電気エンジンは現在の航空機でジェットエンジンと同じ性能を発揮できますか?

私はこのSEのサイトでこのトピックに関する様々な質問を見てきましたが、私は本当に満足のいく回答は見つかりませんでした。いくつかのコメントここでは、電気モーターとガソリンエンジンのトルクと動力に関する有用性がありました。その他の情報については、こちらをご覧ください。

私の疑問の根底にあるのは、バッテリー技術が現在市販されているものからかなり進歩するという前提です。電動機に十分な電力を供給することは問題ではなく、電池の重量は燃料に等しいと単純に仮定する。

現在市販されている航空機に、現在入手可能なジェットエンジンと同じ機能を持たせる電動航空機エンジンを構築することは可能ですか?

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あなたの電池の重量は飛んで燃えていますか?エンジン/燃料システムの各特性をペアにしても、私の実際の航空機は数トン/時間
追加された 著者 Luiz Fernando Penkal,
問題はエンジンだけであると仮定すると(私たちは無限のバッテリー性能を発揮します) - 私が考えることのできる唯一のことは、電気エンジンがアフターバーナー/再加熱を行うことができないことです。しかし、私は非常に少数の商用航空機がこれを提供していると信じています。
追加された 著者 Sergey Kudryavtsev,
ターボファン/ターボプロップは、 turbo メカニックに依存しています。つまり、燃料が燃焼し、シャフトを駆動するための排気が使用されます。構築する圧力、利用可能な電力を増加させる。エンジン全体のコンセプトは電気エンジンでは機能しません。なぜなら、エンジンの効率に関係する圧力はないからです。通常のプロペラ速度よりも非ターボを運転する方法を見落とさない限り、おそらく "通常の"プロペラと限られた速度を見ているでしょう。
追加された 著者 DevSolar,
このような意味ですか? scientificamerican.com/article/&hellip
追加された 著者 Dhayalan Pro,
ここでの基本的な問題は、熱力学の法則です。ジェットと同等の電力を供給できるバッテリーがあれば、ジェット燃料を直接使用するためには、バッテリーを充電するために燃料がより多くかかるでしょう。これは今日の電気自動車の問題です。
追加された 著者 jasonh,
あなたはまだ電気を生成し、電気を車に送信する必要があります。家をガス暖房費と比較する。
追加された 著者 jasonh,
いいえ、@ user3344003、それは電気自動車の問題ではありません。あなたは、蓄電池をICE車として動かすことで、電気自動車が約5倍効率的であることを忘れています。したがって、充電/放電の往復効率がわずか50%であっても(実際には約80%以上)、電気自動車の消費電力は少なくなります。しかし飛行機では、バッテリーを大量に消費するためにエネルギーを絶えず消費しているため、バッテリーの質量は非常に悪い問題です。電気自動車(およびそのバッテリー)を地面に転がすことは、それほど大きな負荷ではありません。
追加された 著者 Michael Bishop,
私はあなたが単にハンドバッグのバッテリー技術を遠ざけることはできないと提出します。 Liイオン電池は、約250Wh/Lおよび350Wh/Kgを供給する。ほとんどの石油留出物(ガソリンからジェット燃料まで)は、約9000Wh/Lおよび13,500Wh/Kgである。そして、なぜそれがリチウムよりもうまくいかないのかという理由(原子量や反応の可能性が高いなど)があります。
追加された 著者 Michael Bishop,
ご意見ありがとうございます。はい、私はエンジン(と飛行機)の能力についてしか尋ねません。電気モーターを航空機エンジンとして使用するのに適していないという固有の特徴があるのだろうかと疑問に思っていましたか?
追加された 著者 Ashley Davies,
電気モーターを使用している場合は、ターボファンではなくダクテッドファンです。最新のジェットエンジンは、バイパスファンを取り囲むタービンエンジンコアを備えています。電気モーターはタービンのコア全体を交換するので、ダクテッドファンを残しておきます。
追加された 著者 Fabio Silva,
@DevSolar私は、ダクテッドファンにはターボプロップが経験するのと同じスピード制限がないと思います。私は高バイパスターボファンに似ていますが、電気炉を考えています。私は専門家ではないが、私に似ているようだ。
追加された 著者 Fabio Silva,

10 答え

未だに。

中距離航空機を見るには、エンジンを CFM56 または IAE V2500 をご覧ください。これらのエンジンは、100〜150kNの静的推力を生成する。クルーズでは、低速のために、その推力はかなり低くなります。クルーズ高度での密度、およびそれらがマッハ0.8で動くためです。 25 kNの値を使用しましょう。これは、2人で快適に A320 をプッシュするのに十分です。高度の薄い空気を通したクラスの機体。

そのような量の推力を生成する力は、力の倍の速度である。 35.000フィートのマッハ0.8で飛行するときの速度は240 m/sなので、1つのエンジンで生成される出力は6.0 MWです。今すぐ電動モーターの大きさと重さを調べましょう連続して6MWを生産すること。リンクされたWikipediaのページからわかるように、結果はどこにでもあります。大型の産業用モーターは1kW/kg未満で提供されるため、モーターの重量は6トン以上になります。電気式飛行機用のより小型のモーターは、10kW/kgを押すと、 GE90ターボファンが、大きさに比例するときにはその一部を失います。 98%の効率でも、モーターは120 kWの熱を発生させます - これは除去する必要があり、薄い空気中での操作はこれを容易にしません。

現在の技術では、モーターは2〜3kW/kgに達する可能性があります。つまり、仮想エンジンを駆動するモーターは2〜3トンです。これに加えて、ジェットエンジンのファンとフェアリング(高圧部とすべてのタービンは不要)がありますが、失われた高エネルギーコアの流れを補う必要があるため、ファンの重量を2倍にします。これはCFM56/V2500の重量の50%を占めるため、さらに1.2トン追加する必要があります。

電動モーターは交換する部品の2倍の重さになります。現在のジェットエンジンよりも有利になる前にやるべき作業はまだいくつかありますが、そこに供給されたエネルギーの半分を熱く、動きの速く騒々しいガスの流れでダンプしないため、若干の可能性があります。


編集:

非常に多くの人々が電気推進のエネルギー密度の側面を省略して私に興奮しているので、質問はこれを残して明示的に欲望していましたが、ここでは考慮すべき 2つのの事柄があります。エネルギー密度は、蓄電の問題の半分に過ぎません。

  1. ジェット燃料のエネルギー密度は約43MJ/kgであり、リチウムポリマー電池は1 MJ/kgも達成しない。しかし、この比較は線形思考であり、現実的には、高効率のタービン - 発電機の組み合わせによって、または従来のジェットエンジンの2倍の効率で水素を燃焼させる燃料電池によって電流が生成される。水素は1キログラム当たり142MJを充填するので、2倍の効率では、従来のジェット機で1トン毎に162kgの水素しか必要としない。はい、私は知っています、それでもボリュームはまだ問題になります。
  2. 電池を使用する場合は、空の電池の重量が満充電のものが電池駆動の棺の最後の釘です。あなたの平均的な長距離ジェット離陸重量の60%の土地の間、それらの重いバッテリーを最終的な目的地までずっと引き伸ばす必要があります。競争力を持たせるためには、これらの仮想バッテリーは灯油のエネルギー密度を 2倍する必要があります。
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追加された
@sanchises全負荷で動作するハイエンドCPUの平方メートルをカバーし、空冷がどのくらいうまく動作するかを確認してください。 :)
追加された 著者 pauldoo,
@サンチャーズああ、私は平均的な部分を逃した。それでも、私はあなたがそのような種類の気流であっても、特に航空機が飛行する大気圧(海面水準の1/3〜1/4)でも問題を抱えることを賭けるでしょう。
追加された 著者 pauldoo,
@FreeMan実際には、それが等しいと仮定しても、重さはまだ問題です。私の答えを見てください。当然のことながら、それらの重量が何であるかの分析は、仮定されているので、必要ではありません。
追加された 著者 pauldoo,
今日まで "schlepp"も英語で存在するかどうか分からなかった:*)
追加された 著者 Nathan Fellman,
この件に関する良いコメント、ピーター。ええ、主な問題は、現在のバッテリー技術のエネルギー密度だけでなく、モーターの重量にもあります。 1つの考え方は、燃料電池に電力を供給する化学燃料の使用であり、ダクト付きファンからノズルへの空気のエンタルピーを増加させるために、セルおよびモータからの余分な熱を使用して、さらなる反作用推力を生成することが考えられる。これはまさにコンセプトであり、モーター、燃料電池、熱交換器などの重量が既存のジェットエンジンよりも軽くなるかどうかを確認するために、エンベロープ計算を行っていません。
追加された 著者 Tsahi Levent-Levi,
この分析では、ジェットの燃料重量に対する電気面の電力供給の重量は考慮されていません。
追加された 著者 Richard Morgan,
「電動モーターは連続して6 MWを生産する必要があります」飛行中にジェットエンジンが100%スロットルで動作することを提案していますか?電気モータは、そのように設計されている場合、定格電力よりも断続的に(すなわち、離陸中に)高い電力を処理することができる。商業的に入手可能な素晴らしい例はないかもしれませんが、ジェットエンジンのように飛行機の電動機は必ずアプリケーションに合わせてカスタマイズする必要があります。おそらく、最大出力よりも巡航力に近いところにモータを探してください。
追加された 著者 Craig,
あらゆる燃料ベースの発電は、電気モーターのポイントを敗北させるだろう。 ICEやジェットエンジン(または天国禁止のロケットエンジン)に簡単に水素を供給することができます。
追加された 著者 ruds,
「98%の効率でも、モーターは120 kWの熱を発生します。これは除去する必要があり、薄い空気中での操作はこれを容易にしません」しかし、ジェットエンジンは同じ雰囲気の中ではるかに多くの熱を除去します。おそらく、あなたは冷却のための電気ファンに何らかの種類の電動ファンを取り付けることができます....十分に十分に98%は、カルノー効率の限界の範囲にあります(空気は液体窒素ではなく、エンジンはタングステンの溶融温度)。
追加された 著者 ruds,
@ kert:リンクしているものを実際に読んでいないので、これはいくつかの英雄的な前提を使った投影です。私はアートの状態について話しました。細かくねじれたMgB $ _2 $は、ここにはまだありません。NASAにもかかわらず、希望のある考え方です。問題は現在の航空機についてであり、NASAの宣伝が資金調達を増やすとは考えていませんでした。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@ kert:情報ありがとう!私は1年前の知識で質問に答え、エンジンパワーは「同等のドライブシステムの5倍以上」であると考えています( source )、その答えはほぼ初期段階です。より壮大なパワー/重量比はより小さいエンジンでのみ可能です。一度旅客機のスケールにスケールアップすると、8または10はまだ不可能です。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@GabrielVince:プリウスエンジンは1.37kW/kgです。それは低重量のために作られています - それは自動車のエンジンであり、固定産業のモーターではありません。私は重量が航空機のプレミアムであることをよく知っていますが、2〜3kW/kgと仮定しましたが、現在の技術ではそれ以上は得られません。結局のところ、このモーターは航空機の他のコンポーネントと同様に認定される必要があります。フォーミュラ1のものは違うでしょうが、ここでは民間航空を見ています。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@ RussellBorogove:質問をお読みください。そしてそれを理解する。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@アロン:必ずしもそうではありません。燃料電池と電気モーターの効率をガスタービンの効率と比較すると、燃料電池は手を下ろします。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@カルロフェリシオーネ:私は同意する、燃料電池はオプションになる可能性があります。彼らの体重は過去20年間でかなり下がってきましたが、他のすべての選択肢よりも先になるためには、もう1桁の縮みが必要です。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@AdamDavis私の6MW番号はクルーズのためのものです。離陸時には、燃料流量と推力がはるかに高くなります。はい、私はジェットエンジンが100%のスロットルで動作することを提案しています。彼らは効率を上げるために可能な限り飛行できるようにこれを行います。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@BrockAdams:このあなたを驚かせるかもしれません。 Blaugasについての段落を見落とさないでください。このタイプの燃料は水素を含み、浮力に中性であった。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@lexeter私はそれが大きな問題になるとは思わない。あなたのエンジンの表面積が1m²しかない場合は、数値を稼動させ、熱放散量(W/m2で測定)は、CPUの平均放熱量よりも少なくなります。大量の冷たい空気が大規模で醜いスクープを必要とする自動車用途では問題になりますが、これは基本的には巨大なデスクトップファンになるものにとっては間違いなく問題になります。
追加された 著者 Guido Kanschat,
@lexeter私の計算能力は疑問の余地はありません;-)そして、私は実際のエンジン温度を計算しませんでした。あなたが本当に興味があるなら、私が持っている本950+ページブック(熱伝達の基礎、F.Incropera et al)は良いスタートです。
追加された 著者 Guido Kanschat,
@reirab私は特に「平均的な」CPU(45W /269mm²)と言っていました。次に、900km/h-50℃の気流で平方メートルを冷却してみてください。これはCPUクーラー(ハイエンドの場合)とはかなり違います。
追加された 著者 Guido Kanschat,
@RussellBorogove質問から電動機に十分な電力を供給することは問題ではなく、バッテリーの重量は燃料と等しいと単純に仮定します。電源の重量の分析は必要ありませんこの特定の質問。
追加された 著者 FreeMan,
水素は1kgあたり142MJを充填しない。それには決して存在しない魔法の容器が必要です。水素は、非常に重い圧力タンクおよび/または嵩張った/重い断熱材および/または航空機の容積を独占し、保持および氷結の問題を有する低圧複合タンクを必要とする。 ...多くの試みにもかかわらず、水素航空機が残っている理由はまれであり、高価で、性能が低いという理由があります。
追加された 著者 Daan,
@PeterKämpf、そのゼペリンには、水素駆動の船舶のガソリンタンクが多かった。それでもウィキペディアは、水素だけで100時間かかる可能性があると述べている(しかし、そのようなことは言わない)。 ...これが本当だったとしても、システムの性能は、ジェット機の飛行機のそれよりも下のほんの一握りであることに注意してください。
追加された 著者 Daan,
@PeterKämpf、ゼップリンは水素ではなく(ガソリンやディーゼルを使用していた)、動力はなかった。もしそうであれば、その範囲は数マイルに過ぎないだろう。 (実際にはほとんど浮力と墜落を失うので実際にははるかに少なくなります。)地球上では、120 MJ/kg近くの場所で推進に水素を使用することはできません。
追加された 著者 Daan,
ターボファンエンジンは、コアからの熱を大量に消散します。それのすべてが排気ガスから出るわけではありません。私はそれが同等かどうかわからない
追加された 著者 TomMcW,
水素燃料電池のエネルギー密度は非常に低い。利用可能であるが他の理由で使用されていない100回。
追加された 著者 mkennedy,
@サンチャーズ番号を実行していただきありがとうございます!私はあなたの計算の超威力を疑っていませんが、高度での空気密度の低下を考慮しましたか?薄い空気が熱を放散するのを困難にする一方、それはまた非常に寒くて順番に役立つはずだと私は推測しています。しかし、2つのうちどちらが大きな影響を与えているのかは分かりません。それは多くの要因に依存するので、おそらく簡単には答えられません。
追加された 著者 Ashley Davies,
あなたの答えをありがとう - 正確に私が探していたもの。私が予期していなかった1つの側面は、電気モーターによって生成された熱を消散するという問題であり、非常に興味深いものでした。
追加された 著者 Ashley Davies,
@PeterKämpf現在、電気分解は約60%効率的です。とにかく、飛行機のバッテリーに入れられるエネルギーとおおよそ同じエネルギーが必要になります。 1回のトリップ当たりのコスト差はゼロに近い。そして、これは極端に悪質な水素分子に対処することを考慮していません。これは液体を取り扱う/保管するのに低コストで高価なものになるか、電池よりも大きな体積のガスです。電池のエネルギー密度の増加は避けられないように見えるため、主に電池側のコスト削減と関連があります。
追加された 著者 Jason Mercurio,
@PeterKämpf将来の500 Wh/kg = 1.8 MJ/kgの飛行機の重量の75%を電池が占めているとしましょう。それで同じエネルギー貯蔵、水素+貯蔵+同じ機体の燃料電池について計算すると、80%の効率であれば飛行機重量の〜10%を占めるだろう。誘発された抗力が電池ケース内の飛行機の抗力のおよそ半分である場合、誘発された抗力は電池ケースの約10%にカットされるが、それをゼロと呼ぶ。したがって、燃料電池の場合、電池ケースの抵抗の半分、電力要件の半分になります。
追加された 著者 Jason Mercurio,
あなたが言及したエンジンは、耐久性とかなり暴力的な扱いに耐えられるように作られています。誰も光になるように頼んだ人はいません:)確かに、weght/power rationを改善する道はまだあります:)
追加された 著者 Matthew Whited,
いいえ、これと他の資料も読んでいませんでした。同じ研究チームがAFRLと協力して、8kW/KgのHTSを使用した作業用モーターを製作しました。これは他の多くの研究で参考にされています。その成果の倍増は近い将来のものであり、40kW/Kg以上が基本的な制約なしにモデル化されています。
追加された 著者 user21948,
現在の技術では、モーターは2〜3kW/kgに達する可能性があります。プロペラ電気自動車の既存のモーターは、Siemens Extra 330LEで5kW/Kgを達成します。高温超伝導モーターは約8kW/kgで実証されており、すぐに約2倍の高い見通しが得られます。
追加された 著者 user21948,
実際、NASAは12メガワットの規模で41kW/Kgの設計をしています。高温超電導体。 ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casiを参照してください。 .ntrs.nasa.gov/20150023038.pd‌ f
追加された 著者 user21948,

エンジンは素晴らしいです。電気エンジンは、速く、強力で、効果的であり得る。私は2つの問題を見る:

まず、商用飛行機が消費するエネルギーの量です。 1台のエンジンで200kNを出すには、航空機に取り付けられた小さな発電所が必要です。電池でも100%の効果があり、十分なエネルギーを蓄えることができます。それらを充電するには、より多くの燃料を燃やす必要があります(与えられたエネルギーに合わせるために多くの代替エネルギーが必要です)。

第二に、それはエネルギー密度に関するすべてです。 34MJ/lのジェット燃料、120Wh/kg = 0.36MJ/kgまでのバッテリー(このサイトによる) )。同じ量のエネルギーを保存するためには、100倍以上のスペースが必要です。

「電動飛行機」を検索するだけで、主に小型、超軽量、自走式のグライダーのリストが表示されます。ここでは、多くのエネルギーを運ぶ必要はありません。

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追加された
現在の原子力船は、軍によって所有され運営されている。彼らは、核分裂性物質を適切に取り扱い、さらに重要なことには、核兵器を守るための武器を知っている。核融合に関しては、現在の核融合炉は存在せず、小規模かそうでなければ正味のエネルギー出力を生み出す。核融合力は、少なくとも1940年代以来、「10年か2年」を経ている。
追加された 著者 pauldoo,
あなたのエンジニアリングチョップは、世界で最も先進的な2つの軍隊よりも優れていると言っていますか?どちらもそれを機能させるために管理されていないからです。
追加された 著者 ruds,
@本当にそうではありません。問題のスペースは簡単です。核反応炉は放射性である。人間と放射能は混ざり合わない。シールドは重いです(科学的な事実、彼らは大きな断面を持つ必要があります)。重い飛行機は飛行しない[要出典]。中性子放射と核融合を開始しないでください。
追加された 著者 ruds,
大規模な火球が現れる原子炉を建てると人々は緊張する傾向があります(チェルノブイリ、福島、風鈴参照)。
追加された 著者 ruds,
あなたは頭の上で釘を打った@ガブリエルヴィンス、それはエネルギー密度に関するすべてです。現在の開発における最善のバッテリー技術はリチウムイオンバッテリーの約5〜7倍ですが、これはまだ炭化水素燃料に比べて厄介です。爆薬でも密度に合っていません - C4は6.3 MJ/kgしかありません!
追加された 著者 GdD,
「小さな原子力発電所を乗せることができます」 - 原子力発電所を持っていれば、その熱を直接利用することができます: en.wikipedia.org/wiki/Nuclear-powered_aircraft
追加された 著者 Adrian Godong,
電気モーターは、バッテリーからすべてのエネルギーを得る必要はありません。小さな原子力発電所を搭乗させることもできます(核分裂であれば良い考えではないかもしれませんが、ある時点で小規模な融合プラントが可能であると仮定すれば...)。これをあまりにも踏襲する前に、人々は原子力船/潜水艦について同じことを言ったことを忘れないでください。
追加された 著者 Bigood,
@reirab私は同意します。しかし、OPは民間のジェット機に彼の質問を限定しない。また、OPはバッテリー技術が大きく進歩していると想定しているため、同じ時期に融合技術が大きく進歩すると想定することは不合理ではありません。私は、エンジンの重さの議論は、電源に関するものよりも関連していると思う。間違いなく、原子力発電所は、電気に戻って戻るよりも、タービンベースのシステムで効率的です。
追加された 著者 Bigood,
@Aronいいえ、私は私はそれを働かせることができるとは言わなかった。しかし、科学者たちが60年前にやっていなかった今後20年間に何かできることは、合理的だと思われます。
追加された 著者 Bigood,
@GdD実際には、一般的なルールとして、爆発物はエネルギーの非常に良い店舗ではありません。彼らは、たくさんのエネルギーを蓄えることではなく、そのエネルギーを非常に短い時間で失う能力によって、その名前を作っています。
追加された 著者 Cort Ammon,
あなたの答えをありがとう。私の質問で述べたように、私はバッテリー技術の問題を認識しています。電気モーターを航空機エンジンとして使用するのに適していないという固有の特徴があるかどうか疑問に思っていました。あなたの答えの最初の段落は、これが当てはまらないことを示し、我々はターボファンと同じ能力を持つ電動機を作ることができます - 唯一の(確かに巨大な)問題は、それらの電動機に十分なエネルギーを供給することです。
追加された 著者 Ashley Davies,
そして、 - 飛行機の墜落を忘れないでください - 毎年いくつか:あなたの庭に原子力発電所が墜落して誤動作したくない
追加された 著者 Matthew Whited,

電池は常に燃料の燃焼と比較して飛行推進のために重要な欠点が1つあります。重量は一定のままです。旅客機(特に長距離飛行に使用される航空機)は、飛行中に大量の離陸質量を燃やします。しかし、電池は常に初期質量を保持しています。これは、いくつかの理由で問題となります。

  1. これが問題となる最も明白な理由は、飛行にもっとエネルギーが必要だということです。たとえ燃料を噴射するエネルギー密度が同じで、安定しているバッテリー(たとえ現在のところかなり遠い)を取得したとしても、飛行機は全飛行時間の間、バッテリー全体を運ぶ必要があります。したがって、飛行が進むにつれて、燃料電池と同じエネルギー密度であっても、電池駆動飛行では燃料駆動の飛行よりもはるかに多くのエネルギーがマイルあたりで使用されます。これはまた、余分なエネルギー要件がバッテリから来なければならないため、同じ範囲でさらに多くのバッテリが必要になることを意味します。

  2. もう一つの大きな問題は最大着陸重量です。多くの航空会社は、必要がないため、最大離陸重量で着陸できるように設計されていません。これは、離陸後に問題に遭遇した航空機が再び着陸する前に、燃料を時々投棄または焼却する必要がある理由の1つです。しかし、バッテリーを使用すると、着陸時に離陸重量で走行します。これは、着陸装置とタイヤがより強くなければならないことを意味します。これは、重量と設計/製造コストがさらに高くなることを意味します。また、余分な重量のために着陸が速くなるため、より多くのエネルギーを吸収できるブレーキを必要とするだけでなく、滑走路の長さを増やす必要があります。飛行機の運動エネルギーは速度の二乗の1/2倍に等しいので、着陸中にブレーキに吸収されなければならないエネルギーは、着陸重量と速度が増加すると劇的に増加します。

  3. やや重要ではありませんが、依然として重大な問題は滑走路の面でより多くの罰です。飛行機がMTOWの近くに着陸すると、滑走路の表面がより早く損傷し、より多くの人が再浮上する必要があります。これはおそらく、航空機が他の同等の燃料を搭載した航空機が滑走路が強化されるまで使用できるような数の滑走路にアクセスすることができないことを意味します。

もちろん、バッテリーセルが使い尽くされたときに、バッテリーセルを飛ばし始めることもできますが、これも(明らかに)多くの問題を抱えています。

  1. 一部のバッターセルを他のセルより早く使い切るには、すべてのセルを並列に描画することはできません。つまり、1つのセルあたりの消費電力レベルが高くなります(したがって、アクティブセルあたりの時間など)

  2. 細胞を安全に投棄できるように飛行機を設計する必要があります。これは可能ですが、設計労力と余分な重量には多くの追加コストが必要になります。

  3. 環境保護者は、巨大なバッテリーをあちこちに落とし始めると、あまりにも幸せにならないでしょう。どちらも財産所有者にはならない。既存のバッテリの化学的性質はすでにかなり腐食性があり、Jet-Aのエネルギー密度によるバッテリの化学的性質は、腐食性、不安定性、それ以外の場合には悪化する可能性があります。

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私たちは今より強力な滑走路を建設することができます。それはちょうど高価であり、夜通しには起こりません。滑走路を閉鎖して再浮上する空港が建設中に大きな交通渋滞を引き起こす空港の場合には、空港は投資を行う前に大きな需要を必要とするだろう。
追加された 著者 pauldoo,
@sanchises質問は、特にバッテリーについて質問していました。また、エンジンで燃料を直接燃焼させるのではなく、なぜ燃料電池で電動ファンを使用するのですか?後者は、設計と保守がそれほど複雑ではないほど、ほぼ確実に効率的です。
追加された 著者 pauldoo,
燃料電池は、化学エネルギーを電気に変換する際に100%の効率に近づく。燃焼効率は最高で約40%です。
追加された 著者 Peter Shor,
燃料電池はどうですか? :)
追加された 著者 Guido Kanschat,
ありがとうございました。私は1と2は知っていましたが、3ではなく、面白​​かったです。私は、再浮上または強化された滑走路設計のための費用がどのようなものかは分かりません。しかし、私たちの文明が電動乗客用ジェットを使用し始めた場合、強力な滑走路を開発するインセンティブは、誰かがその特定の問題(例えば安価な新型超強力アスファルト式)の解決策を思い付くほど大きくなるだろうと思う。
追加された 著者 Ashley Davies,

すべてのコメントは非常に真実かつ有効です。私は、Siemensが単一エンジンのICEタイプの航空機に対して特に5kW/kgの重量比の260kW飛行機エンジンを製造し、飛行試験したと付け加えたいと思います。また、100人乗りの地域シリーズハイブリッドまもなく現実。ここで注目すべき重要な点は、ハイブリッドはバッテリーのエネルギー密度の問題と離着陸重量の問題に取り組むことであり、電気モーターは従来のICE(内燃機関)

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追加された
こんにちは、Aviation.SEへようこそ。良い最初の答えをありがとう。この回答への参照を追加することで、さらに改善されます。
追加された 著者 Simon,
ここには、上記の飛行機エンジンとExtra 330LE飛行機の飛行機での使用に関するシーメンスのウェブサイトへのリンクがあります。 siemens.com//en/feature/2015/corporate /…を押す
追加された 著者 Ashley Davies,

はい。あなたの質問は、本質的に次のようなものです。

電源入力を無視すると、電気エンジンは、そのジェットエンジンのサイズと重量の範囲内でジェットエンジンに同等の出力を生成できますか?

そう:

ジェットエンジンの重量対重量比は、電動エンジンよりも大きいのですか?

そして

ジェットエンジンの動力対容積比は、電気エンジンよりも大きいのですか?

https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-weight_ratio #Electric_motors.2FElectrootive_generators

ボーイング777で使用されるGE90-115Bブレイトンターボファンジェットエンジンは、10.0kW/kgの重量比のパワーを備えています。

EMRAX268は航空機用に作られた電動機で、消費電力は大幅に低くなっていますが、10.0 5kW/kgに達します。

Some will be concerned about whether the motors can scale up but as can be seen in the electric vehicle industry fast electric cars are readily available, そしてthe size そしてvolume of of just the motor そしてits required components (cooling, control) is smaller そしてlighter than the gas engines for those vehicles that can compete in terms of acceleration そしてtop speed.

Even more telling is that the electric motor そしてits components are not only lighter そしてsmaller, but they are cheaper as well.

The only limiting factor to electric aviation is the power source, そしてas a step forward every major manufacturer is already designing hybrid electric planes. As powerful as jet engines are, they are still not as fuel efficient (そしてthus emissions efficient) as they could be. A jet fuel powered generators powering electric engines may be available in the market within a decade.

These hybrid planes wouldn't be possible if the electric engines couldn't hold their own in size, weight, そしてpower relative to a jet engine.

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追加された

「行く」電気の最大の利点は、電気ファンがジェットターボファンよりも効率的であることです。ジェットターボファンは、ファンからの推力の75〜85%を生成し、「コア」排気流からの25〜15%を生成する。原則として、加速された空気の速度が遅いほど、少量の空気を非常に速く動かすと、加速された空気質量の運動エネルギーでエネルギーを失うため、より効率的に推力を生成します。そのため、大型(またはそれ以上)のファンでは、大量の空気を低速で加速する方がはるかに効率的です。ジェットエンジンは、フロントの大きなファンを背後のコンプレッサーシャフトに接続することでこれを実現しています。これはハイバイパスジェットエンジンです。

それでも、現代のターボファンは、エネルギー1kWあたり2ニュートンの推力を達成します。これは、エンジン自体が熱力学的効率が低く、電動ファン設計には適用されない様々な制約によってファンがサブ最適化されるためである。例えば、ファンの直径は、地上クリアランスおよびコンプレッサ駆動シャフトのRPMによって制限される。まだまだ速く回転し、先端の速度は超音速に行くことができます。これは、劇的なドラッグの損失と騒音の問題になります。その結果、バイパス比は非常に低く、本当に効率が高くなりません。これは実際には複数のファンを持つことで解決できます。追加の逆回転開放羽根を有する、例えばフュージュの後部の周りの電気ファンは、より効率的な航空機の本体からのゆっくりした空気を摂取することができ、翼部および尾部に沿った複数の地点に配置することができる。

電動ファンは、熱力学的エネルギー損失が約4倍で、先端速度が遅いため、最適RPMと低速空気出口速度は、1kWあたり20Nを超える可能性があり、おそらく35W/kWになります。彼らは達成するだろうが、それはターボファンよりもずっと良いと言うことは安全です。結果として、バッテリは、パワーエレクトロニクスおよび配線を含む約500Wh/kgで潜在的に競合する可能性があります。

モータの重さは、大きなコアを冷却するのが困難であることが指摘されているため、必要な電力に依存します。しかし、現在のジェットエンジンでファンを交換しようとは思わないが、複数の低出力ファンを搭載しているので、kW/kg単位の電力密度は上記の場合よりも高くなります。小さなファンも、これらの種類のモーターに適した、より速く回転することができます。

上記で指摘したように、REALの問題は、バッテリのエネルギー密度ではなく、バッテリの電力密度であり、離陸時に十分な電力を得るだけでなく、20-50分の範囲内で充電することです。電気式航空機は、短距離から中距離の飛行に対してのみ競争力があり、その多くは内的であり、速いターンアラウンド・タイムを有し、1kgあたり約1kWの電力密度が必要であり、それは高エネルギー密度電池大きなマージンで

理論的には、より大きな推力効率(例えば、60ニュートン/ kW)を得ることができれば、より少ないエネルギーしか使用することができないので、バッテリー容量の一部を循環させ、放電電力)。実際には、規定された電力密度は最大値ですが、エネルギー効率は低く、バッテリ寿命を短くする傾向があります。したがって、効率的にこのように動作するには、バッテリの電力密度が50%以上になる必要があります。

静電気イオンスラスタ(あなたがYouTubeで見ることができる 'リフター'で使用されているタイプ)を使用して110 kWの推力のニュートンが実証されましたが、これは推力密度が低く重量を考慮する必要があります。電圧を上げるとそれが助けになります。

飛行機が軽くならない問題はある程度重要ですが、燃料の節約と多くのファンを活用して翼周りの気流を助ける潜在能力は、低速での揚力を増加させ、それによって飛行エンベロープを通して質量が増加した。より大きな空気量をよりゆっくりと加速するとともに、先端速度および条件に対する角度の両方を最適化することができる、電気的に操作可能な可変ピッチブレードを有する逆回転プロペラの可能性のある実施形態は、全体の効率を大幅に高める。逆回転ファンの電気推進は、ディーゼルまたはジェットタービンに接続するよりもはるかに機械的に容易であり、民間航空機の高速化に適しています( https://en.wikipedia.org/wiki/Propfan を参照してください。これは、逆回転ダクトレスファンが効率的な利点を提供できることを示しています。騒音問題は​​、これらのプロペラを個々のジェットエンジンに関連付ける必要があり、再び、エンジンの直径および高RPMの制限の結果として高い先端速度を意味する。電気を通電すると、より遅い先端速度でより多くのファンを使用することができます。

余分なファンの重量は、重量と抗力の両方でカウリングを取り除くことによる利益によって部分的に相殺される。

充電問題のために、可能性のある実施形態は、巡航中および降下中にバッテリを一度充電し、上昇中に必要とされるエネルギーを補充する高度で高効率のエンジンとなる。これらは超電導発電機を使用する可能性があり、致命的な発電機の故障の適切なバッテリ予備リスクが軽減されるべきである。

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主に、よりゆっくりと飛ぶことによって、「電気ファン」の効率を向上させることができます。その後、シュラウドを省いて、通常のプロペラで終わります。そしてそれはすべて意味をなさない。
追加された 著者 Peter Kämpf,
ほとんどの電池は1時間以内に完全に充電できます。 30分で多く。 10分〜80%の充電が適切な温度管理で問題になることはありません。私は、エネルギー密度の増加に伴ってこれが変化するのを見ていないので、なぜパワー密度が問題になるのか分かりません。しかし、ええ、ピーターが言ったように、私はマッハ0.85スピードであなたの推力に関心があります。
追加された 著者 Sebas,

大体、潜在的には、ジェットエンジンと理論的な「ジェットエンジン」の比較では、自動車エンジンと電動EVとの比較とは大きく異なるいくつかの重要な違いがあります。

特に注目すべきは、先に述べたように、ターボファンは圧縮機で圧縮された空気の燃焼熱駆動膨張によって機械的に駆動されることである。巡航速度(ジェットエンジンが最適化されている)では、これは、自動車燃焼機関の巡航速度運転よりはるかに燃料効率の良い配置である。

基本的に、解放された熱が機械的エネルギーに変換される場所は2つあります。まず、燃焼の熱放出の大部分が圧縮機を駆動するタービンに取り込まれます。第2に、排気ノズルはまた、エンジンを通るマスフローを加速することにより、タービンによって捕捉されなかった熱を運動エネルギーに変換し、熱膨張によって生成された圧力デルタをノズル形状を通して速度デルタに変換する。比較すると、燃焼エンジンは、線形ピストンを駆動することによって排気熱膨張を機械エネルギーに変換し、排気によって機械的エネルギーを得ない。一般的に、タービンは機械的エネルギー変換においてピストンよりも効率的である。第3の効率もあります。つまり、高圧での燃焼はガス密度が高いほど熱をより効率的に圧力に変換するため、燃料の化学エネルギーの多くは燃焼エンジンよりもジェットエンジンで運動エネルギーに変換されますジェットエンジンにおける燃焼反応のより高い圧力のためである。ジェットエンジンの「欠点」は、全体の配置作業を効率的に行うためには、陸上輸送が安全に管理できるよりもはるかに高速で、マッハのかなりの部分で動作しなければならないということです。したがって、燃焼エンジンは地球を支配し、ジェットエンジンは現在のパラダイムで空を支配する。

したがって、無制限の電源供給を前提としていても、エネルギーコストの効率性の面で非常に効率的なモーターを使用する必要があります。起動するには、同様のクルーズ速度で動作するエンジンが必要です。無限の発電を除いても、空中でのより多くの時間は、航空機がエネルギー自給式でなければならないより長い時間枠であり、一般的にバッテリおよび/または発電量がより多くなると考えることができる。余分な質量を加速したり減速させたりするために費やさなければならないエネルギーが増えるため、質量が増えると航空機の運転基準で機械的効率が低下します。

だから、電気モーターで動く同等のものでは、おそらくまだターボファンに似た何かがあるでしょう。あなたのモーターが主にコンプレッサーファンを駆動していることを除けば、タービンは、冷却剤や潤滑剤の循環などの特定のエンジン機能を駆動するエネルギー(エネルギーを生成する)のエネルギーの一部を回収することがほとんどです。したがって、おそらく小型のタービンですが、これは、圧縮空気が推力を発生させる手段として非常にエネルギー効率的ではないという不都合な事実に対してあなたを上げます。そうだったら、航空機を圧縮空気で作動させます。

これが総称していることは、飛行機の電化が現在のジェット時代の技術に似ていない可能性が高いことです。空気輸送の問題に電気モーターの効率を適用することは、既知の技術の範囲内ですが、完全なEVの基本的なアーキテクチャーがガス自動車とは異なるので、結果として生じるアーキテクチャーは大きく異なる可能性があります。これは、基本的に異なるインフラストラクチャーを意味することになります。

例えば。飛行エネルギーの多くは初動加速時に取り込まれるため、空中線のEVは滑走路から離陸する可能性があります。滑走路は平坦な道路よりも飛行機の航空機に似ていて、助けられた打ち上げを行います。同様に、着陸時にエネルギーを取り戻すことで、急速減速ではなく回生捕獲専用の航空機運搬船に見られるシステムに近いシステムを再利用することができます。

しかし、より直接的には、基本的な問題は、ほぼマッハの速度で推力を発生させることです。航空機が空気流を加速したり、何らかの方法で空気を押したりして推力を生成しなければならないため、電力を回転機械力に変換する際の電気モータの効率は、亜音速および超音速流体力学によって幾分緩和される。これらの速度では、プロペラは基本的に効率を失い始めます。したがって、これらの速度を上回る推進方法は、気体への熱伝達による気体の膨張に依存します。したがって、これらのスピード領域で競合するためには、熱を(圧縮された)空気流に伝達するエネルギー効率の良い手段が考案されなければならず、これは既知の電気モータ技術を単に適用することとは大きく異なる。

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あなたのモーターが主にコンプレッサーファンを運転していることを除いて、それはすでに起こっていますが、タービンはコンプレッサーとファンに必要なエネルギーを取り出すだけです。
追加された 著者 conmulligan,
飛行のエネルギーの多くは、初めの加速で取り上げられます - 非常に短距離、低レベルの飛行の場合にのみ。現実的な条件については、仮定は間違っていて、弾道と呼ばれる欄に属します。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@JasonHubbard:20%の燃料分率と25%の効率(化学エネルギーを仕事に変換する)を持つ航空機は、旅行に必要なエネルギーの0.0346%を150ktの離陸速度に加速するのに使用します。同等の電気式航空機では、キャタピラの打ち上げを使用して仮想バッテリ容量の0.0346%を節約することができます。また、同じ範囲でその範囲を伸ばすこともできます。たとえば、次のような方法ではるかに効率が上がります。風を吹き飛ばしたり、軽い構造物に投石費を費やしたりしています。
追加された 著者 Peter Kämpf,
@Peterkampf、Airbus E-Fanはすでに、主翼に電気モーターをかけて離陸中に加速し、航空機を約60KPHにします。地上発射補助は同様の効果を達成するが、E-ファン上の発射アシストモーターは飛行の残りの部分の重量であるという飛行体の質量を減らす。地上発進支援機能を使用すると、空中EVのエネルギーを節約し、距離を広げることができます。特に、補助発射が離陸速度のために100%のエネルギーを供給した場合。海軍は短い離陸のためのアシスト発射を使用しますが、エネルギー効率のために使用することはできません。
追加された 著者 Matthijs Wessels,
@Pedrico私が得意とするのは、石油燃料ジェットエンジンがタービンで駆動され、燃料燃焼からの熱放出を回転エネルギーに変換してコンプレッサを駆動するのに対し、亜音速/極超音速エンジンを駆動する電動モータは、コンプレッサは電動モータによって駆動される回転エネルギーを加えるのに最も機械的に効率的な場所であるため、コンプレッサファンへの電動モータの駆動を可能にする。この配置では、タービンを用いてエネルギーの一部を回収することは依然としてエネルギー効率的であり得るが、タービンはエンジンを駆動しておらず、電動機は、
追加された 著者 Matthijs Wessels,

さて、我々が考慮すべきことは、ジェットエンジンが非常に高い推力を提供できることですが、ガスタービンの単純な原理で機能することです。何とか推進のための電気エンジンを作ることは可能ですが、それは複雑で非常に重く、動力がより低くなります。電気エンジンが動作する唯一の方法は、ジェットエンジンコアをファンディスクを回転させることができるいくつかの電動モーターの種類に置き換えることである。しかしながら、合理的な推力を生成するためにそれを回転させるのにどれだけのトルクが必要であるかを考慮すると、悪夢であり、また、モータは重いバッテリを必要とする。

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バッテリーとモーターの技術は別として、商用航空機への電気エンジンの適用には大きな問題があり、それは充電時間です。民間航空機は、収入を払っている乗客と空中に乗っているときにのみ、お金を稼ぐ。彼らが地上にいるとき、それは非常に高価です。従来の化学燃料は、大量のエネルギー密度をパックするだけでなく、燃料の補給を非常に容易にする。旅客機に燃料を補給するのに数分かかる場合があります - 場合によってはA-380または747の場合、30分ほどかかる場合があります。バッテリーは現在充電に数時間かかるので、これは乗客または貨物便の遅延に大きな影響を与えます。

個人的には、現在のジェットエンジンに代わる実行可能な商用航空機はありません。おそらく最もクリーンな空の旅の形態は、カーボンニュートラルバイオディーゼル燃料で動力を与えられるカレン高効率ジェットエンジンです。

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問題は、バッテリーや燃料ではなく、エンジンについてです。とにかく、大部分のリチウム電池は、優れた温度管理が与えられていると、1C充電電流以上の大きなダメージを受けません。それは約30分で80%の料金に換算されます。電気自動車(テスラ、葉など)またはスマートフォンを見て、急速充電をしてください。
追加された 著者 Sebas,

はい、そうすることができます。あなたが言ったように、電源SUPPLY問題が解決されたと仮定します。心臓部では、ジェットエンジンが空気を加熱し、膨張を利用して圧縮機を駆動し、ほとんどのターボファンで「プロペラ」を駆動します。現在のところ、すべてのジェットエンジンはその熱を生産するために燃えている燃料を使用していますが、システムの基本原則は熱がどこから来るかを気にするべきではありません。そうでなければ標準的なエンジンの燃焼セクションで電気ヒーターで十分なエネルギーをダンプすることができれば、あなたは理論的には全く同じエンジンを電気で作動させることができると思います。

For a modern turbofan, that'd be about 35MW of power you'd have to dump into air heaters in the "combustion" section. This would be a pretty big engineering challenge, but I don't think it's out of the realm of possibility in theory. One option might be using plasma sparks, like an arc welder. Again, electrode lifespan would be an issue, but not necessarily impossible. Credit for this idea comes from this page: http://contest.techbriefs.com/2013/entries/aerospace-and-defense/3129

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