Trình diễn công nghệ cho thấy các thành phần chính của máy đạt được hiệu suất cần thiết.
Lượng khí thải carbon khổng lồ của ngành hàng không có thể giảm đáng kể nhờ điện khí hóa. Tuy nhiên, cho đến nay, chỉ có những chiếc máy bay nhỏ hoàn toàn bằng điện đã cất cánh. Động cơ điện của chúng tạo ra hàng trăm kilowatt điện. Để điện khí hóa các máy bay phản lực lớn hơn, nặng hơn, chẳng hạn như máy bay thương mại, cần phải có động cơ quy mô megawatt. Chúng sẽ được đẩy bằng các hệ thống động cơ hybrid hoặc turbo-điện trong đó một máy điện được kết hợp với một động cơ aero-turbine khí.
Để đáp ứng nhu cầu này, một nhóm kỹ sư MIT hiện đang tạo ra một động cơ 1 megawatt có thể là bước đệm quan trọng để điện khí hóa các máy bay lớn hơn. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và thử nghiệm các thành phần chính của động cơ, và cho thấy thông qua các tính toán chi tiết rằng các thành phần được ghép nối có thể hoạt động như một tổng thể để tạo ra một megawatt điện, với trọng lượng và kích thước cạnh tranh với các động cơ máy bay nhỏ hiện tại.
Đối với các ứng dụng chạy hoàn toàn bằng điện, nhóm nghiên cứu hình dung động cơ có thể được ghép nối với một nguồn điện như pin hoặc pin nhiên liệu. Sau đó, động cơ có thể biến năng lượng điện thành công cơ học để cung cấp năng lượng cho cánh quạt của máy bay. Máy điện cũng có thể được ghép nối với một động cơ phản lực phản lực cánh quạt truyền thống để chạy như một hệ thống đẩy lai, cung cấp lực đẩy điện trong các giai đoạn nhất định của chuyến bay.
Zoltan Spakovszky, Giáo sư T. Wilson cho biết: “Bất kể chúng ta sử dụng thứ gì làm phương tiện vận chuyển năng lượng — pin, hydro, amoniac hoặc nhiên liệu hàng không bền vững — không phụ thuộc vào tất cả những thứ đó, động cơ loại megawatt sẽ là yếu tố quyết định chính để xanh hóa ngành hàng không. trong ngành Hàng không và Giám đốc Phòng thí nghiệm Tua bin Khí (GTL) tại MIT, người đứng đầu dự án.
Spakovszky và các thành viên trong nhóm của ông, cùng với các cộng tác viên trong ngành, sẽ trình bày công việc của họ tại một phiên họp đặc biệt của Viện Hàng không và Du hành vũ trụ Hoa Kỳ – Hội nghị chuyên đề về Công nghệ Máy bay Điện (EATS) tại hội nghị Hàng không vào tháng Sáu.
Nhóm MIT bao gồm các giảng viên, sinh viên và nhân viên nghiên cứu từ GTL và Phòng thí nghiệm Hệ thống điện từ và điện tử MIT: Henry Andersen Yuankang Chen, Zachary Cordero, David Cuadrado, Edward Greitzer, Charlotte Gump, James Kirtley, Jr., Jeffrey Lang , David Otten, David Perreault, và Mohammad Qasim, cùng với Marc Amato của Innova-Logic LLC. Dự án được tài trợ bởi Mitsubishi Heavy Industries (MHI).
đồ nặng
Để ngăn chặn những tác động tồi tệ nhất từ biến đổi khí hậu do con người gây ra, các nhà khoa học đã xác định rằng lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu phải đạt mức 0% vào năm 2050. Để đạt được mục tiêu này đối với ngành hàng không, Spakovszky nói, sẽ yêu cầu “những thành tựu thay đổi từng bước” trong thiết kế phi truyền thống máy bay, hệ thống nhiên liệu thông minh và linh hoạt, vật liệu tiên tiến và động cơ đẩy điện khí hóa an toàn và hiệu quả. Nhiều công ty hàng không vũ trụ đang tập trung vào động cơ đẩy điện khí hóa và thiết kế các máy điện quy mô megawatt đủ mạnh và nhẹ để đẩy máy bay chở khách.
Spakovszky nói: “Không có viên đạn bạc nào để biến điều này thành hiện thực, và ma quỷ nằm trong các chi tiết. “Đây là kỹ thuật cứng, về mặt đồng tối ưu hóa các thành phần riêng lẻ và làm cho chúng tương thích với nhau trong khi tối đa hóa hiệu suất tổng thể. Để làm được điều này có nghĩa là chúng ta phải vượt qua các giới hạn về vật liệu, sản xuất, quản lý nhiệt, cấu trúc và động lực học cánh quạt cũng như điện tử công suất.”
Nói rộng ra, một động cơ điện sử dụng lực điện từ để tạo ra chuyển động. Động cơ điện, chẳng hạn như động cơ cung cấp năng lượng cho quạt trong máy tính xách tay của bạn, sử dụng năng lượng điện — từ pin hoặc nguồn điện — để tạo ra từ trường, thường là thông qua cuộn dây đồng. Đáp lại, một nam châm, được đặt gần các cuộn dây, sau đó quay theo hướng của trường được tạo ra và sau đó có thể điều khiển quạt hoặc cánh quạt.
Máy điện đã tồn tại hơn 150 năm, với hiểu biết rằng, thiết bị hoặc phương tiện càng lớn thì cuộn dây đồng và rôto từ tính càng lớn, khiến máy nặng hơn. Máy điện tạo ra càng nhiều năng lượng thì càng tạo ra nhiều nhiệt, điều này đòi hỏi các bộ phận bổ sung để giữ mát cho các bộ phận — tất cả các bộ phận này có thể chiếm không gian và tăng thêm trọng lượng đáng kể cho hệ thống, gây khó khăn cho các ứng dụng trên máy bay.
Spakovszky nói: “Những thứ nặng nề không được mang lên máy bay. “Vì vậy, chúng tôi phải nghĩ ra một kiến trúc nhỏ gọn, nhẹ và mạnh mẽ.”
quỹ đạo tốt
Theo thiết kế, mỗi động cơ điện và thiết bị điện tử công suất của MIT đều có kích thước bằng một chiếc vali ký gửi, nặng hơn một hành khách trưởng thành.
Các thành phần chính của động cơ là: một rôto tốc độ cao, được lót bằng một dãy nam châm có hướng phân cực khác nhau; một stato nhỏ gọn có tổn thất thấp vừa vặn bên trong rôto và chứa một dãy phức tạp các cuộn dây đồng; một bộ trao đổi nhiệt tiên tiến giúp các bộ phận luôn mát mẻ trong khi truyền mô-men xoắn của máy; và một hệ thống điện tử công suất phân tán, được làm từ 30 bảng mạch tùy chỉnh, giúp thay đổi chính xác dòng điện chạy qua từng cuộn dây đồng của stato, ở tần số cao.
“Tôi tin rằng đây là thiết kế tích hợp đồng tối ưu thực sự đầu tiên,” Spakovszky nói. “Điều đó có nghĩa là chúng tôi đã thực hiện một cuộc khám phá không gian thiết kế rất rộng rãi, trong đó tất cả các cân nhắc từ quản lý nhiệt, đến động lực học của rôto, đến điện tử công suất và kiến trúc máy điện đều được đánh giá theo cách tích hợp để tìm ra đâu là sự kết hợp tốt nhất có thể để có được công suất cụ thể cần thiết ở mức một megawatt.”
Trong toàn bộ hệ thống, động cơ được thiết kế sao cho các bảng mạch phân tán được kết hợp chặt chẽ với máy điện để giảm thiểu tổn thất truyền dẫn và cho phép làm mát không khí hiệu quả thông qua bộ trao đổi nhiệt tích hợp.
Spakovszky nói: “Đây là một cỗ máy tốc độ cao, và để giữ cho nó quay trong khi tạo ra mô-men xoắn, từ trường phải di chuyển rất nhanh, điều mà chúng tôi có thể thực hiện thông qua các bảng mạch của mình chuyển đổi ở tần số cao.
Để giảm thiểu rủi ro, nhóm đã xây dựng và thử nghiệm riêng lẻ từng thành phần chính và cho thấy rằng chúng có thể hoạt động như thiết kế và ở các điều kiện vượt quá nhu cầu hoạt động bình thường. Các nhà nghiên cứu có kế hoạch lắp ráp động cơ điện hoạt động hoàn toàn đầu tiên và bắt đầu thử nghiệm vào mùa thu.
Phillip Ansell, giám đốc Trung tâm Hàng không Bền vững tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, người không tham gia dự án cho biết: “Việc điện khí hóa máy bay đang gia tăng đều đặn. “Thiết kế của nhóm này sử dụng sự kết hợp tuyệt vời giữa các phương pháp thông thường và tiên tiến để phát triển máy điện, cho phép nó mang lại cả sự mạnh mẽ và hiệu quả để đáp ứng nhu cầu thực tế của máy bay trong tương lai.”
Sau khi nhóm MIT có thể chứng minh toàn bộ động cơ điện, họ nói rằng thiết kế này có thể cung cấp năng lượng cho máy bay trong khu vực và cũng có thể là bạn đồng hành với động cơ phản lực thông thường, để kích hoạt các hệ thống đẩy lai điện. Nhóm cũng hình dung rằng nhiều động cơ một megawatt có thể cung cấp năng lượng cho nhiều quạt phân bố dọc theo cánh trên các cấu hình máy bay trong tương lai. Nhìn về phía trước, nền tảng của thiết kế máy điện một megawatt có khả năng được mở rộng thành động cơ nhiều megawatt, để cung cấp năng lượng cho các máy bay chở khách lớn hơn.
“Tôi nghĩ chúng ta đang đi đúng quỹ đạo,” Spakovszky, người có nhóm và nghiên cứu tập trung vào nhiều thứ hơn là chỉ tua-bin khí, cho biết. “Chúng tôi không phải là kỹ sư điện được đào tạo, nhưng việc giải quyết thách thức lớn về khí hậu năm 2050 là vô cùng quan trọng; làm việc với các giảng viên, nhân viên và sinh viên kỹ thuật điện vì mục tiêu này có thể dựa trên bề rộng công nghệ của MIT để tổng thể lớn hơn tổng của các bộ phận. Vì vậy, chúng tôi đang tái tạo lại chính mình trong các lĩnh vực mới. Và MIT cho bạn cơ hội để làm điều đó.”
