در اینجا نگاهی به مزایا و محدودیت های سیستم های موتور هیبریدی و الکتریکی داریم. طراحان هواپیما برای دهه ها با اشکال مختلف موتور الکتریکی آزمایش کردهاند. این مفهوم چندین مزیت را ارائه میدهد، از جمله کاهش مصرف سوخت، کاهش آلایندگی و پروازهای کمصدا در مقایسه با موتورهای سوختی. با این حال، چالشهای مربوط به وزن و محدودیتهای دامنه پرواز سیستمهای ذخیره انرژی، پذیرش موتور الکتریکی را محدود کرده است.
همچنین بخوانید : برداشت انرژی فرکانس رادیویی
تمرکز فزاینده بر روی پایداری محیطی، تلاشها برای ایجاد موتورهای الکتریکی و هیبریدی-الکتریکی را در صنعت هوانوردی افزایش داده است. از سال 2000، طراحیهای متعددی از هواپیماهای الکتریکی معرفی شده و سازمان ملی هوانوردی و فضایی ایالات متحده (NASA) پیشبینی میکند که فناوریهای موتور الکتریکی هواپیما (EAP) تا سال 2035 در هواپیماهای تجاری به کار گرفته خواهند شد. بیایید نگاهی به موتورهای الکتریکی و هیبریدی-الکتریکی بیندازیم — آنچه که این دو روش مشترک دارند و تفاوتهای آنها.
موتور الکتریکی
به سادگی، یک هواپیمای الکتریکی تنها با برق کار میکند. برق ممکن است از طریق سیستمهای ذخیره انرژی درونبردی مانند باتریها یا منابع خارج از برد مانند انرژی خورشیدی که به برق تبدیل شده است، تولید شود. در اکثر موارد، موتورهای الکتریکی پروانهها یا توربینها را برای پیشبرد هواپیما به حرکت در میآورند.
موتور الکتریکی معمولاً از باتریها به عنوان تنها منبع قدرت استفاده میکند. علاوه بر کاهش آلایندگی و سر و صدا، موتورهای الکتریکی با افزایش ارتفاع قدرت خود را از دست نمیدهند، بر خلاف موتورهای احتراق داخلی، که نیاز به توربوشارژرها و سایر تدابیر افزایش قدرت را از بین میبرد. همچنین، طبق منابع صنعتی، موتورهای الکتریکی نیاز به نگهداری کمتری نسبت به موتورهای سوختی دارند.
چالشهایی که با موتورهای هواپیماهای الکتریکی وجود دارد، مشابه چالشهای خودروهای الکتریکی است — وزن باتری و محدودیتهای دامنه پرواز. در حالی که موتورهای الکتریکی معمولاً سبکتر از موتورهای پیستونی معادل هستند، باتریها سنگینتر از سوخت معادل هستند. و نیاز به شارژ مجدد باتریها با توجه به اینکه منابع شارژ معمولاً زمینی هستند، بسیار حیاتیتر میشود.
حرارتی که توسط موتورهای الکتریکی تولید میشود نیز چالشی است. طبق گزارش NASA، تقریباً 20 درصد از انرژی تولید شده توسط موتورهای الکتریکی به عنوان گرمای اضافی اتلاف میشود که باید خنک شود.
برای غلبه بر وزن اضافی و انرژی مورد نیاز برای خنک کردن سیستمهای الکتریکی، محققان و طراحان بر روی توسعه سیستمهای کارآمدتر تمرکز کردهاند تا اجزا را خنک نگه دارند و در عین حال وزن و اتلاف حرارت را به حداقل برسانند. سیستمهای مدیریت قدرت و حرارتی نوآورانه طراحی شدهاند تا کارایی را افزایش دهند و اتلاف حرارت را به حداقل برسانند. مواد جدیدی برای کاهش وزن و بهبود عملکرد اجزای مکانیکی و الکتریکی توسعه یافتهاند. و تحقیقات جاری همچنان به دنبال فرصتهایی برای بهینهسازی طراحیهای موتور الکتریکی است.
همچنین بخوانید: سیستم های ارتعاشی و نقش آن در افزایش راندمان ماشین آلات
موتور هیبریدی الکتریکی
در هواپیماهای هیبریدی الکتریکی، ترکیبی از موتورهای الکتریکی و موتورهای احتراق داخلی برای پیشبرد هواپیما استفاده میشود، که دامنه پرواز بیشتری نسبت به هواپیماهای الکتریکی خالص ارائه میدهد. این دو منبع انرژی میتوانند به صورت موازی یا سری کار کنند.
در یک سیستم هیبرید موازی، یک موتور الکتریکی و یک موتور سوختی به یک شفت مشترک متصل هستند که یک فن را به حرکت در میآورد، بنابراین یکی یا هر دو میتوانند در هر زمان خاص نیروی محرکه را فراهم کنند.
در یک سیستم هیبرید سری، تنها موتورها الکتریکی مستقیماً به فنها متصل هستند. موتور سوختی یک ژنراتور را به حرکت در میآورد که به نوبه خود موتورها را به حرکت در میآورد یا باتریها را شارژ میکند.
سیستمهای هیبرید موازی و سری هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. در حالی که تعامل دو منبع قدرت متمایز در سیستمهای موازی پیچیدگیهای طراحی اضافی را به همراه دارد. سیستمهای موازی نشان دادهاند که کمی بهتر از سیستمهای سری در صرفهجویی انرژی و کاهش آلایندگی عمل میکنند. سیستمهای هیبرید سری با مفاهیم موتور توزیع شده سازگار هستند، که امکان استفاده از موتورهای متعدد را فراهم میکند.
علاوه بر سیستمهای موازی و سری، سیستمهای هیبرید جزئی سری-موازی ترکیبی نیز توسعه یافتهاند. با این رویکرد، یک یا چند فن میتوانند توسط یک موتور توربین گازی به حرکت درآیند. همچنین فنهای اضافی توسط موتورهای الکتریکی که با یک باتری یا یک ژنراتور توربینمحور تغذیه میشوند، به حرکت درآیند.
سایر فناوریهای مرتبط
علاوه بر موتورهای الکتریکی و هیبریدی، چندین فناوری دیگر مرتبط نیز معرفی شدهاند که میتوانند چشمانداز طراحی هواپیما را تغییر دهند.
هواپیمای خورشیدی
به عنوان یک جایگزین برای برق درونبرد، هواپیماهای خورشیدی انرژی خورشیدی را از طریق پنلهای خورشیدی جذب کرده و از باتریها یا هیدروژن برای ذخیره انرژی استفاده میکنند تا در زمان عدم دسترسی به نور خورشید از آن استفاده کنند. در حالی که هنوز کاربردهای معمولی مسافری یا باری به دلیل محدودیتهای قدرت پذیرفته نشدهاند، هواپیماهای بدون سرنشین خورشیدی (UAV) نشان دادهاند که برای مدت زمان پرواز طولانی (ماهها) قابل استفاده هستند، هرچند با سرعت نسبتاً پایین (کمتر از 100 مایل در ساعت). آنها میتوانند در ارتباطات، تصویربرداری و سایر کاربردهایی که با ایستگاههای زمینی تعامل دارند، مفید واقع شوند.
همچنین بخوانید : انرژی خورشیدی و چالش های اقتصادی کردن آن
موتور توربو الکتریکی
موتور توربو الکتریکی نیز به عنوان یک فناوری که میتواند آلایندگی را کاهش دهد، مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری از توربینهای گازی برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی استفاده میکند. این ژنراتورها اینورترها و موتورهای DC را که فنهای الکتریکی توزیع شده را به حرکت در میآورند، تغذیه میکنند. یک نوع از موتور توربو الکتریکی، موتور توربو الکتریکی جزئی است. که موتور الکتریکی برای تأمین بخشی از نیروی محرکه و یک موتور توربوفن که توسط یک توربین گازی به حرکت درمیآید برای تأمین بقیه استفاده میکند.
فناوریهای پرواز عمودی
موتور الکتریکی همچنین در کنار فناوریهای پرواز عمودی (VTOL) برای قدرتدهی به هواپیماهایی که میتوانند به صورت عمودی بدون باند پرواز و فرود کنند، استفاده میشود. مفهوم پرواز عمودی در طرحهای لئوناردو داوینچی در اواخر قرن پانزدهم ظاهر شد و بعدها به شکل هلیکوپترها توسعه یافت که معمولاً با سوخت کار میکنند. VTOLهای برقی که در قرن بیست و یکم معرفی شدهاند، برای کاربردهایی مانند خدمات تاکسی هوایی درخواستی، تحرک منطقهای و تحویل بار در حال بررسی هستند.
پذیرش آینده
موتورهای الکتریکی و هیبریدی نیاز به اصلاح و آزمایش بیشتری دارند تا هر یک از این اشکال به طور گستردهای پذیرفته شوند. مانند هر فناوری جدید، هزینههای بالا احتمالاً استفاده آنها را در ابتدا به کاربردهای خاص محدود خواهد کرد. با این حال، با بلوغ فناوری و دسترسی بیشتر، ممکن است مناظر و صداهای هواپیماها به طرز چشمگیری با گذشته متفاوت باشد.