Возможен ли полностью электрический авиалайнер?

Ну, чтобы использовать тот же планер, вам в основном нужно найти способ заменить объем топлива в крыльях объемом батареи, а батареи составляют где-то около 15-20% удельной мощности топлива, как ответы в этом Сообщение ASE выложено довольно хорошо.

Так что если бы у вас был электровентилятор, создающий необходимую тягу, и как-то придумали, как заменить все топливные баки аккумуляторами, у вас, наверное, что-то было бы, но только с выносливостью около часа, что даже не компенсировало бы Требования к дальности запаса по ППП большую часть времени. Вам придется заменить много пассажиров батареями, чтобы получить хотя бы пару часов автономной работы, что убьет бизнес-кейс.

Таким образом, такая концепция в значительной степени является тупиковой, пока плотность энергии батареи не начнет приближаться к уровню керосина, может быть, через 20 или 30 лет, если только не появятся какие-то масштабные новые разработки.

Ответ Джона К относится к литиевым батареям. Они довольно удобны во многих отношениях, но явно не подходят для этого приложения.

С другой стороны, топливные элементы более разумны. Топливный элемент производит электричество из топлива, такого как водород или этанол. Таким образом, он не имеет штрафов за вес батарей. Кроме того, это в основном решает проблему, упомянутую jwenting. Топливо все равно окисляется и поэтому самолет в полете теряет вес.

Я знаю, что это старый вопрос, но я нахожу эту тему интересной и решил внести свой вклад.

Почему не электрический самолет? Канал YouTube Real Engineering отвечает на этот вопрос здесь:

Это более 10 минут, но они дают хорошее представление о проблеме в первые 2 минуты. Чтобы сократить это еще короче, это плотность энергии батарей, которые мы имеем сегодня.

Почему не топливные элементы вместо батарей? Топливные элементы нагреваются и нуждаются в охлаждении. Воздух должен поступать со скоростью, достаточной для подачи необходимого количества кислорода. Выхлоп также нуждается в свободном потоке в воздух. Итак, у вас есть очень горячий топливный элемент, очень горячий выхлоп, большой вентилятор для охлаждения топливного элемента, накачки воздуха и, предположительно, приведения в движение корабля. Чтобы облегчить подачу воздуха во время стоянки, на выхлопе можно установить турбину, которая будет приводить в действие впускной вентилятор. Вопрос, для чего нужен топливный элемент? Правильно, для питания большого вентилятора спереди. Это увеличивает массу самолета с двигателем, а затем возникают проблемы с топливом, о которых я расскажу позже.

Возможность, так сказать, «устранить посредника» была обнаружена при разработке поршневых двигателей во время Второй мировой войны. Все стороны этого конфликта поняли, что по мере роста поршневых двигателей вклад выхлопа двигателя в тягу рос. С турбокомпрессором, необходимым для достижения наибольшей производительности, особенно на больших высотах, поршневой двигатель в середине не сильно помогал. Просто сбрасывая топливо в камеру сгорания, устанавливая турбину на выхлоп и используя ее для привода вентилятора, питающего пламя горящего топлива, один только выхлоп мог разгонять самолет до высоких скоростей и довольно эффективно. Эта эффективность по сравнению с винтом улучшалась с увеличением скорости и высоты. Позже были добавлены байпасные вентиляторы и гребные винты с приводом от турбины, когда скорость оставалась дозвуковой.

Какова цель использования электрического самолета? Зачем беспокоиться, когда реактивные двигатели работают так хорошо? Ах да, чтобы снизить выбросы CO2. Мы можем использовать биотопливо для этого. А вот с биотопливом есть проблема, так как в настоящее время это делается, это энергонегативный процесс. Мы можем улучшить этот процесс, но это сопряжено с другими проблемами. Опять же, Real Engineering объясняет:

Если кукурузного этанола нет, как и соевого масла, то как насчет водородного топлива? У Real Engineering есть видео по этому поводу:

Хотя он ориентирован на автомобили, большая часть решаемых проблем связана с производством и хранением топлива. Одна из отмеченных проблем заключается в том, что производство водорода является энергоотрицательным процессом. Это не убийца сделки, поскольку есть преимущество в возможности превращать энергию ветра, солнца, ядерного деления или тепла внутри планеты в жидкое топливо. Это означает, что биотопливо погибает не из-за отрицательного энергопотребления, а из-за потребности в земле, пресной воде и рабочей силе, которую лучше было бы потратить на выращивание сельскохозяйственных культур для производства продуктов питания и одежды.

Все сводится к тому, что с реактивным двигателем все в порядке, нужно менять топливо. Наиболее вероятным кандидатом являются синтезированные углеводороды. Они являются заменой существующему нефтяному топливу и могут производиться таким образом, чтобы он был чистым углеродно-нейтральным. Сжигание топлива действительно выделяет CO2 в воздух, но мы знаем, как вернуть этот углерод и построить больше углеводородных цепочек с нейтральной по отношению к углероду энергией.

В ответ на комментарий @MSalters о тепле топливных элементов я сделаю еще несколько наблюдений о практичности самолета на топливных элементах.

Я не утверждаю, что отвод тепла от топливного элемента является проблемой, просто это необходимо сделать. Как отмечает М. Солтерс, за последние 100 лет мы многое узнали о том, как строить эффективные и высоколетящие самолеты. Эффект Мередит говорит нам, как получить полезную тягу от источников тепла на самолете. Мы знаем из опыта использования поршневых двигателей на больших высотах, что турбокомпрессор — это отличный способ получить такую ​​же производительность на больших высотах, как и на уровне моря.

Объедините эффект Мередита с турбонагнетателем, и топливный элемент станет просто камерой сгорания для реактивного двигателя. Если кто-то проведет несколько итераций оптимизации тяги с помощью эффекта Мередита и топливного элемента, приводящего в действие вентилятор или пропеллер, сможем ли мы увидеть оптимизацию топливного элемента? Я предполагаю, что это именно то, что произойдет.

Кто-то хочет утверждать, что топливные элементы могут работать лучше, чем реактивный двигатель? Реактивный двигатель может иметь КПД около 40%. Мы можем получить то же самое от топливного элемента... на уровне моря. Что происходит в разреженном воздухе? Топливному элементу нужно что-то, чтобы нагнетать воздух и что-то, чтобы отводить тепло. Опять же турбокомпрессор хорош для этого. Этот турбонагнетатель заберет часть этой энергии из топливного элемента. Если мы запустим топливный элемент в горячем состоянии, турбонагнетатель станет более эффективным. Будут ли более высокие температуры снижать эффективность топливных элементов? Возможно, но его мог бы компенсировать более эффективный турбонагнетатель, который питает топливный элемент воздухом.

Что, если мы пойдем еще дальше, пожертвовав эффективностью топливных элементов, чтобы получить больше от эффекта Мередита и повысить производительность турбонагнетателя? Сделайте это еще несколько раз, и топливный элемент исчезнет из поля зрения.

Одна из причин, по которой людям нравятся топливные элементы, заключается в том, что они могут работать на «зеленом водороде», водороде из безуглеродной энергии. Что ж, реактивный двигатель тоже может работать на водороде. Если топливом является «голубой водород», водород из ископаемого топлива, то он не более «зеленый», чем реактивный двигатель, работающий на керосине. Мы знаем, как запускать двигатель внутреннего сгорания на водороде, поэтому, если мы не сможем получить значительный прирост эффективности от топливного элемента, что сомнительно, то топливный элемент не принесет никакой пользы.

Вполне возможно построить полностью электрический самолет, но вряд ли он будет лучше по затратам или выбросам CO2, чем реактивный самолет, работающий на каком-то «зеленом» синтезированном топливе.