É possível substituir os freios nos aviões por motor elétrico / gerador?

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Seria viável substituir os freios nos aviões por motores elétricos / geradores?

Existem dois problemas que vejo nos aviões. Quando eles pousam, os pneus não estão girando para coincidir com a velocidade do solo, como a embarcação toca o chão. Então, há uma sacudida repentina quando os pneus tocam o chão e de repente começam a girar. Quanto maior a nave, maior a massa de pneus que deve ser instantaneamente acelerada.

Isso perturba a estabilidade do vôo, e a sacudida pode ser suficiente para causar um acidente ou acidente em más condições de pouso. Também causa desgaste desnecessário e estresse aos pneus devido à borracha imóvel arrastando-se pelo pavimento da pista no primeiro contato.

Seria melhor que os pneus fossem girados para coincidir com a velocidade do solo antes que a embarcação tocasse o solo, para o pouso mais suave possível.

A segunda parte é simplesmente o problema da dissipação de calor. Foi discutido em outro lugar aqui que o calor da frenagem pode causar incêndios e acidentes.

Como nas locomotivas de trem, com um motor / gerador de freio, o calor poderia potencialmente ser movido para outro lugar para bobinas de calor resistivas cobrindo uma área grande e resfriado usando impulso para frente ou ventiladores.

Com uma unidade de motor / gerador, os pneus podem ser girados para uma velocidade aproximada ou igual à do solo, usando-os como motores acionados pela APU, e então comutados para serem usados como geradores para a frenagem após o contato com o solo. / p>

Isso já foi pesquisado ou usado em aviões?

(Como um americano de classe média baixa que não está envolvido na indústria de aviões, eu não tenho esperança de fazer nada com isso ou lucrar com isso, mesmo que seja um conceito novo prático e potencialmente patenteável que nunca tenha sido experimentado antes.)

EDITAR

  1. Não estou falando de frenagem regenerativa ou recuperação de energia em uma bateria de armazenamento. Alguém inferiu isso, embora eu não tenha dito nada sobre isso.

    Eu entendo que a bateria de armazenamento provavelmente seria muito mais peso extra para um avião carregar, contra a recuperação de energia de decolagem e pouso. (Heh, tem um cabo de extensão separável de 2000 pés em um carretel, para conduzi-lo pela pista e desconecte imediatamente antes que ele saia do chão.)

    Estou olhando apenas para a frenagem resistiva / dinâmica, jogando o calor em grandes bancos de resistores com um ventilador de alta velocidade, o mesmo que é usado em locomotivas de trem. Em um avião, o ar sangrado dos motores pode soprar através dos bancos de resistores.

  2. Provavelmente deve pluralizar o título. Em vez de um único motor / gerador enorme, cada conjunto de freio seria substituído por um separado destes.

    Assim, um avião grande com 20 rodas teria 20 unidades motoras / geradoras, funcionando em alta tensão para manter os amplificadores e o diâmetro do fio pequenos. Isso reduz o peso e a complexidade de engenharia, eliminando engrenagens e eixos que ligam todas as rodas de um conjunto de engrenagens a uma grande unidade motor / gen.

  3. Não são dois dispositivos separados, mas um dispositivo que executa as duas funções. A maioria (mas não todos) de motores elétricos genéricos sem sistemas de acionamento eletrônico também pode ser um gerador.

    Isso pode usar um motor de imã permanente ou com uma bobina de campo energizada. O neodímio é capaz de uma densidade de fluxo extremamente alta, mas perde quando exposto a altas temperaturas, portanto, há compensações de densidade / temperatura de bobinas de campo permanentes vs alimentadas.

  4. O cubo do pneu poderia ser integrado como parte do motor / gen rotor / carcaça para economia de peso (que é muito importante em aeronaves), usando um núcleo fixo e um cubo que gira em torno dele ao contrário do motor convencional design.

por Dale Mahalko 26.12.2016 / 01:26

3 respostas

Em um carro híbrido ou totalmente elétrico, os motores nas rodas suplementam ou substituem o motor e, regenerando a eletricidade da frenagem, amplia o alcance da bateria.

Em uma aeronave, os motores ainda seriam necessários para a maior parte da vida útil da aeronave - o tempo enquanto ela estiver em vôo. Assim, ao contrário do caso de um carro, você não obtém nenhuma vantagem com os próprios motores adicionando o motor / geradores às rodas.

Além disso, em uma aeronave de grande porte, a eletricidade é abundante quando você tem motores a jato girando, então o que é ganho com a regeneração da eletricidade das rodas, durante os 60 a 90 segundos de frenagem pesada na aterrissagem, não é tudo? isso é significativo quando comparado com a eletricidade usada e produzida ao longo de todo um vôo. Não é tão importante quanto uma unidade na cidade com muitos ciclos de aceleração para acelerar e depois desacelerar até parar, de novo e de novo.

Além disso, os principais participantes são o peso e a complexidade adicionais do motor / geradores, em comparação com os ganhos em termos de (a) vida útil dos pneus, de girá-los antes do pouso e (b) combustível economizado por manobras. no chão dos motores das rodas em vez dos motores a jato. Quando você considera que os custos do combustível de aviação são da ordem de US $ 1.000 a vários milhares de dólares por hora de vôo, a economia de custos de maior vida útil do pneu perderá se o peso extra dos geradores do motor sobre os freios convencionais Gastar mais dinheiro ao longo do vôo para carregar o peso extra. Da mesma forma, o combustível queima durante o táxi em & Taxi nossos nos motores não é tudo o que ótimo em comparação com uma hora ou muitos de cruzeiro de alta potência ... configurações de energia para táxi estão perto ou em marcha lenta, por isso o consumo de combustível não é tão alto. Além disso, é comum taxiar sem que todos os motores funcionem, reduzindo ainda mais a queima de combustível no solo.

O grande assassino para essa ideia é a penalidade de peso. Os geradores de motor são significativamente mais pesados do que os freios convencionais e, quando você considera a quantidade de energia que os freios precisam absorver durante uma parada em alta velocidade, você precisa de geradores bastante robustos para realizar o que os freios de avião podem fazer. Ou então, você teria freios convencionais instalados para suplementar os geradores e o peso aumentaria ainda mais.

Como um estádio, em uma hora de vôo em um 737, um peso extra de 1000 libras aumenta o combustível queima em cerca de 10 libras, ou cerca de 1,5 litros. Não parece muito, mas quando você multiplica os tempos de peso adicionados a cada hora de vôo em que a aeronave é operada ao longo de um ano, ela realmente aumenta. Além disso, os motores / geradores são muito mais complexos do que os simples freios, por isso, seriam mais caros inicialmente e exigiriam mais manutenção durante toda a sua vida útil. Além disso, eu suspeito, eles precisariam ser suplementados por freios convencionais que seriam usados no caso de uma parada de esforço máximo em alta velocidade (decolagem rejeitada, aterrissagem em uma pista curta).

O resultado final de tudo isso é que nenhum fabricante que eu conheço descobriu que as compensações fazem esse tipo de projeto valer a pena.

O melhor caso é provavelmente um dos tempos de táxi realmente longos , mas, nesse caso, um rebocador pode rebocar a aeronave até um ponto próximo da pista, salvando o queima de combustível nos motores da aeronave até a hora de iniciá-los. Tenho certeza de que isso também foi considerado e, novamente, não conheço nenhuma operadora que use essa abordagem (embora fora dos EUA, alguém possa estar).

É uma questão interessante, mas os custos e & a matemática por trás da engenharia não funcionou a seu favor, pelo menos até agora.

    
26.12.2016 / 02:54

viável? Talvez. Sensível Claramente não.

Vamos primeiro olhar para as energias envolvidas: Travar um Boeing 747 para uma parada completa mudará sua energia cinética em 276,4 kWh. Arraste e atrito talvez engole 20% disso, então temos 221 kWh ou 795,6 MJ para converter em eletricidade em 30 segundos. Isso significa que os geradores devem ser dimensionados para uma carga de 26,5 MW. Se você puder viver com uma distância de desaceleração mais longa, o gerador terá mais tempo para aplicar seu arrasto e poderá ser menor para o mesmo poder geral de parada, mas será difícil fazer com que seus futuros pilotos aceitem que seu projeto agora precisará de muito mais tempo pista de decolagem.

Achei difícil encontrar fontes on-line para a massa de geradores de aviação, e o melhor até agora foi resposta de janeiro aqui e esta página da EAA . Parece que um starter / generator leve pode ter 5kW de potência por kg de massa, então o gerador de 26,5 MW deve pesar 5,3 toneladas.

O próximo passo será o armazenamento de energia: Para manter a energia recuperada para a rolagem e a próxima corrida de decolagem, a bateria precisará pesar 800 kg (assumindo 1 kg de massa da bateria por MJ de energia armazenada). É claro que a eficiência do gerador e do conversor de CC estará abaixo de 100%, então talvez a bateria possa ser um pouco mais leve. Uma eficiência geral de 70% exigirá apenas 560 kg para a bateria.

Quanta massa de freio e combustível pouparia? Novamente, as massas de freio de aeronaves são difíceis de encontrar on-line, e eu não queria passar por um dimensionamento correto do freio a disco . . Mas aposto que é uma pequena fração da massa do gerador - talvez 10%! Com 43 MJ / kg e talvez um quarto da eficiência dos motores de rodas elétricas, o combustível necessário é de apenas 75 kg. Aqui eu assumi que estamos alimentando 800 MJ nos motores das rodas e tentamos alcançar uma aceleração equivalente com motores a jato convencionais. Agora, considere que este combustível não está mais sobrecarregando a aeronave pelo restante de sua viagem enquanto as baterias e geradores ainda precisam ser carregados.

Portanto, parece que a solução convencional tem 10% da massa de um freio gerador adequado e precisa de apenas 75 kg de combustível, mesmo para os maiores aviões de passageiros. Carregando o gerador e a bateria ao redor, use muito mais combustível ou exija que nosso 747 hipotético carregue menos 61 passageiros. Nenhuma companhia aérea pode aceitar isso!

Em relação ao giro da roda no toque, você diz:

This disrupts flight stability, and the jolt could be enough to cause a crash or mishap in poor landing conditions. It also causes unnecessary wear and stress to the tires due to the motionless rubber

Sim, o spin-up faz com que parte da borracha se queime (apenas observe o pouso de um avião - o aumento é sinalizado por uma nuvem de fumaça e marcas de derrapagem na pista) mas eu não me preocuparia sobre a estabilidade do vôo, uma vez que a aeronave está no chão. Mesmo freios de roda travados não são um perigo real para a segurança de vôo em engrenagens de triciclo modernas.

    
26.12.2016 / 11:34

Não é possível ver mencionado no tópico outro problema seria aquaplaning em uma pista molhada. É melhor pousar com força e deixar os pneus derraparem através do filme de água na pista. Os pneus estariam atrasados no contato com a pista em clima úmido se estivessem acelerados antes do pouso.

    
19.01.2017 / 11:09