Hoewel hybride-elektrische auto's gemeengoed worden, vergelijkbare technologie die op vliegtuigen wordt toegepast, brengt aanzienlijk verschillende uitdagingen met zich mee. Lucht- en ruimtevaartingenieurs van de University of Illinois spreken een aantal van hen aan voor de ontwikkeling van een duurzamer alternatief voor fossiele brandstoffen om vliegtuigen aan te drijven.

"Straalbrandstof en vliegtuigbenzine zijn gemakkelijk op te slaan in een vliegtuig. Ze zijn compact en licht in vergelijking met de hoeveelheid energie die ze leveren. Helaas, het eigenlijke verbrandingsproces is zeer inefficiënt. We benutten slechts een klein deel van die energie, maar we hebben momenteel geen elektrische opslagsystemen die daarmee kunnen concurreren. " zei Philip Ansell, assistent-professor bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van het College of Engineering aan de Universiteit van Illinois.

Ansell zei dat het toevoegen van meer batterijen om verder te vliegen misschien logisch lijkt, maar het druist in tegen het doel om een ​​vliegtuig zo licht mogelijk te maken. "Dat is een van de grote barrières waar we tegenaan lopen bij het ontwerpen van elektrisch aangedreven vliegtuigen met batterijvoeding. De huidige technologie heeft zeer aanzienlijke afstandsnadelen, maar sterke brandstofverbruiksvoordelen."

Hij, samen met voormalig student lucht- en ruimtevaart, Tyler Dean, en huidige doctoraatsstudent Gabrielle Wroblewski, gebruikt een reeks simulaties om de prestaties van hybride-elektrische vliegtuigen te modelleren.

"We zijn begonnen met een bestaand tweemotorig vliegtuig en hebben gekeken hoe we er een hybride-elektrische aandrijflijn voor kunnen maken met behulp van bestaande kant-en-klare hardware. "Zei Ansell. "We wilden weten hoe goed het zou presteren. Als ik een bepaalde set aandrijflijncomponenten zou gebruiken, Ik wil weten hoe ver het vliegtuig kan vliegen, hoeveel brandstof verbrandt het, hoe snel kan hij klimmen - alle algemene vliegprestaties veranderen."

Er is een vliegprestatiesimulator gemaakt om de werkelijke vliegprestaties van een Tecnam P2006T nauwkeurig weer te geven met een algemene missie om opstijgen, beklimmen, cruise, herkomst, en landen, samen met voldoende reserves om aan de FAA-voorschriften te voldoen. Overgangssegmenten werden in de simulatie opgenomen tijdens klim en afdaling, waarbij de gasinstelling, flap inzet, de snelheid van de propelleromwenteling, en alle andere vluchtregelvariabelen waren ofwel ingesteld om de input van een typische piloot na te bootsen of werden voorgeschreven in overeenstemming met het vlieghandboek van het vliegtuig.

Na het configureren van de simulator om baseline prestatiegegevens te verzamelen, een parallelle hybride aandrijflijn werd geïntegreerd in de simulatie. De onderzoekers vergeleken de gevoeligheid van actieradius en brandstofverbruik met het niveau van elektrificatie, batterij specifieke energiedichtheid, en vermogensdichtheid van de elektrische motor. Dezelfde gevoeligheden werden bestudeerd met een serie hybride-elektrische aandrijflijn.

Ansell zei dat algemeen, een hybride-elektrische aandrijflijn kan leiden tot aanzienlijke verbeteringen in het brandstofverbruik van een bepaalde vliegtuigconfiguratie, hoewel deze winst sterk afhankelijk is van de gekoppelde variaties in de mate van elektrificatie van de aandrijflijn en het vereiste missiebereik. Beide factoren beïnvloeden de gewichtstoewijzing van batterij- en brandstofsystemen, evenals de gewichtsschaling opgelegd door interne verbrandingsmotor en elektrische motorcomponenten. In het algemeen, om de grootste brandstofefficiëntie te verkrijgen, moet een hybride architectuur worden gebruikt met zoveel elektrificatie in de aandrijflijn als is toegestaan ​​binnen een bepaalde actieradius.

De verbeteringen in het brandstofverbruik bleken vooral goed te werken voor korteafstandsmissies, wat een goede zaak is, aangezien bereikbeperkingen een van de belangrijkste knelpunten zijn bij de haalbaarheid van hybride vliegtuigen. Hoewel, door deze studie konden de veranderingen in het bereik van het vliegtuig ook worden voorspeld met verbeteringen in hybride componenttechnologieën. "Bijvoorbeeld, "Ansell zei, "Het aandrijfsysteem van vandaag zou zo kunnen worden geconfigureerd dat 25 procent van zijn voortstuwingsvermogen afkomstig is van een elektromotor. het zou slechts ongeveer 80 zeemijl kunnen vliegen. Snel vooruit naar projecties voor lichtere batterijtechnologieën voor ongeveer het jaar 2030 en hetzelfde vliegtuig zou twee en een half tot drie keer zo ver kunnen vliegen. De toename van het bereik is niet-lineair, dus de grootste verbeteringen zijn te zien voor de meest directe verbeteringen met batterijspecifieke energiedichtheid, met geleidelijk afnemende opbrengsten voor diezelfde proportionele toename van specifieke energie."

"Een interessant en onverwacht resultaat dat we hebben waargenomen, echter, kwam tot stand bij het vergelijken van de parallelle en seriehybride architecturen. Omdat de parallelle architectuur het asvermogen van de motor en de motor mechanisch aan elkaar koppelt, er is slechts één elektrische machine nodig. Voor de serie-architectuur, er is ook een generator nodig om het motorvermogen om te zetten in elektrisch vermogen, samen met een grotere motor dan de parallelle hybride configuratie om de voortstuwer aan te drijven. Onverwacht, dit aspect maakte de parallelle architectuur gunstiger voor een groter bereik en brandstofverbruik bijna over de hele linie vanwege het lagere gewicht. Echter, we hebben wel geconstateerd dat als er op zeer lange termijn significante verbeteringen worden aangebracht in het rijpen van elektrische motorcomponenten, misschien zien we ooit een betere efficiëntie van serie-hybride architecturen, omdat ze een grotere flexibiliteit mogelijk maken bij de plaatsing en distributie van voortstuwingsorganen."

Het team koos ervoor om de Tecnam P2006T te modelleren met behulp van een reeks prestatievariabelen die te vinden zijn in gepubliceerde artikelen van de vliegtuigfabrikant. Ze selecteerden dat specifieke vliegtuig, gedeeltelijk, omdat NASA aan hun X-57-vliegtuig heeft gewerkt, die geavanceerde propellers heeft voor een hoge lift. "Deze studie werd uitgevoerd voor NASA, en door het gebruik van dit vliegtuig konden onze resultaten ook beter worden toegepast op het X-57-conceptvoertuig, " zei Ansell. "Met behulp van onze gegevens, ze zullen op zijn minst een idee hebben over hoe het hybride systeem zal presteren zonder de andere gedistribueerde voortstuwingsaanpassingen."

Ansell zei dat elektrificatie van voortstuwing nog steeds een grote onbekende is in termen van hoe een voertuig moet worden gebouwd. ontworpen, gevlogen. "Onze studie helpt bij het informeren van die discussies. We hebben alleen naar batterijopslagsystemen gekeken, hoewel er nog veel meer kunnen worden geïmplementeerd, elk met hun eigen voor- en nadelen. Deze studie stelde ons in staat om te kijken welke soorten vooruitgang er moet worden geboekt in de motortechnologie, in batterijtechnologie, enzovoort."

De studie, "Missieanalyse en gevoeligheidsstudie op componentniveau van hybride-elektrische voortstuwingssystemen voor de algemene luchtvaart, " werd uitgevoerd door Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, en Philip Ansell. Het verschijnt in de Journal of Aircraft .