anii 2010-2014 a fost creat un concept al unui avion numit D8, de o echipă de la universitatea MIT, cu susţinerea NASA. Acel avion avea acelaşi tip de fuzelaj şi explora mutarea totală a motoarelor cu reacţie din zona aripilor în cea a ampenajului. E foarte curios că inginera şefă din echipa Electra de acum, Alejandra Uranga, a fost parte din echipa originală a elaborării avionului D8 cu susţinerea MIT / NASA, prin urmare ea califică realizarea de acum ca o continuare a proiectului original de atunci, cu aplicarea soluţiilor mai viabile de propulsie electrică în ampenaj şi păstrarea motoarelor cu reacţie în zona aripilor.

Foto: Avionul similar MIT/NASA, dezvoltat acum mai bine de 10 ani

Inginerii spun că beneficiul de consum energetic mai mic e de 17% datorită acestei sume de soluţii, ceea ce înseamnă că, indiferent dacă raportăm la motoarele actuale cu combustibil sau la cele din viitor, noul avion va consuma cu 17% mai puţin carburant, decât un avion cu aerodinamică obişnuită fără aceste soluţii. Iar 17% eficienţă câştigată în aviaţie înseamnă enorm.

Inginerii mai spun că soluţia lor necesită un sistem electric puternic, de ordinul megawaţilor. Chiar dacă la bord nu vor exista baterii mari şi grele, mici baterii de tampon vor fi necesare, iar întreg sistemul va presupune oricum generatoare, invertoare şi motoare, cu o anumită pierdere mică de conversie în acest proces. Bineînţeles, sistemul trebuie protejat termic, pentru a putea opera la -50°C sau -60°C, la cât pot ajunge temperaturile în zborurile de mare altitudine.

Aşadar, pierderile reale, generate de acest sistem, ar putea să mai taie din eficienţa de 17% ţintită de ingineri, atunci când se va ajunge la scară mare. Dar oricum rămân prezente beneficiile aerodinamice semnificative, iar toată tehnologia ar putea ajunge şi mai repede în producţia de serie, nu neapărat în anul 2050.

Foto: Alejandra Uranga, muncind la avionul D8 acum mai bine de un deceniu

Trebuie să mai spunem că ei de la Electra au încă un avion electric cu soluţie hibridă deja dezvoltat pe bază comercială, EL-9, proiectul căruia a ajuns acum la etapa de certificări şi ar trebui să ajungă la producţia de serie în 2029. Deci, nu vorbim de o echipă focusată doar pe teorie, ci una cu conexiuni practice cu aviaţia şi cererea din industrie.