كيف يمكن لتقنية السيارات الكهربائية الفائقة أن تعيد السفر الجوي الأسرع من الصوت (أخيرًا!)
يمكن لمحركات السيارات مثل أستون مارتن فالكيري أن تصلح أكبر عيب أدى إلى توقف كونكورد.
فصلت 66 عامًا بين أول رحلة للطيران للأخوين رايت وإطلاق طائرة الركاب الأسرع من الصوت كونكورد. لذلك، يشعر المهندس/المتفائل بداخلي بخيبة أمل عميقة لأن سرعات السفر الجوي قد تباطأت فقط في الربع قرن تقريبًا منذ أن حلقت كونكورد الرشيقة آخر مرة. يفتخر عشاق السيارات: بعد عقود من الابتكار في مجال الطيران الذي تدفق إلى السيارات (شواحن توربينية، ألياف كربونية، ديناميكا هوائية، سيراميك)، يبدو أن عالم السيارات مستعد للرد - بشكل مثير للإعجاب.
كان العيب الحقيقي لطائرة كونكورد الأسرع من الصوت هو شغف محركاتها الأربعة من رولز رويس (التي يمكن أن تستهلك 1-2 طن من الوقود على الأرض قبل الإقلاع!). هذا حد من مدى الطائرة، مما منعها من خدمة طرق عبر المحيط الهادئ ذات الأرباح العالية. كيف يمكن حل هذه المشكلة المعقدة؟ بالطريقة التي يمكن أن تفعلها السيارات (نوعًا ما): الهجين!
تعمل شركة أسترو ميكانيكا، التي تتخذ من سان فرانسيسكو مقرًا لها، على دمج محركات هليكسي الكهربائية مثل تلك التي تشغل صواريخ الطرق مثل أستون مارتن فالكيري، لوتس إيفيجا، زينجر 21C، وسيارة مكمرتي سبيرلينغ "سيارة المروحة"، ناهيك عن متسابقي الفورمولا E. كيف يبدو "الكهرباء" لطائرة أسرع من الصوت؟
ستقوم المحركات بتشغيل مرحلة المروحة في مفهوم محرك أسترو ميكانيكا المقترح "ديولتي" (TAE) التكيفي. تربط محركات الطائرات التقليدية ميكانيكيًا المروحة بالتوربين، مما يجبر كلاهما على العمل كحل وسط عبر ظروف الطيران المتنوعة.
يمكن لتصميم مفصول تحسين الضغط والتوليد الكهربائي بشكل مستقل - خاصة عند السرعات العالية حيث يساهم ضغط الهواء الداخل بشكل كبير في زيادة الضغط الكلي. هذا يقلل من العمل الضائع ويحسن الكفاءة العامة. تسمح مراوح الضاغط الكهربائية لنفس المحرك بالتصرف مثل مروحة توربينية عند السرعات المنخفضة (وهي حالة الفن اليوم للطيران دون الصوت)، ومروحة توربينية عند السرعات العالية (كونكورد، ميغ-21)، وشبه مثل محرك رامجيت (SR-71، صواريخ جو-جو) عند الطيران بسرعة تفوق الصوت.
من أين تأتي الكهرباء؟ بينما يوجد بطارية على متن الطائرة، فإنها تعمل فقط كعازل - كما في سيارة هجينة خفيفة. يتم توليد الجزء الأكبر من الكهرباء المستخدمة بواسطة المحركات الأربعة المحتملة في وحدتين دافعتين عند الطلب بواسطة محرك توربيني منفصل يقوم بتشغيل محركات هليكسي مشابهة تعمل كمولدات (وبالتالي تتكبد بعض خسائر تحويل الوقود إلى كهرباء).
عند السرعات العالية، يمكن أن يتم إيقاف مراحل الضاغط المدفوعة كهربائيًا في ديولتي. يمكن أن يؤدي تشغيلها مثل طواحين الهواء إلى توليد بعض الطاقة، لكن ليس من المؤكد بعد ما إذا كانت هذه الفائدة ستفوق خسائر الكفاءة بسبب قيود تدفق الهواء. يتم توفير الوقود بشكل أساسي من خلال تجنب العمل الزائد للضاغط الذي يقدمه ضغط الهواء الداخل. ومع ذلك، سيتم تصميم أي بطارية عازلة لتلبية جميع احتياجات التكييف والطاقة على الأرض، وستكون قادرة على سحب الطائرة بدون انبعاثات، مما يشغل المراوح كهربائيًا دون تشغيل التوربين الرئيسي. (يتصور المؤسس/الرئيس التنفيذي إيان بروك بطارية بسعة 40 كيلوواط ساعي ووزن 200 رطل في طائراته الأولية الأصغر).
نقطة توضيح: تم استخدام محركات هليكسي SPX242-94 الفائقة بالفعل في تجارب إطلاق إثبات المفهوم التي أظهرت تدفق العادم الأسرع من الصوت، لكن يتم تقوية محركات هليكسي من الجيل الخامس المصممة خصيصًا بناءً على أجهزة "الإنتاج الضخم" المماثلة لخدمة درجات الحرارة المنخفضة والضغط المنخفض والارتفاعات العالية. في الهواء الرقيق، من الأسهل أن تتقوس الكهرباء - بين مراحل الستاتور أو إلى الأرض. يتطلب منع ذلك مزيدًا من العزل حول لفات الستاتور. لقد طورت هليكسي محركات لمركبات إطلاق الأقمار الصناعية (كمنظمات التحكم في الطيران الأساسية)، لذا فإن الشركة لديها بالفعل محركات قادرة على العمل عند -90 درجة.
أخيرًا، على الرغم من أن المحركات تعمل بكفاءة تتراوح بين 98.4 و98.8 في المئة، إلا أن 2 في المئة من ما يقرب من ميغاوات لكل محرك لا يزال يمثل كمية كبيرة من الحرارة التي يجب إدارتها، ويتطلب الحفاظ على تصنيفات الطاقة المستمرة العالية تبريدًا متقدمًا لكل من الستاتور والمغناطيسات في الدوار، وهو ما يتم التعامل معه عبر دوائر تبريد متعددة. تعمل هذه المحركات بأقصى جهد لها خلال الإقلاع والصعود.
ملاحظة مثيرة: ستقوم المحركات بتشغيل المراوح مباشرة، لأن المحركات والمراوح مصممة بحيث تصل المحركات إلى حدها الحركي عند سرعة مشابهة تقريبًا لتلك التي تصل إليها أطراف شفرات المروحة عند حدها السريع الهوائي.
تعمل شركة أسترو ميكانيكا على جعل السفر فوق الصوتي واقعًا خلال عقد من الزمن - حيث تطور أنظمة كبيرة وسريعة وغير مأهولة أولاً. لكن الهدف على المدى الطويل هو الرحلات الجوية فوق الصوتية للركاب بأسعار قريبة من أسعار التذاكر الاقتصادية اليوم. لتحقيق هذا الهدف الذي طال انتظاره، تقترح بروك نهجًا ثلاثي الجوانب.
الكفاءة المحسّنة بشكل كبير لـ Duality هي الجانب الأول الواضح. الثاني سيكون تزويد Duality بالغاز الطبيعي المسال (LNG). إنه أرخص بكثير من وقود الطائرات من حيث الطاقة، ويقدم طاقة نوعية أعلى يمكن أن تمدد المدى في الطائرات المصممة لذلك، وينتج تقريبًا 20-30 في المئة أقل من CO₂ عند الاحتراق. لكن تنفيذ بنية تحتية للتزود بالوقود بالغاز الطبيعي المسال سيستغرق سنوات إن لم يكن عقودًا.
الطريقة الثالثة التي تتصورها أسترو ميكانيكا لتقليل تكاليف السفر فوق الصوتي هي من خلال اعتماد نموذج عمل يقع في مكان ما بين خدمة الطائرات الصغيرة المجدولة مثل JSX (المعروفة سابقًا باسم JetSuiteX) ونموذج "أوبر للسفر الجوي" باستخدام طائرات نفاثة فوق صوتية صغيرة (تتسع من خمسة إلى ثمانية ركاب) تعمل من مطارات أصغر.
ما هي السرعة التي نتحدث عنها، ماذا عن الانفجار الصوتي، وما هو مادة السطح؟ تستهدف أسترو ميكانيكا سرعة ماخ 2.25-2.70 (1,726-2,072 ميل في الساعة، وهو أعلى بكثير من سرعة كونكورد البالغة 1,354 ميل في الساعة). ستكون طائراتها أخف وزناً وشكلها مصمم بشكل أفضل لتوزيع الرفع، مما ينبغي أن يجعل مخروط الانفجار الصوتي الذي يتبع الطائرة أصغر وأهدأ بكثير - خاصة عند سماعه من ارتفاع الطائرة البالغ 60,000 قدم.
تلك السرعة سريعة جدًا بالنسبة لهيكل كونكورد المصنوع من الألمنيوم (300 درجة كحد أقصى)، والتيتانيوم (660 درجة) المستخدم في SR-71 بلاك بيرد يصعب تشكيله في شكل هوائي مثالي. لذا تتوقع بروك استخدام هيكل من التيتانيوم مغطى في الغالب بألياف الكربون في راتنج حراري يسمى بيسماليميد (أو BMI - 480 درجة)، مع استخدام التيتانيوم فقط حيث تكون حرارة السطح أكبر - مثل حواف الأجنحة.
بالعودة إلى تلك المحركات، لدى أسترو ميكانيكا خطة لتزويد محركات Duality بالإضافة إلى الطائرات الكاملة. قد تنتهي هليكس بتزويد المحركات (وماكلارين بمحوّلات الكربيد السيليكون) كما هي اليوم، لكن الشركة قد ضمنت أيضًا موردين آخرين.
ما الدروس التي قد تكون هليكس قد تعلمتها من تطبيقاتها في مجال الطيران والتي يمكن أن تُترجم إلى السيارات الكهربائية على اليابسة؟ يشير المهندس الرئيسي ديريك جوردانو-بيلي إلى الهيكل الثلاثي ثلاثي الطور كواحد كبير (ثلاثة محولات لكل محرك، وهو حاليًا أفضل طريقة لتزويد تيار كافٍ باستخدام بنية 800-900 فولت الحالية). كانت تقنيات الاتصال عالية الجهد الجديدة من هليكس أيضًا حاسمة لتحقيق كثافة الطاقة المستمرة العالية التي تتطلبها Duality، ومن المحتمل أن تجد طريقها إلى رياضة السيارات والسيارات عالية الأداء. في غضون ذلك، فإن دمج نظام التبريد من نوع رياضة السيارات في هيكل محرك يعتمد أكثر على السلع يمثل تقدمًا آخر مع إمكانية تحقيق عائد في السيارات على الطرق أو في الفورمولا E.
متى ستتمكن من استدعاء رحلة فوق صوتية "هجين"؟ تتوقع بروك أن تطير الطائرات خلال السنوات القليلة المقبلة لكنها تعترف أنك لن تتمكن من استدعاء رحلة فوق صوتية مدعومة بالغاز الطبيعي المسال بأسعار معقولة قبل منتصف الثلاثينيات على الأقل.
من بين الشركات الخمس التي تعمل على السفر فوق الصوتي، أُعجب بشدة باستراتيجية شركة أسترو ميكانيكا لتعزيز الكفاءة. إن حقيقة أنها تراقب عن كثب "المحرك المالي" اللازم لتمويل الشركة خلال هذه المرحلة من التطوير تعتبر مشجعة أيضًا - حيث تم توقيع العديد من العقود لتسليمات قريبة المدى لم يكن بإمكان بروك التحدث عنها.
بعد أن سافرت شخصيًا لأكثر من 4.8 مليون كيلومتر على خطوط دلتا، متباطئًا بسرعة متوسطة تبلغ 900 كيلومتر في الساعة، لا أستطيع الانتظار لتجربة الطيران بسرعة ماخ. بالتوفيق، هليكس وأسترو ميكانيكا!
