Las aeronaves civiles modernas destinadas a compañías aéreas comerciales no solo deben mostrar características de alto rendimiento, sino que también deben distinguirse por costos operativos bajos. Al crear nuevas muestras de dicho equipo, se tiene en cuenta la necesidad de reducir todos los costos básicos, y constantemente surgen nuevas opciones para reducir el costo de mantenimiento y vuelos. Este año, las organizaciones de la NASA y el DLR propusieron una versión interesante del transatlántico, capaz de mostrar una eficiencia especial. Un proyecto conceptual prometedor se llama eRay.
La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. Y el Centro Alemán de Aeronáutica y Espacio (DLR) realizan contribuciones significativas al desarrollo de la aviación en todas las categorías principales, incluida la aviación comercial, que es responsable del transporte de personas y mercancías. Los especialistas de estas organizaciones están constantemente buscando nuevas ideas, generando nuevas propuestas y probándolas. En el verano de este año, las dos organizaciones presentaron el concepto de un avión prometedor capaz de mostrar características de alto rendimiento con indicadores económicos mejorados.
El nuevo proyecto con el título provisional eRay se estaba elaborando con una reserva para el futuro. Al formular los requisitos para ello, se tuvieron en cuenta las previsiones sobre el desarrollo de la aviación comercial hasta 2045. Los pronósticos actuales muestran que para este momento en los países desarrollados y en desarrollo, el tráfico de pasajeros y mercancías crecerá significativamente. En este sentido, será necesario el desarrollo de la red de aeródromos y la solución de diversos problemas organizativos. Además, se requerirá nueva tecnología de aviación con capacidades características para apoyar el transporte. En cuanto a sus características, debería superar las muestras existentes.
La NASA y el DLR creen que los aviones comerciales del futuro deberían ser un 60% más económicos que los actuales. Debería poder trabajar en aeródromos pequeños, además de distinguirse por la reducción del ruido y la facilidad de operación. En su investigación e informe al respecto, los autores del nuevo proyecto utilizaron el avión de producción existente Airbus A321-200 como una especie de referencia. Se suponía que un eRay prometedor tendría parámetros similares de capacidad y capacidad de carga, pero al mismo tiempo mostraría ventajas en todas las demás áreas.
El concepto eRay aún no está destinado a un diseño completo con el posterior lanzamiento de la producción y operación de equipos. En este sentido, los especialistas de las organizaciones científicas pudieron no limitarse y utilizar las ideas más atrevidas que aún no están listas para su implementación en la práctica. Fue el uso de tales soluciones lo que permitió resolver las tareas asignadas y "crear" una nueva versión del avión del futuro.
Según las previsiones más optimistas, el avión eRay será un 30% más ligero que el A321 de producción. La eficiencia de la central eléctrica se incrementa en un 48%. La eficiencia energética global de la placa aumenta en un 64%. Cabe señalar que para obtener tales resultados, los científicos y diseñadores tuvieron que no solo introducir nuevas ideas, sino también abandonar sus soluciones habituales. Como resultado, el revestimiento propuesto difiere notablemente de los representantes modernos de su clase.
El proyecto eRay propone la construcción de un avión voladizo de ala baja con ala en flecha. Se proporciona una unidad de cola, que incluye solo un estabilizador con una gran V transversal. No hay quilla. De forma original, debido a la necesidad de mejorar la eficiencia, se solucionó el problema de disposición de los elementos de la central. Sus unidades individuales se colocan en diferentes partes del ala, así como en la cola del fuselaje.
El fuselaje de la aeronave, en general, se asemeja a las unidades de las máquinas existentes. Se propone la construcción de una estructura totalmente metálica de gran alargamiento con forma aerodinámica. La parte de proa se encuentra debajo de la cabina y las salas técnicas, detrás de la cual hay un gran salón con asientos para pasajeros. Se proporciona un volumen para la carga debajo del compartimiento de pasajeros, en primer lugar, para el equipaje. La sección de cola debe acomodar uno de los motores de la planta de energía.
Se propone acoplar aviones barridos con el fuselaje. El ala obtiene un perfil óptimo, y en la mayor parte de su superficie no existen elementos capaces de perturbar el flujo. En los bordes delantero y trasero del ala, se proporciona una mecanización del tipo tradicional. En los extremos, los diseñadores colocaron un par de turborreactores de by-pass con el equipamiento necesario.
En lugar del empenaje tradicional, el proyecto eRay utiliza un sistema inusual. En el extremo de cola del fuselaje, se instala un canal anular cónico para la hélice de empuje de la central eléctrica. A los lados de este canal, los diseñadores colocaron dos planos estabilizadores instalados con una V transversal significativa. No hay quilla. El control de guiñada debe realizarse cambiando el empuje de los motores de las alas o mediante la mecanización de las alas.
Según los cálculos de la NASA y el DLR, las tres cuartas partes del aumento en la eficiencia energética solo se pueden lograr a través de la aerodinámica. Por ejemplo, el flujo laminar alrededor del fuselaje proporciona el 13% del aumento general de la eficiencia. Llevar la envergadura a 45 m da un aumento de otro 6%. Abandonar la quilla acorta la superficie del fuselaje, reduciendo la resistencia del aire.
Sin embargo, la tarea de reducir el desperdicio de energía "extra" se resuelve no solo debido a la aerodinámica. Por tanto, se consideró la posibilidad de retirar las ventanillas laterales del habitáculo. En este caso, el diseño del fuselaje se simplifica significativamente, lo que conduce a su peso más ligero y una reducción correspondiente en los requisitos para los motores. Sin embargo, tal innovación no se considera obligatoria, ya que a los pasajeros puede que no les guste. Es poco probable que un operador quiera obtener eficiencia energética, pero quedarse sin clientes.
El proyecto eRay prevé equipar la aeronave con una planta de energía híbrida. El ala debe estar equipada con motores turborreactores que generen empuje a partir de gases, además de impulsar un par de generadores eléctricos. Se debe suministrar electricidad a través de los convertidores necesarios a las baterías, así como al motor de cola. La principal ventaja de una planta de energía de este tipo es la capacidad de cambiar de manera flexible los parámetros generales de empuje para obtener el consumo de combustible óptimo correspondiente al régimen de vuelo actual.
La NASA y el DLR ven un par de turborreactores de derivación como base para la planta de energía de eRay. Se propone colocar productos con rendimiento suficiente y dimensiones reducidas en las puntas de las alas. En el marco del proyecto, se estudió la aplicación de motores con un sistema de intercambiadores de calor, calentando el aire atmosférico entrante debido a los gases detrás de la turbina. En algunos modos, esto le permite reducir el consumo de combustible en un 20%.
Los expertos de las dos organizaciones revisaron los dispositivos eléctricos existentes de los tipos requeridos y sacaron ciertas conclusiones. Resultó que los generadores, baterías y motores existentes permiten construir una planta de energía para eRay, pero sus características estarán lejos de ser deseadas. Para obtener parámetros óptimos, se requieren nuevas tecnologías y soluciones. En particular, se está considerando la posibilidad de utilizar el efecto de la superconductividad, que puede afectar los parámetros de un motor eléctrico.
Las baterías de almacenamiento existentes tampoco permiten crear una aeronave con los parámetros deseados. Las tecnologías del nivel 2010 proporcionan una densidad de energía del orden de 335 W * h / kg. Para 2040, se espera que este parámetro crezca a 2500 W * h / kg. Sin embargo, a corto plazo, hay que confiar en baterías con características más modestas de alrededor de 1500 W * h / kg. Según los cálculos, la planta de energía combinada con motores eléctricos y turborreactores proporcionará una duración de vuelo de al menos 6-7 horas y una autonomía de más de 6.000 km.
El informe sobre el proyecto conceptual eRay proporciona cifras interesantes que muestran el potencial de esta técnica. Los diseñadores calcularon los principales indicadores de rendimiento de diferentes equipos mientras resolvían el mismo problema. La aeronave A321, cuando realiza un vuelo de "referencia" a una distancia de 4.200 km, debería consumir un total de algo menos de 84,5 MW de energía. Para hacer esto, necesita 15881 kg de combustible. El avión gasta 2,36 litros de combustible para transportar un pasajero cada 100 km. Para el prometedor avión eRay, según los cálculos, el consumo total de energía alcanza los 39,57 MW, esto es, 5782 kg de combustible. Para transportar un pasajero cada 100 km, solo necesita 0,82 litros de combustible. Por lo tanto, en las condiciones dadas, la máquina prometedora resulta ser un 65,3% más eficiente que el modelo en serie.
Una de las formas de mejorar la eficiencia energética es utilizar con prudencia el espacio del habitáculo. NASA y DLR ofrecen tres opciones para la cabina del liner con diferentes capacidades. En primer lugar, consideramos la cabina de clase económica, creada sobre la base de la cabina A321. En este caso, los asientos se instalan en filas de 3 + 3 con pasillo central. En esta configuración, el avión transporta a 200 personas. En la configuración Premium Economy, la capacidad de asientos se incrementa a 222 pasajeros, para lo cual se utilizan diferentes asientos y se optimiza la distribución de los volúmenes disponibles. También se ha elaborado una variante con salones de tres clases. La clase ejecutiva tiene capacidad para 8 asientos, mientras que la "económica" y la "económica delgada" tienen capacidad para 87 y 105 pasajeros, respectivamente.
En la forma propuesta, la aeronave eRay tiene una longitud de 43, 7 m, la envergadura es de 38 m en la configuración básica o de 45 m en la avanzada, lo que da cierto aumento en la eficiencia energética. El peso del avión vacío se determina en 36,5 toneladas, el peso máximo de despegue es de 67 toneladas, la carga útil es de unas 25 toneladas, incluidas 21 toneladas de pasajeros y 4 toneladas de equipaje. El rendimiento del vuelo depende de los elementos de la planta de energía utilizada. En general, deberían estar al nivel de los modelos existentes de aviación comercial.
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El concepto eRay, presentado este año por organizaciones de investigación líderes en los Estados Unidos y Alemania, es de hecho otro intento de encontrar formas de desarrollar aún más la aviación de pasajeros. Como se señaló correctamente en el informe del proyecto, en el futuro habrá nuevos requisitos para la aviación comercial y los transportistas necesitarán nuevos modelos de equipos con capacidades especiales. La búsqueda de soluciones a este problema no se detiene, y el proyecto eRay vuelve a ofrecer ideas originales de un tipo u otro.
En el proyecto de la NASA y el DLR, los objetivos principales eran aumentar la eficiencia energética y mejorar la aerodinámica, lo que debería afectar positivamente la eficiencia general de la aeronave. Para obtener tales características, se propone un diseño de fuselaje especial, combinando soluciones nuevas y bien dominadas, así como una planta de energía híbrida inusual basada en componentes disímiles. Los cálculos muestran que el consumo óptimo de energía de combustible en combinación con una aerodinámica mejorada debería aumentar tanto el vuelo como el rendimiento económico del equipo.
Sin embargo, hasta ahora todos estos resultados permanecen "en papel". El concepto eRay liner, como otros desarrollos de este tipo, tiene un defecto grave, y sus autores lo saben muy bien. En la actualidad y en un futuro próximo, los diseñadores no podrán aprovechar todas las ventajas del concepto propuesto. El logro de los objetivos establecidos se ve obstaculizado por la falta de tecnologías necesarias. Por lo tanto, la idea de un motor turborreactor con intercambiadores de calor y salida de potencia a un generador necesita una mayor elaboración y pruebas prácticas. Las baterías con las características deseadas aún no están disponibles, y el aspecto aerodinámico característico de la aeronave debe confirmar sus capacidades en el transcurso de diversos estudios.
El desarrollo de la tecnología necesaria para construir un avión eRay real es costoso y requiere mucho tiempo. Los autores del proyecto son muy conscientes de esto y, por lo tanto, están considerando un avión prometedor en el contexto del desarrollo de la aviación en las próximas décadas, hasta 2040-45. Creen que en este momento la ciencia creará los componentes necesarios y realizará toda la investigación requerida, lo que permitirá la implementación de nuevos conceptos: ya sea eRay u otros proyectos.
El proyecto conceptual NASA / DLR eRay, debido a su propósito específico, no puede considerarse un éxito o un fracaso. Su objetivo fue determinar los caminos para el desarrollo de la aviación comercial civil y encontrar el diseño óptimo que cumpla con los requisitos del futuro. Los científicos e ingenieros de los dos países han estudiado cuidadosamente la pregunta actual y han presentado su propia versión de la respuesta. Es muy posible que, a finales de los años treinta, despeguen aviones similares al actual eRay. Sin embargo, el desarrollo de la aviación puede ir de otras formas y, por tanto, los aviones de pasajeros del futuro tendrán similitudes con otros conceptos de nuestro tiempo.
