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？

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。

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。

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）

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.

「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。

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。