XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование альтернативных источников энергии в авиации
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время в авиации используется нефтяное топливо, основными видами которого являются авиационный бензин и керосин, которые добываются из нефтепродуктов. Для бесперебойных полетов самолетов человечество вынуждено тратить до 5 млн. баррелей нефти в день. По прогнозам ученых, при таких расходах мировых запасов нефти хватит менее чем на 40 лет, сто приведет к возникновению трудностей при добыче и росту стоимости. А на сегодняшний день расходы на топливо составляют 15-20 % эксплуатационных расходов самолета. Кроме того, с увеличением авиапарка растет и количество негативных выбросов от сжигания горючего, что наносит вред человечеству и окружающей среде. Поэтому неизбежно встанет вопрос об использовании альтернативных энергоресурсов, которые будут экономически выгодными и более экологичными, по сравнению с существующими. В качестве альтернативных источников энергии в авиации рассматриваются: биологическое топливо, солнечная энергия, жидкий водород и сжиженный природный газ [1,3,4].
Цель исследовательской работы – изучить возможности использования альтернативных источников энергии в авиации, показать перспективы их применения, создать модель беспилотного самолета на солнечных батареях.
Предмет исследования: солнечная батарея, как вид источника энергии для летательных аппаратов.
Объект исследования: альтернативное топливо для летательных аппаратов.
На основе цели, предмета и объекта исследования была сформирована гипотеза: «Альтернативные источники энергии являются выгодной заменой традиционных в беспилотной авиации. Новые виды энергоресурсов позволят минимизировать затраты на эксплуатацию самолетов и снизят ущерб окружающей среде».
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
Определить понятие альтернативное топливо
Изучить литературу об использовании альтернативных источников энергии в авиации, определить их преимущества и недостатки
Создать модель беспилотного самолета, работающего на солнечных батареях
Актуальность данной исследовательской работы заключается в том, что будут рассмотрены варианты использования альтернативных источников энергии в авиации для сохранения экологического благополучия на планете.
Методы: изучение литературы, анализ и систематизация полученных данных, самостоятельное моделирование беспилотного летательного аппарата.
Перспективы: продолжить работу по созданию моделей летательных аппаратов на альтернативном топливе.
Практическая значимость работы заключается в том, что собранные материалы расширяют наши знания по возможности использования различных видов энергии. Данный материал можно использовать на уроках окружающего мира, физики, а также при проведении внеклассных мероприятий.
Глава 1. Теоретическая часть
Постоянно возрастающий объем авиаперевозок сопровождается ростом потребности в топливе и на сегодняшний день составляет 230 млн. т ежегодно, что соответствует выбросам 731 млн. т парниковых газов (в СО2 - эквиваленте). Несмотря на то, что на сегодняшний день гражданская авиация вносит вклад в образование парниковых газов лишь 2%, по прогнозам до 2035г., ежегодный темп составит 4–4,4%. По данным Международной организации гражданской авиации, ожидается увеличение объема грузовых перевозок более чем в 2,3 раза, что может привести к увеличению объема выбросов парниковых газов к 2050г. в шесть раз по сравнению с 2010г. И это является важной экологической проблемой [3].
В наше время сфера использования летательных аппаратов обширна - от маленьких беспилотных до сверхмощных самолетов, совершающих сверхдальние перелеты. И каждый должен использоваться определенный вид топлива, который обеспечит требуемые характеристики летательного аппарата, снижение стоимости полётов и экологическую безопасность.
Понятие альтернативное топливо
Уже несколько десятилетий ученые пытаются найти альтернативные источники энергии для авиадвигателей с возобновляемым ресурсом, которые заменяет традиционные, функционирующие на продуктах переработки нефти и выделяющие при сгорании в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Кроме того, новые источники энергии должны быть и экономичными, чтобы конкурировать с уже существующими, а летательные аппараты на новых видах топлива должны иметь лучшие летно-технические характеристики.
Можно выделить следующие виды альтернативного авиатоплива: криогенное топливо, биологическое топливо, солнечная энергия. По объемам использования - целиком, в качестве добавок. По источнику сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и др. В нашей работе мы кратко рассмотрим основные виды альтернативного топлива, которые можно использовать в авиации.
Криогенное топливо
Особенность авиации состоит в том, что альтернативными могут быть только жидкие топлива. Но сжиженный природный газ и жидкий водород - криогенные жидкости, это создает дополнительные технические трудности при их хранении и транспортировке. Движущей силой такого двигателя является водород, который образуется при электролизе, в результате выделяется пар (вода). Двигатели на криогенном топливе дают минимум загрязнения окружающей среды, высокую эффективность. Использование его позволит получить много преимуществ: уменьшить запас топлива на борту, повысить КПД силовой установки, создать комфортные условия работы бортового оборудования; повысить аэродинамические характеристики, уменьшить загрязнение окружающей среды, особенно в зоне аэропортов. Основным препятствием к широкому использованию жидкого водорода является высокая стоимость его получения, а для рационального применения сжиженного природного газа необходимо решить много технических задач.
Однако реальность создания моделей самолетов на водороде и сжиженном природном газе доказана. 15 апреля 1988г. совершил первый полет самолет Ту-155, силовая установка которого работала на жидком водороде. Двигатель НК-88 был разработан на самарском двигателестроительном предприятии «Кузнецов» по инициативе конструкторского бюро «Туполев». Первоначально в качестве топлива использовался сжиженный водород, а в 1989г. его переоборудовали на сжиженный газ [4]. На данный момент в разработке концерна AIRBUS находятся три концепта самолета на криогенном топливе с нулевым уровнем выбросов, первый полет запланирован в 2035г.
Однако, при использовании судов на криогенном топливе увеличится количество водяного пара в атмосфере, и это тоже климатическое изменение, что может затруднить или даже остановить полеты.
Биологическое топливо
В последние годы все чаще на первые позиции выходит применение биотоплива для авиационных двигателей. Это топливо из растительного или животного сырья, либо из органических отходов промышленности и продуктов жизнедеятельности живых организмов. Выделяют несколько поколений этого вида топлива: биотопливопервого поколения изготавливают из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира (основным источником его производства являются различные семена или зерна); биотопливо второго поколения производится из биомассы, состоящей из остаточных, непищевых растений (стебли, листья, шелуха, просо, ятрофа и производственного мусора); биотопливо третьего поколения производится в основном из водорослей.
Предполагается, что использование в авиации биокеросина позволит уменьшить "углеродный след" почти на 80 %. На сегодняшний день уже есть примеры использования биокеросина, в 2011г. пассажирский самолет Airbus компании Lufthansa совершил первый в мире полет на биотопливе. 18 мая 2021г. Airbus А350, заправленный авиакеросином с примесью 16% биотоплива, совершил полет из Парижа в Монреаль, а во время испытательного полета над Тулузой 28 октября 2021г. один из двигателей лайнера А319neo работал полностью на 100% биотопливе. В России появилась первая ассоциация разработчиков и производителей авиационного топлива с минимальным углеродным следом (SAF). Первый полёт самолёта на биотопливе планируют провести не позднее 2024 года.
За последние годы воздушные суда совершили более 1500 полетов с использованием биотоплива, однако пока большинство из них стоят в два-три раза дороже простого авиационного керосина. Кроме того, возникает опасность использования большого числа сельскохозяйственных угодий для выращивания сырья, поэтому сейчас в ЕС переходят на производство и использование биотоплива второго поколения.
Энергия солнца
Использование солнечной энергии основано на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Процесс преобразования солнечного излучения в электроэнергию носит название «Фотовольтаика». Принцип работы солнечной батареи: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию частиц света (фотонов) и приходят в движение, и мы получаем электрическое напряжение (Рис 1). Этот процесс происходит в фотовольтаических панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество. Конструкция солнечных панелей гибкая и может иметь разные размеры, поэтому в использовании они очень практичны.
4 ноября 1974г. можно считать началом эры солнечной авиации – в этот день американская компании AstroFlight подняла в небо беспилотный летательный аппарат с солнечной энергоустановкой Sunrise I. В 1980 году американская фирма AeroVironmen начала разработку пилотируемого самолета для перелета из Франции в Великобританию. SolarChallenger стал первым в истории самолетом, пролетевшим на солнечной энергии расстояние в 262 км от Парижа до Мэнстона. 7 апреля 2010г. был совершен первый пилотируемый полет на солнечной тяге. Самолет SolarImpulse провел в воздухе чуть более часа. Он использует энергию, накапливаемую в литиевых аккумуляторах. Уже в июле 2010 года SolarImpulse совершил первый непрерывный полет в течение 26 часов, и этот самолет способен перевозить полезный груз [2,5,6].
Можно предположить, что в настоящее время воздушные судна на солнечных батареях получат свое применение в качестве беспилотных летательных аппаратов разведки и ретрансляции связи. На них может быть установлено оборудование радиоэлектронной, тепловизионной и оптико-электронной разведки, а также ретрансляционное оборудование.
1.5. Сравнительный анализ применения энергосиловых установок на альтернативных видах топлива
Рассмотренные выше энергосиловые установки являются наиболее перспективными двигателями, работающими на альтернативных видах топлива. Проведем сравнительный анализ возможности применения различных видов альтернативного топлива (Таблица 1).
Таблица 1.
Сравнительный анализ альтернативных видов топлива
|
Вид топлива |
Плюсы |
Минусы |
|
Криогенное топливо |
Нетоксичность/экологичность Высокая тяговая сила |
Увеличение количества водяного пара – изменение климата Взрывоопасность Высокая стоимость |
|
Биологическое топливо |
Экологичность Дешевизна |
Нарушение экосистемы Потребность в большом количестве воды для полива Короткий срок хранения |
|
Солнечные батареи |
Экологичность Простота конструкции Неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника Постоянно снижающаяся себестоимость |
Влияние времени суток и погодных условий на производительность Необходимость в аккумулировании энергии Потребность в периодической чистке от загрязнения Относительно высокая стоимость оборудования |
Исходя из изложенного выше можно сделать выводы:
1. На сегодняшний день проблема экологии в сфере авиации очень актуальна, это толкает производителей топлива искать новые виды энергоресурсов.
2. Однако на данном этапе массовое использование альтернативных видов топлива ограничено.
Глава 2. Исследовательская часть
2.1. Изготовление беспилотного летательного аппарата
Я хожу на занятия по авиамоделированию в Аэроквантум детского технопарка «Кванториум». На занятиях мы изучаем устройство самолетов, принципы создания летательных аппаратов, основами аэродинамики, пилотируем беспилотные летательные аппараты, занимаемся на авиасимуляторе для отработки навыков полета. В проектной траектории «Аэроквантум» мы работаем над собственными проектами под руководством нашего педагога, Кадырова И.М., решаем инженерные задачи по проектированию, сборке, созданию летальных аппаратов. До начала проектирования планера мы изучали основы аэродинамики, принципы аэродинамического полета, понятие подъемной силы.
В своей работе мы использовали следующие материалы: пенополистирол, фанеру толщиной 2мм, карбоновая трубка 12мм*1000мм, детали 3D печати.
Технические характеристики нашего планера «Сокол»:
Длина: 1000мм
Размах крыла: 1500мм
Двигатель: электрический 2400 кV
Пропеллер: DJI «5» дюйм
Аккумулятор: 4S 1800 ma/h
Полезная нагрузка: экшн камера YI.
При испытании планер показал следующие результаты:
Время полета: 90 минут
Дальность полета: 15000м
Скорость полета: 15м/с (54км/ч).
16 июля 2021года, на выездной проектной «Школе генерального конструктора» я защищал наш проект по созданию планера «Сокол» для мониторинга (Рис.2).
Для увеличения длительности полета на планере мы сделали большое аэродинамическое крыло. Разборная конструкция планера позволяет переносить его в специальном чехле. На планере мы установили камеру с передачей видеопотока на передвижную лабораторию, при которой летательный аппарат может быть использован в различных сферах. Камера, установленная на самолете, помогает спасателям в on-line режиме координировать действия. Предустановленная программа нейронной сети позволяет увеличить качество поиска. Выше перечисленное может понадобится при проведении спасательных операций (например, при обнаружении лесных пожаров, поисках пропавших людей), в медицине чрезвычайных ситуаций и т.д.
2.2. Проектирование модели беспилотного летательного аппарата на
солнечных батареях
Проработав данные литературы по альтернативным источникам энергии, учитывая имеющиеся возможности мы начали работу по созданию беспилотного летательного аппарата с использованием монокристаллических панелей, который можно применять с целью мониторинга заданного квадрата. Для реализации проекта необходимо создать летательный аппарат, способный подняться в воздух на длительное время, подобрать солнечные панели с высоким коэффициентом отдачи тока для поддержания всех систем в рабочем состоянии.
Солнечная батарея представляет собой несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) – полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
При работе над планером мы создали макет, установили на него солнечные батареи (Рис. 3). Для нашей будущей модели мы разработали схему подключения электрооборудования (Рис. 4). Сейчас ведем работу по расчету необходимых характеристик летательного аппарата, подбор соответствующих монокристаллических панелей, электродвигателя, воздушного винта с высоким коэффициентом полезного действия.
3. Заключение
В ходе данной работы мы изучили историю развития самолётов на альтернативных видах топлива и провели сравнительный анализ различных видов альтернативного топлива. Наша гипотеза подтвердилась. Рассмотренные виды являются перспективными, однако на данном этапе массовое использование альтернативных видов топлива ограничено.
Несмотря на то, что удалось собрать немало интересной информации, работу хотелось бы продолжить по следующим направлениям:
- виды солнечных батарей, их различия и преимущества
- создание модели беспилотного летательного аппарата на солнечных батареях и испытание ее летом 2022г.
Литература и информационные ресурсы
Макеев Д.А. Виды топлива в авиации //Сборник статей 10-й Международной молодежной научной конференции Т. 4, № 139, 2021.
Никитевич Н.В., Ромушкин А.Ю., Лукасов В.В. Применение солнечных батарей в авиации //Решетневские чтения. – Красноярск, 2015.–с. 427–428.
Ратнер С.В. Инновации в авиастроении: анализ результатов исследовательских программ по разработке альтернативных видов авиационного топлива // Национальные интересы: приоритеты и безопасность, Т.14, №3 (360), 2018, с.492-506.
Саргсян Д.Р. Анализ опыта применения альтернативных топлив на воздушных судах // Научный вестник МГТУ ГА №174, 2011, с.91-95.
Беспилотник на солнечных батареях PHASA первый полет [Электронный ресурс]. – URL: https://habr.com/ru/news/t/489066/
Применение солнечных панелей в авиации [Электронный ресурс]. URL: http://www.solarbat.info/solnechnie-paneli/primenenie-solnechnix-panelei-v-aviacii
Самолеты на солнечных батареях [Электронный ресурс]. URL: http://solarb.ru/node/898
Приложение
Рисунок 1. Схема работы солнечной батареи
Рисунок 2. Планер «Сокол», защита проекта
Рисунок 3. Макет планера на солнечных батареях
Рисунок 4. Схема подключения электрооборудования