電気推進の代替的なメリットは何ですか?

私が求めている文脈は、電気モーターが通常の炭化水素エンジンとの「ハイブリッド」構成に設定されていれば、燃料コストを削減し、重量を減らし、滑走路長を引き延ばすことができるかどうかということです。

もしそうなら、潜在的に軍用機(IE、F35)は、電気的にブーストされたSTOVL/VTOLシステムを有することで重量削減または機能上の利点がありますか?定期便以上の燃料節約もちろん、今日から10年後には、これは技術的な観点からは理にかなっていますか?

現在のメインプロップまたはジェットシステムを代替する電気推進システムの能力を求めているのではなく、他の補助またはバックアップ用途で提供できる代替能力に頼っています。

2
私はこれが重複しているとは思わない。提案された複製は、これがどのように行われるかを尋ねる一方で、これがなぜ、そしてそれが行われるべきかどうかを問うが、これは他の質問では実際には議論されない。
追加された 著者 Jan Hudec,
「補助」と言えば、動力付きの車輪をタクシーで走っていると思っていますか、それともスピードが十分に速ければMLG車輪を回転させることで離陸を促すことができますか?
追加された 著者 FreeMan,
追加された 著者 Simon,
炭化水素燃料のエネルギー密度が電池のエネルギー密度よりもはるかに大きいことを考慮すると、電気モーター、バッテリーバンク、および関連する制御装置を設置するよりも少し馬力を加えるのはずっと安い余分な重量とそれを行うための余分な燃料と、減速したペイロードの周りに、ちょうど運ばれることになります。バッテリの密度が燃料に近づくまでは、燃料補充と比べると、良い補充または補強にはなりません。
追加された 著者 c69,

2 答え

航空機の場合はなし

ハイブリッド・ドライブ・トレインは、

  • They offer, rather limited, efficiency improvement by being able to operate the engine closer to its optimal conditions.

    Because spark-ignition engines are more efficient at higher power settings, the hybrid can get advantage by having smaller engine, running it at (relatively) high power or not at all and cover the variations in required power using the electric engine.

    Cars accelerate and stop a lot and often cruise at small fraction of power, so they can make good use of this.

    The advantage only applies to spark-ignition, i.e. gasoline, engines. Compression-ignition (diesel) engines have more uniform efficiency over their operating range, so there is no or only negligible advantage. Which is part of the reason you don't see hybrid diesel cars.

  • Batteries can be pre-charged with cheaper mains power. This is used in the hybrid cars, but it obviously requires lots of heavy batteries.

  • Electric motors can provide high torque from standstill. Piston engines can only provide limited torque from standstill and it stresses the clutch heavily.

    This is particularly important for train engines. Train wheels have bearings lubricated by oil pumps attached to the axles that only operate when the train is moving, so when the train is stopped, the bearings are not lubricated and the force required to get it moving is much higher then when moving.

  • At high power outputs, electric generator and motor are simpler and more reliable than a gearbox and clutch. For big train engines and ships, mechanical clutch is out of question. Hydraulic one, which is a turbopump and turbine in oil, can be used, but that still needs variable gearbox. The electric drive-train acts as almost ideal continuously variable transmission, being able to deliver almost constant power over wide range or rotational speeds.

いずれの場合も、ハイブリッド駆動列車は機械式列車よりも重い。

航空機向け

  • エンジンは一定の速度と出力で動作しますが、比較的高く設定されています(通常、クルーズ設定はピストンで75%、タービン面ではさらに高く設定されています)。したがって、エンジンを最適に近づけるためにハイブリッドドライブトレインを設計する余地はありません。

  • 重量は航空機には重要です。そのため、発電機とモーターの重さは目に見えます。重量を増やしている車では、抗力が少し増加するため、牽引力のために十分な接着力を得るには、懸念や列車が少なくてすら重い必要があります。

  • 重量は重大であるため、航空機はより安価な主電源でプリチャージできる電池を多用する余裕がありません。

    プロペラは回転を開始するのにほとんど力を必要とせず、RPMの狭い範囲で操作されるため、電動モーターは停止からトルクを供給することができます。 >

したがって、ハイブリッド駆動列車が他の車両で使用される利点のどれも航空機には適用できないため、建物には何のポイントもありません。

7
追加された

私は、シリアルハイブリッド(例えば、電動モーターを動かす化学的発電機)を航空機に実装することにはいくつかの問題があるとの前の答えに同意しますが、それにプラスの側面もいくつかあると思います...既存のものを補うのではなく、新しい推進システムを設計しなければならないかもしれないが。私はNASAの研究で、低温貯蔵された水素スクラムジェットをBWB航空機に置き換えるための分散型ターボ電気推進を見ていることを発見しました。これは、実際に電気システムに移動することで重量を節約する可能性を示しています( https://mdao.grc.nasa.gov/publications/IPLF08-Kim.pdf )、それはかなりニッチなアプリケーションです。もちろん、これは普遍的にそうであることを暗に示しているわけではありません。

しかし、分散型推進について言及すると、電気推進システムの大きな利点が強調されます。機械的なシャフト接続よりもフレキシブルな電源ラインの配線が劇的に簡単です。したがって、複数のエンジンを搭載したい場合...電気推進は、比較的容易に行うことができます。また、典型的な固定翼航空機として乗り降りできる航空機を作ろうとしているとしましょう。通常は、プロペラに集団ピッチを変更する必要があります。電気推進では、プロペラの束(私は12以上を意味する)を持つことができます。プロペラはそれぞれ、特定の飛行モードに適したねじれ分布で仕立てます。提案されたNASAデザインを見てください( http:// aero.larc.nasa.gov/files/2012/11/Distributed-Electric-Propulsion-Aircraft.pdf )、DARPA X-Planeプログラムで進化したオーロラフライトサイエンスによる別の設計( http://www.darpa.mil/news-events/2016-03-03 )、またはLilium Aviationの最近のデザイン( http://lilium-aviation.com/ )があります。これらのすべてがコンセプトであることを考えると、まだ作業設計では何も証明されていませんが、多くの人々が分散型電気推進システムによって可能性を検討しているようです。リチウム硫黄電池の予想される出現は、ここでも大きな意味を持つはずです。これらのバッテリーは〜500kWh/kgの容量を持つことが期待されていますが、2019年は大容量のLi-Sバッテリーが市場に出る予定です。

Finally, one thing about engines is that their efficiency can vary dramatically depending on how they are being run (i.e., the load on the engine, RPM, etc.). This excerpt from a German textbook is, unfortunately, in German (https://books.google.com/books?id=QAGHZPVnnSAC&pg=PA540#v=onepage&q&f=false), but the basic idea is reflected on a Wikipedia page where the plot is reproduced in English (https://en.wikipedia.org/wiki/Consumption_map). On the vertical axis is power output of a spark-ignition engine, the horizontal axis is the RPM that the motor is being run at, the the contours are, essentially, fuel consumption. The long and the short of it is that, if you have any change in the engine's load or what RPM it's running at, it's not running at its most efficient. This would be the case for your typical non-hybrid propulsion, where load and RPM vary with flight condition. However, if we decouple flight condition (i.e., desired cruise speed, throttle setting, prop speed setting, prop pitch setting, etc.) from the chemical engine and let an electric motor (which has a much higher efficiency than a chemical engine) deal with these variations, we can, conceivably, run the chemical engine within an optimal performance range (some variation will probably be needed if power output is excessive, but that's a design problem wherein you'd try to size the engine for its most efficient in cruise, I'd think). That's a fuel savings for us, plus a decrease on engine wear because it doesn't have to see all the throttle variations typically present in normal flight.

これは典型的な飛行機(小さなRPMバンド)の場合ではありませんが、Aurora、Lilium、NASAがプレイしてVTOL/STOVL機を作るゲームをプレイすることに決めたらどうなりますか?エッジワイズとアキシャル飛行のプロペラを飛行させることの違いは劇的であり、RPM制御は多くの違いを生み出し、可変ピッチプロペラの必要性を取り除く可能性があります。ツイストディストリビューションを正しく設計し、RPMを変更するだけで、両方のレジームで許容できる効率を得ることができます(少なくとも低速の場合)。 NASAのように、固定翼クルーズと垂直飛行には2種類のプロペラを使用し、それぞれは特定の飛行体制に最適化されています。私はそれが簡単だと言っているわけではない...ちょうどその電気推進が機会を提示する。

しかし、はい、重量と技術は大きな懸案事項です...そして、あなたはこれまでに建設された電気航空機で見ることができます。ホタル(シコルスキーの電動ヘリコプター)の最大耐久力は15分だと思います。 Helios( https://www.nasa.gov/centers /armstrong/news/FactSheets/FS-068-DFRC.html )はすっきりした航空機ですが、太陽電池/燃料電池ハイブリッドとして機能するように設計がいかに軽薄かを見ています(すなわち、太陽光あなたは軽量で高アスペクト比の航空機を作る必要があります)。 Gamera-Sは、メリーランド大学で開発中のソーラーパワークワッドコプコッターです(下記参照)が、フレームがどれほど疎なのかを見てください - 重量はこれらの航空機にとって大きな問題です。電池や太陽からシリアルハイブリッドは、(エンジン重量、燃料重量、潤滑システム重量などを導入するので)その問題を取り除くことはできませんが、上記のように、あなたにはいくつかの特典を与えることができます。

<div class="youtube-embed"><div> <iframe width="640px" height="395px" src="https://www.youtube.com/embed/nP03nHievKM?start=0"></iframe> </div></div>

1
追加された
あなたは、ゲームを変えようとしている「今最高のLi-polyの約2倍」とどう思いますか?最良のLi-pol電池とJet-Aとの間の比エネルギーの差は2桁大きい!
追加された 著者 Jan Hudec,
それは事実で、私はLi-Sバッテリーがすぐに革命を起こすとは思わないでしょう。しかし、私は小型の有人/無人航空機(または、低密度燃料の極低温貯蔵などの他のアイテムの重量が燃料システムの重量を増やすNASAの報告書でさえも)の可能性を検討しています。潜在的なGAの領域の例は、e-Genius(本質的にモーターグライダー - ifb.uni-stuttgart.de/egenius/index.html )またはE-Fan(より一般的な航空機 - youtube.com/watch?v=lavvVN7fSEU )。
追加された 著者 arober11,