航空機推進システムにおける新たなパラダイムである電化は、第二次世界大戦後のジェットエンジンのように航空業界に大きな影響を与える可能性があります。電気飛行はパワーエレクトロニクスの次の革命であり、二酸化炭素排出量の削減、騒音の低減、航空機の運航コストの削減を約束します。
パワーエレクトロニクスとエネルギー密度の技術的進歩により、航空機の電動化は概念から現実へと進化しています。電動化は現在、自動車業界に変革をもたらしており、これは別の大きな輸送分野である航空宇宙分野に革命を起こす技術ロードマップの作成に役立っています。
図1: 設計エンジニアは、航空機の電動化の主要な構成要素を磨くために、多くの作業を行っています。
飛行機での移動は特に大きな二酸化炭素排出量を生み出すため、灯油を動力源とするガスタービンや発電機からバッテリー電源への切り替えは、地球温暖化対策の重要な取り組みとなります。 欧州連合のデータによると、航空業界は欧州全体の温室効果ガス排出量の約3％、世界全体の排出量の2％以上を占めています。
しかし、電気航空機は現在どのような状況にあり、今後数年間で具体的にどのような進歩を遂げることができるのでしょうか?この記事では、電気飛行が直面する技術的な課題について詳しく説明します。また、 推進システム、エネルギー貯蔵、熱管理における航空機の電動化の進歩についても検討します。
電気航空機の課題
まず、電気航空機を実現するためには、バッテリーは エネルギー密度が高くなり、耐用年数が長くなります。これにより、航空機の電動化における最も重要な課題の1つである、バッテリーの重量対電力比が生まれます。
バッテリーは燃料よりも大きくて重いため、航空機は飛行中ずっとバッテリーの全重量を運ばなければなりません。したがって、重要な課題は、 電池の単位重量あたりのエネルギー貯蔵容量。さらに、エンジニアは軽量で効率的な発電機を開発する必要があり、 モーター その他 パワーエレクトロニクス部品 スムーズかつ効率的に高電圧電力を変換、調整、切り替えることができます。
加えて パワーウェイトレシオ、t航空業界は安全性を非常に重視しているため、航空機のバッテリーの安全基準は乗用車よりもさらに厳しくなります。そうなると、信頼性がはるかに向上したバッテリーが必要になります。高電圧システムの安全性も大きな懸念事項です。
航空機の電動化には、既存のハードウェアおよびソフトウェア ソリューションの変革も必要です。たとえば、電気エネルギーを制御して電気モーターに伝達するには、新しいパワーエレクトロニクス システムが必要です。電気航空は、実証されていない配電システムや電気モーター、発電機に頼ることはできません。
航空宇宙産業は、エネルギー貯蔵容量とパワートレインの性能という2つの課題に取り組み始めています。しかし、これらのソリューションは、完全電気式の代替品ではなく、「より電気化された」航空機またはハイブリッド航空機を対象としています。
例えば、2017年にエアバスはロールス・ロイス社およびシーメンス社と提携し、商用航空機向けのハイブリッド電気推進システムを開発しました。このコラボレーションの成果であるE-Fan Xハイブリッド電気技術により、航空機の4つのガスタービン エンジンのうち1つがシーメンス製の2 mW電気モーターに置き換えられました。700kWのリチウムイオン電池を使用し、離陸・上昇をサポートします。
図2: E-Fan Xデモンストレーターは、高出力推進システムに関連する設計上の課題に対処することを目的としています。
航空機の電動化設計はまだ初期段階であり、必要なのはシステムエンジニアリングのアプローチです。 推進システム、エネルギー貯蔵、熱管理。これには、 暖房と冷房の要件 ポンプ、バルブ、ファンも同様です。
より多くの電気航空機
今のところ、長距離を飛行できるエネルギー容量を持つバッテリーは重すぎるため、バッテリーパックの熱に関する懸念は依然として残っています。航空宇宙産業は、硫黄イオンやリチウム空気などの新しいバッテリー技術を研究しながら、バッテリー化学を新たなレベルに引き上げるために多額の投資をしなければならないだろう。
そうなると航空業界にはいくつかの選択肢が残されることになる。まず、小型飛行機は短距離路線を飛行し、近くの都市まで乗客を輸送する空中タクシーとして運行することができます。2番、 より多くの電気ハイブリッドバージョンは、排出量の削減を通じて具体的なメリットをもたらし、モーター、発電機、その他のパワーエレクトロニクス部品の開発を完全に電気で動作させる移行を可能にします。
2020年5月、560kWの推進システムを搭載した9人乗りのセスナ・グランドキャラバンが、ワシントン州上空で30分間の全電気テスト飛行を行った。どうやら、近い将来、バッテリー技術は大型航空機には利用できなくなるようだ — ハイブリッドデザインでも — 大型の航空機を長距離飛行させるためのエネルギー貯蔵は重すぎるからです。
図3 : magni500は、全電気式セスナ グランド キャラバン用の電気推進システムです。
その結果、電気航空宇宙の主な焦点は、短距離を飛行する小型航空機となるでしょう。航空データ会社OAGによれば、世界の飛行の約45%は500マイル未満の距離を飛行している。したがって、ノルウェーとその国営空港運営会社であるアビノールが、2040年までに90分未満のすべてのフライトを電化することを約束したことは驚くことではありません。
一歩ずつ
商業分野では、 エアバスA350とボーイング787は、機内システムのいくつかにバッテリー電源を使い始めています。これには、離陸および上昇操作のための推進システムの電動化が含まれます。しかし同時に、これらの航空宇宙大手は完全電気推進の設計に取り組んでいます。
この戦略は、まずハイブリッド設計から始まり、その後、バッテリーが推進力のエネルギーを供給する全電気システムへと移行します。一方、航空宇宙産業は、バッテリーのパワー対重量比の難問を解決しなければならない。バッテリー業界の観測者は、2030年代まではそれが不可能だと考えている。
航空機の電気システムのその他の設計上の考慮事項には、配線経路、電気干渉、大容量バッテリーによって生じる熱環境などがあります。したがって、今後数年間で、短距離飛行用の電気ハイブリッドエンジンを搭載した航空機が登場する可能性が高いでしょう。
それでも、温室効果ガスの排出を削減し、航空機の騒音を下げるには良いスタートです。しかしながら、航空機の電動化への道のりは後戻りできないものである。それはフランス政府の €航空業界向けの150億ドルの救済パッケージには、 €代替燃料の研究開発に15億ドルを費やす。
