Les aéronefs civils modernes destinés aux transporteurs aériens commerciaux doivent non seulement présenter des caractéristiques de haute performance, mais aussi se distinguer par de faibles coûts d'exploitation. Lors de la création de nouveaux échantillons de tels équipements, la nécessité de réduire tous les coûts de base est prise en compte et de nouvelles options pour réduire les coûts de maintenance et de vols apparaissent constamment. Une version intéressante du paquebot, capable de montrer une efficacité particulière, a été proposée cette année par les organisations de la NASA et du DLR. Un projet de concept prometteur s'appelle eRay.
La National Aeronautics and Space Administration (NASA) des États-Unis et le Centre allemand pour l'aéronautique et l'espace (DLR) contribuent de manière significative au développement de l'aviation dans toutes les grandes catégories, y compris l'aviation commerciale, qui est responsable du transport des personnes et des marchandises. Les spécialistes de ces organisations sont constamment à la recherche de nouvelles idées, proposent de nouvelles propositions et les testent. À l'été de cette année, les deux organisations ont présenté le concept d'un avion prometteur capable de montrer des caractéristiques de haute performance avec des indicateurs économiques accrus.
Le nouveau projet avec le titre provisoire eRay était en cours d'élaboration avec une réserve pour l'avenir. Lors de la formulation de ses besoins, les prévisions concernant le développement de l'aviation commerciale jusqu'en 2045 ont été prises en compte. Les prévisions actuelles montrent que d'ici là, dans les pays développés et en développement, le trafic de passagers et de fret augmentera considérablement. À cet égard, le développement du réseau d'aérodromes et la résolution de divers problèmes d'organisation seront nécessaires. De plus, une nouvelle technologie aéronautique dotée de capacités caractéristiques sera nécessaire pour soutenir le transport. En termes de caractéristiques, il devrait surpasser les échantillons existants.
La NASA et le DLR pensent que les avions commerciaux du futur devraient être 60% plus économiques que les actuels. Il devrait pouvoir fonctionner sur de petits aérodromes, tout en se distinguant par un bruit réduit et une facilité d'utilisation. Dans leurs recherches et leur rapport, les auteurs du nouveau projet ont utilisé l'avion de production existant Airbus A321-200 comme une sorte de référence. Un eRay prometteur était censé avoir des paramètres de capacité et de capacité de charge similaires, mais en même temps présenter des avantages dans tous les autres domaines.
Le concept eRay n'est pas encore destiné à une conception à part entière avec le lancement ultérieur de la production et de l'exploitation des équipements. À cet égard, les spécialistes des organisations scientifiques ont su ne pas se limiter et utiliser les idées les plus audacieuses qui ne sont pas encore prêtes à être mises en œuvre dans la pratique. C'est l'utilisation de telles solutions qui a permis de résoudre les tâches assignées et de "créer" une nouvelle version de l'avion du futur.
Selon les prévisions les plus optimistes, l'avion eRay sera 30% plus léger que l'A321 de série. L'efficacité de la centrale est augmentée de 48%. L'efficacité énergétique globale du panneau augmente de 64%. Il convient de noter que pour obtenir de tels résultats, les scientifiques et les concepteurs ont dû non seulement introduire de nouvelles idées, mais également abandonner leurs solutions habituelles. En conséquence, le revêtement proposé diffère nettement des représentants modernes de sa classe.
Le projet eRay propose la construction d'un avion à aile basse en porte-à-faux avec une aile en flèche. Un empennage est fourni, comprenant uniquement un stabilisateur avec un grand V transversal. Il n'y a pas de quille. De manière originale, en raison de la nécessité d'améliorer l'efficacité, le problème de l'agencement des éléments de la centrale a été résolu. Ses unités individuelles sont placées dans différentes parties de l'aile, ainsi que dans la queue du fuselage.
Le fuselage de l'avion, en général, ressemble aux unités des machines existantes. La construction d'une structure entièrement métallique à fort allongement avec une forme aérodynamique est proposée. La partie avant est donnée sous le cockpit et les locaux techniques, derrière lesquels se trouve un grand salon avec des sièges passagers. Un volume pour le fret est prévu sous l'habitacle - tout d'abord pour les bagages. La partie arrière doit recevoir l'un des moteurs de la centrale.
Il est proposé d'arrimer les avions en flèche au fuselage. L'aile obtient un profil optimal, et sur la majeure partie de sa surface il n'y a aucun élément susceptible de perturber l'écoulement. Sur les bords d'attaque et de fuite de l'aile, une mécanisation de type traditionnel est prévue. Aux extrémités, les concepteurs ont placé une paire de turboréacteurs à dérivation avec l'équipement nécessaire.
Au lieu de l'empennage traditionnel, le projet eRay utilise un système inhabituel. À l'extrémité arrière du fuselage, un canal annulaire conique est installé pour l'hélice de poussée de la centrale. Sur les côtés de ce canal, les concepteurs ont placé deux plans stabilisateurs installés avec un V transversal important. Il n'y a pas de quille. Le contrôle du lacet doit être effectué en modifiant la poussée des moteurs des ailes ou au moyen de la mécanisation des ailes.
Selon les calculs de la NASA et du DLR, les trois quarts de l'augmentation de l'efficacité énergétique ne peuvent être obtenus que par l'aérodynamique. Par exemple, 13 % de l'augmentation globale de l'efficacité est fournie par le flux laminaire autour du fuselage. Amener l'envergure à 45 m donne une augmentation de 6% supplémentaires. L'abandon de la quille raccourcit la surface de la cellule, réduisant ainsi la résistance de l'air.
Cependant, la tâche de réduire le gaspillage d'énergie "supplémentaire" n'est pas seulement résolue grâce à l'aérodynamique. Ainsi, la possibilité de retirer les vitres latérales de l'habitacle a été envisagée. Dans ce cas, la conception du fuselage est considérablement simplifiée, ce qui conduit à son poids plus léger et à une réduction correspondante des exigences pour les moteurs. Cependant, une telle innovation n'est pas considérée comme obligatoire, car les passagers peuvent ne pas l'aimer. Il est peu probable qu'un transporteur souhaite obtenir l'efficacité énergétique, mais se retrouver sans clients.
Le projet eRay prévoit d'équiper l'avion d'une centrale hybride. L'aile devrait être équipée de turboréacteurs qui génèrent une poussée à partir de gaz, ainsi que d'entraîner une paire de générateurs électriques. L'électricité par les convertisseurs nécessaires doit être fournie aux batteries, ainsi qu'au moteur de queue. Le principal avantage d'une telle centrale est la possibilité de modifier de manière flexible les paramètres généraux de poussée pour obtenir la consommation de carburant optimale correspondant au régime de vol actuel.
La NASA et le DLR considèrent une paire de turboréacteurs de dérivation comme la base de la centrale électrique d'eRay. Des produits aux performances suffisantes et aux dimensions réduites sont proposés pour être placés en bout d'aile. Dans le cadre du projet, l'application de moteurs avec un système d'échangeurs de chaleur, chauffant l'air atmosphérique entrant grâce aux gaz derrière la turbine, a été étudiée. Dans certains modes, cela vous permet de réduire la consommation de carburant de 20 %.
Des experts des deux organisations ont examiné les appareils électriques existants des types requis et ont tiré certaines conclusions. Il s'est avéré que les générateurs, batteries et moteurs existants permettent de construire une centrale électrique pour eRay, mais ses caractéristiques seront loin d'être souhaitées. Pour obtenir des paramètres optimaux, de nouvelles technologies et solutions sont nécessaires. En particulier, la possibilité d'utiliser l'effet de la supraconductivité, qui peut affecter les paramètres d'un moteur électrique, est à l'étude.
Les accumulateurs existants ne permettent pas non plus de créer un avion avec les paramètres souhaités. Les technologies de niveau 2010 offrent une densité énergétique de l'ordre de 335 W*h/kg. D'ici 2040, ce paramètre devrait passer à 2500 W*h/kg. Cependant, à court terme, il faut compter sur des batteries aux caractéristiques plus modestes de l'ordre de 1500 W*h/kg. Selon les calculs, la centrale électrique combinée avec des moteurs électriques et des turboréacteurs offrira une durée de vol d'au moins 6 à 7 heures et une autonomie de plus de 6 000 km.
Le rapport sur le projet de concept eRay fournit des chiffres intéressants montrant le potentiel d'une telle technique. Les concepteurs ont calculé les principaux indicateurs de performance de différents équipements tout en résolvant le même problème. L'avion A321, lors d'un vol « de référence » à une distance de 4 200 km, devrait consommer au total un peu moins de 84,5 MW d'énergie. Pour ce faire, il a besoin de 15881 kg de carburant. L'avion dépense 2,36 litres de carburant pour transporter un passager aux 100 km. Pour l'avion prometteur eRay, selon les calculs, la consommation totale d'énergie atteint 39,57 MW, soit 5782 kg de carburant. Pour transporter un passager aux 100 km, vous n'avez besoin que de 0,82 litre de carburant. Ainsi, dans les conditions données, la machine prometteuse s'avère 65,3% plus performante que le modèle de série.
L'un des moyens d'améliorer l'efficacité énergétique est d'utiliser judicieusement l'espace dans l'habitacle. La NASA et le DLR proposent trois options pour le cockpit du paquebot avec des capacités différentes. Tout d'abord, nous considérons la cabine de la classe économique, créée sur la base de la cabine A321. Dans ce cas, les sièges sont installés en rangées de 3 + 3 avec un couloir central. Dans cette configuration, l'avion transporte 200 personnes. En configuration Premium Economy, le nombre de places assises est porté à 222 passagers, pour lesquels différents sièges sont utilisés et la répartition des volumes disponibles est optimisée. Une variante avec des salons de trois classes a également été élaborée. La classe affaires peut accueillir 8 sièges, tandis que « économique » et « économique mince » accueillent respectivement 87 et 105 passagers.
Dans la forme proposée, l'avion eRay a une longueur de 43,7 m. L'envergure est de 38 m dans la configuration de base ou de 45 m dans la configuration avancée, ce qui donne une certaine augmentation de l'efficacité énergétique. Le poids de l'avion à vide est déterminé à 36,5 tonnes, la masse maximale au décollage est de 67 tonnes, la charge utile est d'environ 25 tonnes, dont 21 tonnes de passagers et 4 tonnes de bagages. Les performances de vol dépendent des éléments de la centrale utilisée. En général, ils devraient être au niveau des modèles existants de l'aviation commerciale.
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Le concept eRay, dévoilé cette année par des organismes de recherche de premier plan aux États-Unis et en Allemagne, est en fait une autre tentative de trouver des moyens de développer davantage l'aviation de passagers. Comme indiqué à juste titre dans le rapport de projet, à l'avenir, de nouvelles exigences seront imposées à l'aviation commerciale et les transporteurs auront besoin de nouveaux modèles d'équipement dotés de capacités spéciales. La recherche de solutions à ce problème ne s'arrête pas, et le projet eRay propose une nouvelle fois des idées originales d'une sorte ou d'une autre.
Dans le projet de la NASA et du DLR, les principaux objectifs étaient d'augmenter l'efficacité énergétique et d'améliorer l'aérodynamisme, ce qui devrait affecter positivement l'efficacité globale de l'avion. Pour obtenir de telles caractéristiques, une conception de cellule spéciale est proposée, combinant des solutions bien maîtrisées et nouvelles, ainsi qu'une centrale électrique hybride inhabituelle basée sur des composants dissemblables. Les calculs montrent que la consommation optimale d'énergie de carburant associée à une aérodynamique améliorée devrait augmenter à la fois les performances de vol et les performances économiques de l'équipement.
Cependant, jusqu'à présent, tous ces résultats restent « sur papier ». Le concept de revêtement eRay, comme d'autres développements du genre, présente un grave défaut, et ses auteurs en sont bien conscients. À l'heure actuelle et dans un avenir proche, les concepteurs ne seront pas en mesure de réaliser tous les avantages du concept proposé. La réalisation des objectifs fixés est entravée par le manque de technologies nécessaires. Ainsi, l'idée d'un turboréacteur avec des échangeurs de chaleur et une puissance de sortie vers un générateur nécessite une élaboration plus approfondie et des tests pratiques. Les batteries ayant les caractéristiques souhaitées ne sont pas encore disponibles, et l'aspect aérodynamique caractéristique de l'avion doit confirmer ses capacités au cours de diverses études.
Le développement de la technologie requise pour construire un véritable avion eRay est coûteux et prend du temps. Les auteurs du projet en sont bien conscients et envisagent donc un avion prometteur dans le contexte du développement de l'aviation au cours des prochaines décennies - jusqu'en 2040-2045. Ils pensent qu'à ce moment-là, la science créera les composants nécessaires et mènera toutes les recherches nécessaires, ce qui permettra la mise en œuvre de nouveaux concepts: soit eRay, soit d'autres projets.
Le projet de concept NASA / DLR eRay - en raison de son objectif spécifique - ne peut être considéré comme un succès ou un échec. Son objectif était de déterminer les voies de développement de l'aviation commerciale civile et de trouver la conception optimale répondant aux exigences de l'avenir. Les scientifiques et les ingénieurs des deux pays ont soigneusement étudié la question actuelle et ont présenté leur propre version de la réponse. Il est fort possible qu'à la fin des années trente, des avions similaires à l'eRay actuel décollent réellement. Cependant, le développement de l'aviation peut aller par d'autres voies, et donc les futurs avions de ligne auront des similitudes avec d'autres concepts de notre époque.
