Sætter hybrid-elektriske flys ydeevne på prøve

Selvom hybrid-elbiler er ved at blive almindelige, lignende teknologi anvendt på fly kommer med væsentligt forskellige udfordringer. University of Illinois luftfartsingeniører henvender sig til nogle af dem mod udviklingen af ​​et mere bæredygtigt alternativ til fossile brændstoffer til at drive fly.

"Jetbrændstof og flybenzin er nemme at opbevare på et fly. De er kompakte og lette sammenlignet med mængden af ​​energi, de giver. Desværre, selve forbrændingsprocessen er meget ineffektiv. Vi udnytter kun en lille del af den energi, men vi har i øjeblikket ikke elektriske lagersystemer, der kan konkurrere med det, " sagde Philip Ansell, assisterende professor i afdelingen for rumfartsteknik på College of Engineering ved University of Illinois.

Ansell sagde, at det kan virke logisk at tilføje flere batterier for at flyve længere. men det modarbejder målet om at gøre et fly så let som muligt. "Det er en af ​​de store barrierer, vi støder ind i, når vi designer batteridrevne elektrificerede fly. Den nuværende teknologi har meget betydelige rækkeviddeulemper. Men stærke brændstofforbrændingsfordele."

Han, sammen med tidligere rumfartsstuderende, Tyler Dean, og nuværende doktorand Gabrielle Wroblewski, brugt en række simuleringer til at modellere ydeevnen af ​​hybrid-elektriske fly.

"Vi startede med et eksisterende 2-motors fly og så på, hvordan vi kunne skabe en hybrid-elektrisk drivlinje til det ved hjælp af eksisterende off-the-shelf hardware, " sagde Ansell. "Vi ville gerne vide, hvor godt det ville fungere. Hvis jeg brugte et bestemt sæt drivlinjekomponenter, Jeg vil gerne vide, hvor langt flyet kunne flyve, hvor meget brændstof forbrænder den, hvor hurtigt kan det klatre – al den overordnede flyveydelse ændrer sig."

En flyvepræstationssimulator blev skabt til nøjagtigt at repræsentere den sande flyvepræstation af en Tecnam P2006T på en generel mission, der inkluderer start, klatre, krydstogt, nedstigning, og landing, sammen med tilstrækkelige reserver til at opfylde FAA-reglerne. Overgangssegmenter blev indarbejdet i simuleringen under stigning og nedstigning, hvor gashåndtagets indstilling, klapudsætning, propelrotationshastighed, og alle andre flyvekontrolvariabler blev enten indstillet til at efterligne input fra en typisk pilot eller foreskrevet i overensstemmelse med flyets flyvemanual.

Efter at have konfigureret simulatoren til at indsamle baseline præstationsdata, en parallel hybrid drivlinje blev integreret i simuleringen. Forskerne sammenlignede rækkevidden og brændstoføkonomiens følsomhed med niveauet af elektrificering, batterispecifik energitæthed, og elektrisk motoreffekttæthed. De samme følsomheder blev undersøgt med en serie hybrid-elektrisk drivlinje.

Ansell sagde, at samlet set, en hybrid-elektrisk drivlinje kan føre til væsentlige forbedringer i brændstofeffektiviteten for en given flykonfiguration, selvom disse gevinster i høj grad afhænger af de koblede variationer i graden af ​​drivaggregatets elektrificering og det nødvendige missionsområde. Begge disse faktorer påvirker vægttildelingen af ​​batteri- og brændstofsystemer, samt vægtskalering pålagt af forbrændingsmotor og elektriske motorkomponenter. Generelt, for at opnå den største brændstofeffektivitet bør en hybridarkitektur bruges med så meget elektrificering i drivlinjen, som det er tilladt inden for et givet områdekrav.

Brændstofeffektivitetsforbedringerne viste sig især at skinne for kortdistancemissioner, hvilket er en god ting, da rækkeviddebegrænsninger fungerer som en af ​​de vigtigste flaskehalse i gennemførligheden af ​​hybridfly. Selvom, gennem denne undersøgelse var ændringerne i flyets rækkevidde også i stand til at forudsige med fremskridt inden for hybridkomponentteknologier. "For eksempel, " sagde Ansell, "fremdriftssystemet i dag kunne konfigureres til at have 25 procent af dets fremdriftskraft fra en elektrisk motor. den ville kun kunne flyve omkring 80 sømil. Spol frem til fremskrivninger for lettere batteriteknologier for omkring år 2030, og det samme fly kan flyve to en halv til tre gange så langt. Områdeforøgelsen er ikke-lineær, så de største forbedringer kan ses for de mest øjeblikkelige forbedringer med batterispecifik energitæthed, med gradvist aftagende afkast for den samme proportionale stigning i specifik energi."

"Et interessant og uventet resultat vi observerede, imidlertid, opstod ved sammenligning af parallel- og seriehybridarkitekturerne. Da den parallelle arkitektur mekanisk kobler motorens og motorens akselkraft sammen, kun en elektrisk maskine er nødvendig. For seriens arkitektur, en generator er også nødvendig for at omdanne motoreffekten til elektrisk kraft, sammen med en større motor end parallelhybridkonfigurationen til at drive fremdrivningsmotoren. uventet, dette aspekt gjorde den parallelle arkitektur mere fordelagtig for forbedret rækkevidde og brændstofforbrænding næsten over hele linjen på grund af dens lettere vægt. Imidlertid, vi observerede, at hvis der foretages væsentlige forbedringer i modning af elektriske motorkomponenter på meget lang sigt, vi kan faktisk en dag se bedre effektivitet ud af seriehybride arkitekturer, da de tillader en større fleksibilitet i placeringen og distributionen af ​​fremdrivningsmotorer."

Holdet valgte at modellere Tecnam P2006T ved hjælp af en række præstationsvariabler fundet i offentliggjorte artikler af flyproducenten. De valgte netop det fly, delvis, fordi NASA har arbejdet på deres X-57 fly, som har førende propeller til højt løft. "Denne undersøgelse blev udført for NASA, og brugen af ​​dette fly gjorde det også muligt for vores resultater at blive bedre anvendelige til X-57 konceptkøretøjet, " sagde Ansell. "Ved at bruge vores data, de vil være i stand til i det mindste at have en idé om, hvordan hybridsystemet vil fungere uden de andre distribuerede fremdriftsmodifikationer."

Ansell sagde, at fremdriftselektrificering stadig er meget ukendt med hensyn til, hvordan et køretøj skal bygges, konstrueret, fløjet. "Vores undersøgelse hjælper med at informere disse diskussioner. Vi så kun på batterilagringssystemer, selvom der er mange flere, der kan implementeres, hver med deres egne fordele og ulemper. Denne undersøgelse gav os mulighed for at se på, hvilke typer fremskridt der skal gøres inden for motorteknologi, inden for batteriteknologi, etc."

Studiet, "Missionsanalyse og følsomhedsundersøgelse på komponentniveau af hybrid-elektriske fremdriftssystemer til almen luftfart, "blev dirigeret af Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, og Phillip Ansell. Det fremgår af Journal of Aircraft .