Gli aeromobili civili moderni destinati ai vettori aerei commerciali non devono solo presentare caratteristiche di elevate prestazioni, ma devono anche essere contraddistinti da bassi costi di esercizio. Quando si creano nuovi campioni di tali apparecchiature, viene presa in considerazione la necessità di ridurre tutti i costi di base e emergono costantemente nuove opzioni per ridurre i costi di manutenzione e voli. Un'interessante versione del transatlantico, in grado di mostrare un'efficienza speciale, è stata proposta quest'anno dalle organizzazioni NASA e DLR. Un progetto concept promettente si chiama eRay.
La National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti e il Centro tedesco per l'aeronautica e lo spazio (DLR) danno un contributo significativo allo sviluppo dell'aviazione in tutte le principali categorie, compresa l'aviazione commerciale, responsabile del trasporto di persone e merci. Gli specialisti di queste organizzazioni sono costantemente alla ricerca di nuove idee, formulano nuove proposte e le testano. Nell'estate di quest'anno, le due organizzazioni hanno presentato il concetto di un velivolo promettente in grado di mostrare caratteristiche di alte prestazioni con indicatori economici aumentati.
Il nuovo progetto con il titolo provvisorio eRay veniva elaborato con una riserva per il futuro. Nel formulare i requisiti per esso, sono state prese in considerazione le previsioni relative allo sviluppo dell'aviazione commerciale fino al 2045. Le previsioni attuali mostrano che a quest'ora nei paesi sviluppati e in via di sviluppo, il traffico passeggeri e merci crescerà in modo significativo. A questo proposito, sarà richiesto lo sviluppo della rete degli aeroporti e la soluzione di varie questioni organizzative. Inoltre, per supportare il trasporto sarà necessaria una nuova tecnologia aeronautica con capacità caratteristiche. In termini di caratteristiche, dovrebbe superare i campioni esistenti.
La NASA e il DLR ritengono che gli aerei commerciali del futuro dovrebbero essere il 60% più economici di quelli attuali. Dovrebbe essere in grado di funzionare in piccoli aeroporti, oltre a distinguersi per la riduzione del rumore e la facilità d'uso. Nella loro ricerca e relazione su di esso, gli autori del nuovo progetto hanno utilizzato l'aereo di produzione esistente Airbus A321-200 come una sorta di riferimento. Un promettente eRay avrebbe dovuto avere parametri simili di capacità e capacità di carico, ma allo stesso tempo mostrare vantaggi in tutte le altre aree.
Il concetto eRay non è ancora destinato a un design a tutti gli effetti con il successivo avvio della produzione e del funzionamento delle apparecchiature. A questo proposito, gli specialisti delle organizzazioni scientifiche sono stati in grado di non limitarsi e utilizzare le idee più audaci che non sono ancora pronte per l'attuazione pratica. È stato l'uso di tali soluzioni che ha permesso di risolvere i compiti assegnati e "creare" una nuova versione dell'aereo del futuro.
Secondo le previsioni più ottimistiche, l'aereo eRay sarà il 30% più leggero dell'A321 di produzione. L'efficienza della centrale è aumentata del 48%. L'efficienza energetica complessiva del consiglio aumenta del 64%. Va notato che per ottenere tali risultati, scienziati e designer hanno dovuto non solo introdurre nuove idee, ma anche abbandonare le loro solite soluzioni. Di conseguenza, il rivestimento proposto differisce notevolmente dai rappresentanti moderni della sua classe.
Il progetto eRay propone la costruzione di un velivolo ad ala bassa cantilever con ala a freccia. Viene fornita un'unità di coda, incluso solo uno stabilizzatore con una grande V trasversale. Non c'è chiglia. In modo originale, per la necessità di migliorare l'efficienza, è stato risolto il problema della disposizione degli elementi della centrale. Le sue singole unità sono posizionate in diverse parti dell'ala, così come nella coda della fusoliera.
La fusoliera dell'aereo, in generale, ricorda le unità delle macchine esistenti. Si propone la costruzione di una struttura interamente metallica ad alto allungamento con forma aerodinamica. La parte di prua è data sotto il pozzetto e i locali tecnici, alle spalle dei quali si trova un ampio salone con sedute passeggeri. Sotto l'abitacolo è previsto un volume per il carico, prima di tutto per i bagagli. La sezione di coda deve ospitare uno dei motori della centrale.
Si propone di attraccare aerei spazzati con la fusoliera. L'ala ottiene un profilo ottimale, e sulla maggior parte della sua superficie non sono presenti elementi in grado di disturbare il flusso. Sui bordi d'attacco e d'uscita dell'anta è prevista la meccanizzazione di tipo tradizionale. Alle estremità, i progettisti hanno posizionato una coppia di motori turbogetto by-pass con l'attrezzatura necessaria.
Invece dell'empennage tradizionale, il progetto eRay utilizza un sistema insolito. All'estremità posteriore della fusoliera, è installato un canale anulare conico per l'elica di spinta della centrale elettrica. Ai lati di questo canale, i progettisti hanno posizionato due piani stabilizzatori installati con una significativa V trasversale. Non c'è chiglia. Il controllo dell'imbardata deve essere effettuato modificando la spinta dei motori alari o mediante la meccanizzazione dell'ala.
Secondo i calcoli della NASA e del DLR, tre quarti dell'aumento dell'efficienza energetica possono essere raggiunti solo attraverso l'aerodinamica. Ad esempio, il 13% dell'aumento complessivo dell'efficienza è fornito dal flusso laminare attorno alla fusoliera. Portando l'apertura alare a 45 m si ottiene un aumento di un altro 6%. L'abbandono della chiglia accorcia la superficie della cellula, riducendo la resistenza dell'aria.
Tuttavia, il compito di ridurre lo spreco "extra" di energia è risolto non solo dall'aerodinamica. Quindi, è stata considerata la possibilità di rimuovere i finestrini laterali dell'abitacolo. In questo caso, il design della fusoliera è notevolmente semplificato, il che porta al suo peso più leggero e a una corrispondente riduzione dei requisiti per i motori. Tuttavia, tale innovazione non è considerata obbligatoria, poiché ai passeggeri potrebbe non piacere. È improbabile che un vettore voglia ottenere l'efficienza energetica, ma rimanere senza clienti.
Il progetto eRay prevede di dotare il velivolo di una centrale elettrica ibrida. L'ala dovrebbe essere dotata di motori a turbogetto che generano spinta dai gas, oltre a guidare una coppia di generatori elettrici. L'elettricità attraverso i convertitori necessari deve essere fornita alle batterie e al motore di coda. Il vantaggio principale di una tale centrale elettrica è la capacità di modificare in modo flessibile i parametri generali di spinta per ottenere il consumo di carburante ottimale corrispondente all'attuale regime di volo.
La NASA e il DLR vedono un paio di turboreattori bypass come base per la centrale elettrica di eRay. I prodotti con prestazioni sufficienti e dimensioni ridotte sono proposti per essere posizionati nelle estremità alari. Nell'ambito del progetto, è stata studiata l'applicazione di motori con un sistema di scambiatori di calore, riscaldando l'aria atmosferica in ingresso a causa dei gas dietro la turbina. In alcune modalità, ciò consente di ridurre il consumo di carburante del 20%.
Gli esperti delle due organizzazioni hanno esaminato i dispositivi elettrici esistenti dei tipi richiesti e hanno tratto alcune conclusioni. Si è scoperto che i generatori, le batterie e i motori esistenti consentono di costruire una centrale elettrica per eRay, ma le sue caratteristiche saranno tutt'altro che desiderate. Per ottenere parametri ottimali sono necessarie nuove tecnologie e soluzioni. In particolare, si sta valutando la possibilità di sfruttare l'effetto della superconduttività, che può influenzare i parametri di un motore elettrico.
Gli accumulatori esistenti inoltre non consentono di creare un aeromobile con i parametri desiderati. Le tecnologie del livello 2010 forniscono una densità energetica dell'ordine di 335 W * h / kg. Entro il 2040, questo parametro dovrebbe crescere fino a 2500 W * h / kg. Tuttavia, a breve termine, bisogna affidarsi a batterie con caratteristiche più modeste di circa 1500 W*h/kg. Secondo i calcoli, la centrale combinata con motori elettrici e turbogetto fornirà una durata di volo di almeno 6-7 ore e un'autonomia di oltre 6.000 km.
Il report sul progetto eRay concept fornisce dati interessanti che mostrano le potenzialità di tale tecnica. I progettisti hanno calcolato i principali indicatori di prestazione di diverse apparecchiature risolvendo lo stesso problema. Il velivolo A321, nell'effettuare un volo “di riferimento” a una distanza di 4.200 km, dovrebbe consumare complessivamente poco meno di 84,5 MW di energia. Per fare questo, ha bisogno di 15881 kg di carburante. L'aereo spende 2,36 litri di carburante per trasportare un passeggero ogni 100 km. Per il promettente aereo eRay, secondo i calcoli, il consumo totale di energia raggiunge i 39,57 MW: si tratta di 5782 kg di carburante. Per trasportare un passeggero ogni 100 km sono necessari solo 0,82 litri di carburante. Pertanto, nelle condizioni date, la macchina promettente risulta essere più efficiente del 65,3% rispetto al modello seriale.
Uno dei modi per migliorare l'efficienza energetica consiste nell'utilizzare saggiamente lo spazio nell'abitacolo. NASA e DLR offrono tre opzioni per la cabina di pilotaggio di linea con diverse capacità. Consideriamo innanzitutto la cabina di classe economica, creata sulla base della cabina A321. In questo caso i sedili sono installati in file da 3 + 3 con corridoio centrale. In questa configurazione, l'aereo trasporta 200 persone. Nella configurazione Premium Economy, la capienza è aumentata a 222 passeggeri, per i quali vengono utilizzati sedili diversi e viene ottimizzata la distribuzione dei volumi disponibili. È stata inoltre elaborata una variante con saloni di tre classi. La classe business ospita 8 posti, mentre "economy" ed "economy-slim" ospitano rispettivamente 87 e 105 passeggeri.
Nella forma proposta, l'aereo eRay ha una lunghezza di 43,7 m, l'apertura alare è di 38 m nella configurazione base o di 45 m in quella avanzata, il che conferisce un certo aumento dell'efficienza energetica. Il peso dell'aereo vuoto è determinato in 36,5 tonnellate, il peso massimo al decollo è di 67 tonnellate, il carico utile è di circa 25 tonnellate, di cui 21 tonnellate di passeggeri e 4 tonnellate di bagagli. Le prestazioni di volo dipendono dagli elementi della centrale elettrica utilizzata. In generale, dovrebbero essere al livello dei modelli esistenti di aviazione commerciale.
***
Il concetto eRay, presentato quest'anno da importanti organizzazioni di ricerca negli Stati Uniti e in Germania, è in effetti un altro tentativo di trovare modi per sviluppare ulteriormente l'aviazione passeggeri. Come giustamente notato nella relazione del progetto, in futuro ci saranno nuovi requisiti per l'aviazione commerciale e i vettori avranno bisogno di nuovi modelli di apparecchiature con capacità speciali. La ricerca di soluzioni a questo problema non si ferma e il progetto eRay offre ancora una volta spunti originali di un tipo o dell'altro.
Nel progetto NASA e DLR, gli obiettivi principali erano aumentare l'efficienza energetica e migliorare l'aerodinamica, che dovrebbe influire positivamente sull'efficienza complessiva del velivolo. Per ottenere tali caratteristiche, viene proposto uno speciale design della cellula, che combina soluzioni nuove e ben controllate, nonché un'insolita centrale elettrica ibrida basata su componenti dissimili. I calcoli mostrano che il consumo ottimale di energia del carburante in combinazione con una migliore aerodinamica dovrebbe aumentare sia il volo che le prestazioni economiche dell'attrezzatura.
Tuttavia, finora tutti questi risultati rimangono “sulla carta”. Il concetto di eRay liner, come altri sviluppi del genere, ha un grave difetto e i suoi autori lo sanno bene. Al momento e nel prossimo futuro, i designer non saranno in grado di realizzare tutti i vantaggi del concetto proposto. Il raggiungimento degli obiettivi prefissati è ostacolato dalla mancanza delle tecnologie necessarie. Pertanto, l'idea di un motore turbogetto con scambiatori di calore e potenza erogata a un generatore necessita di ulteriori elaborazioni e prove pratiche. Le batterie con le caratteristiche desiderate non sono ancora disponibili e il caratteristico aspetto aerodinamico del velivolo deve confermare le sue capacità nel corso di vari studi.
Lo sviluppo della tecnologia necessaria per costruire un vero aereo eRay è costoso e richiede tempo. Gli autori del progetto ne sono ben consapevoli e quindi stanno considerando un velivolo promettente nel contesto dello sviluppo dell'aviazione nei prossimi decenni, fino al 2040-45. Credono che a questo punto la scienza creerà i componenti necessari e condurrà tutta la ricerca richiesta, che consentirà l'implementazione di nuovi concetti: eRay o altri progetti.
Il progetto concept NASA/DLR eRay - per il suo scopo specifico - non può essere considerato un successo o un fallimento. Il suo obiettivo era determinare i percorsi per lo sviluppo dell'aviazione civile commerciale e trovare il design ottimale che soddisfi i requisiti del futuro. Scienziati e ingegneri dei due paesi hanno studiato attentamente la domanda attuale e hanno presentato la propria versione della risposta. È del tutto possibile che alla fine degli anni Trenta velivoli simili all'attuale eRay decolleranno effettivamente. Tuttavia, lo sviluppo dell'aviazione può andare in altri modi e quindi i futuri aerei di linea avranno somiglianze con altri concetti del nostro tempo.
