Реально ли заменить тормоза на самолетах системами электродвигателя/генератора?
Я вижу две проблемы с самолетами. Когда они приземляются, колеса не вращаются в соответствии с путевой скоростью, поскольку корабль касается земли. Таким образом, происходит внезапный крен, когда шины касаются земли и внезапно начинают вращаться. Чем больше летательный аппарат, тем больше масса шин, которые необходимо мгновенно разогнать.
Это нарушает стабильность полета, и толчка может быть достаточно, чтобы вызвать аварию или несчастный случай в плохих условиях посадки. Это также вызывает ненужный износ и нагрузку на шины из-за того, что неподвижная резина волочится по взлетно-посадочной полосе при первом контакте.
Было бы лучше, если бы шины были раскручены, чтобы соответствовать скорости движения до того, как корабль коснется земли, для максимально плавной посадки.
Вторая часть — это просто проблема рассеивания тепла. В другом месте здесь обсуждалось, что тепло от торможения может вызвать пожары и аварии.
Как и в поездных локомотивах, с тормозным двигателем / генератором тепло потенциально может быть перемещено в другое место к резистивным тепловым змеевикам, покрывающим большую площадь, и охлаждаться с помощью прямой тяги или вентиляторов.
С блоком двигатель / генератор шины можно раскручивать либо до близкой, либо до соответствующей скорости относительно земли, используя их в качестве двигателей, питаемых от APU, а затем переключать на использование в качестве генераторов для торможения после контакта с землей.
Это когда-нибудь исследовалось или использовалось в самолетах?
(Как американец из низшего среднего класса, не связанный с авиационной промышленностью, я не надеюсь что-то сделать с этим или получить от этого прибыль, даже если это практичная и потенциально патентоспособная новая концепция, которую никогда раньше не пробовали.)
РЕДАКТИРОВАТЬ
Я не говорю о рекуперативном торможении или рекуперации энергии в аккумуляторную батарею. Кто-то сделал такой вывод, хотя я вообще ничего об этом не говорил.
Я понимаю, что аккумуляторная батарея, вероятно, будет слишком большим дополнительным весом для самолета, по сравнению с рекуперацией энергии при взлете и посадке. (Хех, возьмите удлинитель длиной 2000 футов на катушке, чтобы вести его по взлетно-посадочной полосе и отсоединить прямо перед тем, как он оторвется от земли.)
Я рассматриваю только резистивное/динамическое торможение, сброс тепла в огромные блоки резисторов с помощью высокоскоростного вентилятора, такого же, как на поездных локомотивах. В самолете воздух, выбрасываемый двигателями, может проходить через блоки резисторов.
Вероятно, стоит использовать название во множественном числе. Вместо одного огромного двигателя/генератора каждый тормозной узел будет заменен отдельным из них.
Таким образом, большой самолет, скажем, с 20 колесами, будет иметь 20 блоков двигателя/генератора, которые работают на высоком напряжении, чтобы поддерживать небольшой ток и диаметр провода. Это снижает вес и инженерную сложность, устраняя шестерни и валы, соединяющие все колеса на одном наборе шестерен, в один огромный блок двигатель/генератор.
Это не два отдельных устройства, а одно устройство, выполняющее обе функции. Большинство (но не все) универсальных электродвигателей без электронных систем привода также могут быть генераторами.
Для этого может использоваться двигатель с постоянными магнитами или катушка возбуждения с питанием. Неодим способен создавать чрезвычайно высокую плотность потока, но теряет ее при воздействии сильного тепла, поэтому существует компромисс между плотностью и температурой для катушек с постоянным и активным возбуждением.
Ступица шины потенциально может быть интегрирована как часть ротора/корпуса двигателя/генератора для снижения веса (что очень важно в самолетах) с использованием фиксированного сердечника и ступицы, которая вращается вокруг него, в отличие от конструкции обычного двигателя.
В гибридном или полностью электрическом автомобиле двигатели на колесах дополняют или заменяют двигатель, а за счет рекуперации электроэнергии от торможения он увеличивает запас хода батареи.
На самолете двигатели по-прежнему будут необходимы в течение большей части срока службы самолета — времени, пока он находится в полете. Таким образом, в отличие от автомобиля, вы не получаете никаких преимуществ от самих двигателей, добавляя двигатель/генераторы к колесам.
Кроме того, на большом самолете электроэнергии достаточно, когда у вас вращаются реактивные двигатели, поэтому выигрыш от рекуперации электричества от колес в течение 60-90 секунд резкого торможения при посадке не так уж важен, когда по сравнению с электричеством, использованным и произведенным в течение всего полета. Не так важно, как поездка по городу с множеством циклов разгона до скорости, а затем торможения до полной остановки, снова и снова.
Помимо этого, основными игроками являются дополнительный вес и сложность двигателя / генератора по сравнению с выигрышем с точки зрения (а) срока службы шин из-за их раскручивания перед посадкой и (б) экономии топлива за счет маневрирования на земле. от колесных двигателей вместо реактивных двигателей. Если учесть, что затраты на топливо для реактивных двигателей составляют от 1000 до нескольких тысяч долларов за летный час, экономия средств за счет более длительного срока службы шин будет потеряна, если лишний вес мотор-генераторов по сравнению с обычными тормозами означает, что вы тратить больше денег в течение полета, чтобы нести лишний вес. Точно так же расход топлива во время руления и руления на двигателях не так уж велик по сравнению с часом или многими из круиза большой мощности ... настройки мощности для руления близки к или на холостом ходу, поэтому расход топлива невелик. все так высоко. Плюс,
Большим убийцей этой идеи является штраф за вес. Мотор-генераторы значительно тяжелее обычных тормозов, и если учесть количество энергии, которое тормоза должны быть в состоянии поглотить во время остановки на высокой скорости, вам понадобятся очень мощные генераторы, чтобы выполнить то, что могут сделать тормоза самолета. В противном случае вы бы установили обычные тормоза в дополнение к генераторам, и вес увеличился бы еще больше.
Приблизительно, при часовом полете Боинга 737 дополнительные 1000 фунтов веса увеличивают расход топлива примерно на 10 фунтов или примерно на 1,5 галлона. Звучит не так уж и много, но если умножить дополнительный вес на каждый час полета, который самолет эксплуатирует в течение года, это действительно складывается. Кроме того, двигатели/генераторы намного сложнее, чем простые тормоза, поэтому изначально они будут дороже и требуют большего обслуживания на протяжении всего срока службы. Плюс, подозреваю, их нужно было бы дополнить обычными тормозами, которые задействуются в случае скоростной остановки с максимальным усилием (прерванный взлет, посадка на короткую ВПП).
Конечным результатом всего этого является то, что ни один производитель, о котором я знаю, не нашел, что компромиссы делают такого рода проект стоящим.
В лучшем случае, вероятно, действительно длительное время руления, но в этом случае буксир-буксир может отбуксировать самолет к точке, близкой к взлетно-посадочной полосе, экономя топливо в двигателях самолета до тех пор, пока не придет время их запустить. Я уверен, что это тоже рассматривалось, и опять же, я не знаю ни одного оператора, который использует этот подход (хотя кто-то может быть за пределами США).
Это интересный вопрос, но затраты и математика, лежащие в основе проектирования, не сработали в его пользу, по крайней мере, до сих пор.
Достижимый? Может быть. Разумный? Явно нет.
Давайте сначала посмотрим на задействованные энергии: торможение Boeing 747 до полной остановки изменит его кинетическую энергию на 276,4 кВтч. Сопротивление и трение, возможно, поглотят 20% этого количества, поэтому у нас есть 221 кВтч или 795,6 МДж для преобразования в электричество в течение 30 секунд. Это означает, что генераторы должны быть рассчитаны на нагрузку 26,5 МВт. Если вы можете жить с более длинным расстоянием торможения, у генератора будет больше времени для приложения сопротивления, и он может быть меньше при той же общей тормозной силе, но вам будет трудно убедить ваших потенциальных пилотов признать, что вашей конструкции теперь потребуется гораздо больше времени. посадочная полоса.
Мне было трудно найти онлайн-источники для массы авиационных генераторов, и лучшим на данный момент был ответ Яна здесь и на этой странице EAA . Кажется, что легкий стартер/генератор может иметь мощность 5 кВт на кг массы, поэтому генератор мощностью 26,5 МВт должен весить 5,3 тонны.
Далее будет накопление энергии: чтобы сохранить рекуперированную энергию для руления и следующего взлета, батарея должна будет весить 800 кг (при условии, что 1 кг массы батареи на МДж накопленной энергии). Конечно, КПД генератора и преобразователя постоянного тока будет ниже 100%, поэтому, возможно, аккумулятор может быть немного легче. Для общей эффективности 70% потребуется всего 560 кг для батареи.
Сколько тормозной массы и топлива это сэкономит? Опять же, тормозные массы самолета трудно найти в Интернете, и я не хотел проводить надлежащий размер дискового тормоза . Но держу пари, что это малая часть массы генератора — может быть, 10%! При 43 МДж/кг и, возможно, четверти КПД электрических колесных двигателей, необходимое топливо составляет всего 75 кг. Здесь я предположил, что мы подаем 800 МДж на двигатели колес и пытаемся достичь эквивалентного ускорения с обычными реактивными двигателями. Теперь учтите, что это топливо больше не обременяет самолет до конца его полета, а батареи и генераторы все еще нужно носить с собой.
Таким образом, похоже, что обычное решение имеет 10% массы тормоза генератора и требует всего 75 кг топлива даже для самых больших авиалайнеров. Перенос генератора и аккумулятора потребует гораздо больше топлива или потребует, чтобы наш гипотетический 747 перевозил на 61 пассажира меньше. Ни одна авиакомпания не может принять это!
Относительно раскрутки колеса при касании вы говорите:
Это нарушает стабильность полета, и толчка может быть достаточно, чтобы вызвать аварию или несчастный случай в плохих условиях посадки. Это также вызывает ненужный износ и нагрузку на шины из-за неподвижной резины.
Да, из-за раскрутки часть резины сгорает (просто посмотрите на посадку любого авиалайнера — раскрутка сигнализируется облаком дыма и следами заноса на взлетно-посадочной полосе), но я бы не стал беспокоиться об устойчивости полета после того, как самолет вниз на землю. Даже заблокированные колесные тормоза не представляют реальной опасности для безопасности полета на современных трехколесных передачах.
Не вижу упоминания в теме, что есть еще одна проблема - аквапланирование на мокрой взлетно-посадочной полосе. Лучше резко приземлиться и дать буксующим шинам пробить водную пленку на взлетно-посадочной полосе. Шины будут задерживаться при контакте с взлетно-посадочной полосой в сырую погоду, если они будут ускорены до приземления.
минут
минут
смола
Викки