В наши дни одной из главных целей космических агентств и коммерческих аэрокосмических компаний является снижение связанных с этим затрат на исследование космоса. Но не только стоимость отправки полезных грузов в космос (и загрязнение, которое они вызывают) касается таких агентств, как НАСА.
Существует также стоимость (экономическая и экологическая), связанная с авиацией. Реактивное топливо также не из дешевых, и на долю коммерческих авиаперевозок приходится от 4 до 9% антропогенных парниковых газов (и их число растет). По этой причине НАСА в партнерстве с коммерческой промышленностью разрабатывает электрические самолеты, которые, как они надеются, обеспечат экономически выгодную альтернативу коммерческим самолетам к 2035 году.
Это представляет собой серьезную проблему, поскольку многие компоненты, необходимые для создания работающего электрического самолета, довольно большие и тяжелые. В частности, Программа расширенного воздушного транспорта НАСА (AAVP) ищет легкие и компактные инверторы - центральный компонент электрической системы, который обеспечивает питание для привода электродвигателя.
Инверторы имеют решающее значение для электронных силовых установок, поскольку они преобразуют переменный ток (AC), генерируемый генераторами, установленными на двигателе, и электрическими двигателями, приводимыми в движение винтами, в мощность постоянного тока высокого напряжения (DC). К сожалению, компоненты, необходимые для генерации такого количества энергии - генераторы, электроника преобразования энергии, двигатели и т. Д. - исторически были слишком большими и тяжелыми, чтобы поместиться в самолете.
Это создает что-то вроде загадки, поскольку количество энергии, необходимое для создания необходимого подъема, потребует еще более тяжелой электроники. Поэтому НАСА исследует передовые материалы, чтобы создать более легкую и компактную электронику. С этой целью они недавно подписали контракт на сумму 12 миллионов долларов США с General Electric (GE), одним из мировых лидеров в разработке передовой технологии карбида кремния (SiC).
Этот полупроводниковый минерал используется при изготовлении высокотемпературной, высоковольтной электроники, и GE надеется использовать его для удовлетворения требований к размеру, мощности и эффективности, определенных НАСА. Эти спецификации требуют инвертор, который не больше чемодана и способен генерировать мегаватт (МВт) электроэнергии.
Как объяснил в пресс-релизе НАСА Джим Хайдманн, менеджер проекта передовых технологий воздушного транспорта НАСА:
«Мы находимся в критическом периоде в истории авиации, потому что у нас есть возможность разрабатывать системы, которые позволят снизить затраты, потребление энергии и уровень шума, одновременно открывая новые рынки и возможности для американских компаний. Крайне важно, чтобы мы работали с промышленностью и научными кругами, чтобы обеспечить наличие необходимых технологий для удовлетворения потребностей будущих пассажиров и перевозчиков ».
Проще говоря, мегаватт - это огромное количество электроэнергии, и безопасное управление этим видом энергии является серьезной проблемой. Например, НАСА
Но благодаря успехам, достигнутым в области электроники и гибридных двигателей в последние годы, эти требования могут быть достигнуты. Эми Янковская, менеджер подпроекта гибридного газоэлектрического двигателя в Исследовательском центре Гленна НАСА:
«Благодаря недавним достижениям в области материалов и силовой электроники, мы начинаем преодолевать проблемы, возникающие при разработке концепций электрификации с уменьшением энергопотребления, и эта работа с инверторами является критически важным шагом в наших усилиях по приведению в движение электрифицированных самолетов. Наше партнерство с GE является ключом к продвижению компонентов, рассчитанных на вес в полете и готовых к полету, в классе мегаватт для будущих транспортных самолетов ».
Карбид кремния особенно перспективен для применения в авиации большой мощности благодаря своим свойствам материала. Он предлагает высокие рабочие температуры, высокое напряжение и высокую мощность обработки. Эти преимущества позволят инженерам разрабатывать компоненты меньшего размера и легче, а также увеличивать выходную мощность.
«По сути, мы упаковываем один мегаватт энергии в размер компактного чемодана, который будет преобразовывать достаточное количество электроэнергии для создания гибридно-электрической двигательной установки для коммерческих самолетов», - сказал Конрад Уибер, главный инженер по электричеству в GE Research. «Мы успешно создали и продемонстрировали инверторы на уровне земли, которые отвечают требованиям к мощности, размерам и эффективности электрического полета».
Разработка этих электрических систем в настоящее время происходит на испытательном стенде электрических самолетов НАСА (NEAT) в Сандаски, штат Огайо, который ранее был Гиперзвуковым туннельным комплексом НАСА имени Гленна. Первый в своем роде этот реконфигурируемый испытательный стенд отвечает за проектирование, разработку, сборку и тестирование электрических систем воздушных судов, которые будут использоваться для создания всего, от двух человек до авиалайнеров мощностью 20 МВт.
Еще в мае NEAT смог провести свой первый тест в мегаваттном масштабе благодаря огромному количеству энергии, к которой имеет доступ объект. Это и недавно подписанное партнерство с GE началось вскоре после того, как НАСА объявило о еще одном выгодном партнерстве с GE и двумя крупными аэрокосмическими компаниями - Boeing и United Technologies Pratt & Whitney - для изучения возможных преимуществ и рисков демонстраций полета в мегаваттном масштабе.
Как сказал Барб Эскер, заместитель директора Программы передовых воздушных судов НАСА:
«Летные демонстрации являются важной частью технологического развития, потому что они дают нашим инженерам и партнерам отрасли возможность решать проблемы и обосновывать концепции в реалистичной обстановке, одновременно решая задачи, стоящие перед электрическими двигателями в авиации».
Между угрозой изменения климата и тем фактом, что численность населения мира, согласно прогнозам, к 2050 году достигнет почти 10 миллиардов, очевидно, что необходимо разрабатывать альтернативные средства производства, производства энергии и транспорта. Приятно знать, что наряду с электрическими и гибридными автомобилями мы можем рассчитывать на электрические и гибридные самолеты.
