در حال بررسی...تحقیق و توسعه موتورهای نسل آینده
با کاهش همه‌گیری کووید۱۹ و محدودیت‌های شدید ترافیک سفرهای هوایی، رولزرویس، بخش هوانوردی جنرال الکتریک، شرکت CFM اینترنشنال و پرت‌اندویتنی، شاهد فروش موفقیت‌آمیز خانواده‌های موتورهای تجاری خود بوده‌اند. حتی با وجود تلاش برای بازگشت به شرایط عادی سال‌های ۲۰۱۸ و ۲۰۱۹ و در عین حال برای غلبه بر مشکلات طولانی‌مدت به‌وجودآمده در زنجیره تامین مواد و قطعات حیاتی، هر چهار شرکت متعهد به انجام تحقیق و توسعه موتورهای نسل آینده هستند تا اطمینان حاصل کنند که خطوط تولید آنها به هدف کاهش انتشار کربن خالص تا سال ۲۰۵۰ در صنعت حمل‌ونقل هوایی دست می‌یابند.
اهداف رولزرویس در سال ۲۰۳۵
بنابر اعلام رولزرویس، این شرکت به شدت بر آینده بلندمدت صنعت هواپیمایی از سال ۲۰۳۵ برای استفاده از سوخت پایدار هوانوردی SAF، نیروی پیشرانه هیدروژنی و نیروی الکتریکی برای دستیابی به کربن خالص صفر متمرکز است.
مقرر شده بود تا پایان سال ۲۰۲۳، طیف وسیعی از موتورهای توربوفن بزرگ ترنت رولزرویس گواهینامه بهره‌برداری عملیاتی با استفاده ۱۰۰ درصدی از سوخت پایدار هوانوردی را دریافت کنند. اما رولزرویس همچنان معتقد است که هیدروژن نقش کلیدی در به کاهش رساندن کربن در جهان ایفا می‌کند.
تحقیقات رولزرویس نشان داده که هیدروژن مایع می‌تواند جایگزین SAF برای عملیات‌های پروازی با برد کوتاه‌تر توسط هواپیماهای جت منطقه‌ای و حتی باریک‌پیکر شود. با این وجود، پروازهای دوربرد توسط هواپیماهای بزرگ بطور نامحدود به نیروی سوخت جت نیاز دارند. اگرچه هیدروژن مایع وزن کمتری از سوخت جت دارد، چگالی انرژی بسیار کمتر آن به مخازن سوخت بسیار بزرگتری نسبت به هر سوخت معمولی یا SAF خالص نیاز دارد.
مطابق تحقیقات انجام‌شده، دمای منفی ۲۵۳ درجه سانتی‌گراد موردنیاز برای نگهداری هیدروژن به‌صورت مایع و علاوه بر آن، نیاز به گرم‌کردن آن برای احتراق، زیرساخت‌های کنترل حرارت و پمپاژ سوخت هیدروژن مایع را پیچیده و سنگین خواهد کرد.
رولزرویس که در یکی از چندین برنامه تحقیق و توسعه سامانه پیشرانه هیدروژنی مشارکت دارد، به همراه ۲۵ شریک خود، بستری را در فرودگاه کرانفیلد ساختند تا ادغام یک سامانه تامین سوخت هیدروژن را با موتور و ناسل آزمایش کنند. کنترل آتش‌سوزی و قابلیت تخلیه سوخت هیدروژنی در این بستر تست مورد آزمایش قرار می‌گیرد.
در تحقیق‌های دیگر مربوط به سامانه پیشرانه هیدروژنی که در آن سازنده موتور با موسسه پژوهش‌های هوافضایی آلمان DLR همکاری می‌کند، بخش آلمانی رولزرویس در حال طراحی معماری انژکتور سوخت برای آزمایش بر روی بستر تست DLR است که برای آزمایش سامانه‌های سوخت هیدروژنی توسعه یافته‌است.
در همین حال، تحت عنوان پروژه ناپکین، رولزرویس با همکاری شرکت ایزی‌جت، آزمایشی را در نوامبر گذشته در بریتانیا انجام داد. در این برنامه، یک موتور توربوپراپ AE 2100 نصب‌شده بر روی لاکهید C-130 مورد آزمایش قرار گرفت که از هیدروژن سبز به‌عنوان سوخت استفاده می‌کرد.
بنابر اعلام رولزرویس، برای انجام موفقیت‌آمیز عملیات زمینی فقط نیاز به تعویض انژکتورهای سوخت آن وجود داشته‌است. علاوه بر آن، این شرکت در حال انجام آزمایش آلایندگی (بستر تست AE 2100 با سوخت هیدروژن) برای به حداقل‌رساندن انتشار آلایندگی ناکس هستند.
در همین حال، رولزرویس به توسعه معماری موتور توربوفن دنده‌ای اولترافن خود ادامه می‌دهد. این شرکت در ۱۸ می اعلام کرد که اولین آزمایش نمونه اثباتگر فناوری اولترافن با فن ۱۴۰ اینچی خود را با ۱۰۰ درصد سوخت پایدار هوانوردی با موفقیت به پایان رسانده‌است.
آزمایش‌های اولترافن آینده شرکت رولزرویس شامل استفاده از سوخت هیدروژنی و سامانه‌های پیشرانه بیشتر الکتریکی خواهد بود. این آزمایش‌ها شامل استفاده از هیبریدسازی میکرو می‌شود که در آن مقادیر نسبتا کمی از توان الکتریکی هر موتور توربین گاز با سوخت جت را تقویت می‌کند تا عملکرد آن را در کل عملیات پروازی افزایش دهد.
بسیاری از پروژه‌های تحقیق و توسعه سامانه پیشرانه هیدروژنی با مشارکت رولزرویس، با آزمایش زمینی یک موتور توربوفن پرل۱۵ که برای استفاده از هیدروژن سبز به‌عنوان سوخت ارتقا یافته، به اوج خود می‌رسد. رولزرویس با همکاری ایزی‌جت متعاقبا آزمایش پروازی موتور را آغاز خواهد کرد. علاوه بر آن، رولزرویس یک برنامه فناوری را برای شروع تولید موتورهایی با سوخت هیدروژن اجرا خواهد کرد.
شرکت CFM اینترنشنال با موتور لیپ قله‌های فروش را فتح می‌کند
شرکت CFM اینترنشنال، حاصل سرمایه‌گذاری مشترک بخش هوانوردی جنرال الکتریک و موتورهای هوایی سافران، اعلام کرد سفارش‌های جدیدی را برای حدود ۲۱ هزار موتور لیپ دریافت کرده که آن را به پرفروش‌ترین خانواده موتور جت در تاریخ تبدیل می‌کند.
بنابر اعلام شرکت CFM اینترنشنال، موتورهای خانواده لیپ تا اواسط بهار سال جاری، بیش از ۳۰ میلیون ساعت پروازی را پشت سر گذاشته‌اند و به نرخ ۹۲.۵ درصدی بهره‌برداری عملیاتی دست یافته‌اند. رکورددار این موتورها از زمان ورود به خدمت عملیاتی از ۷ سال پیش، تاکنون ۱۰ هزار سیکل پروازی و ۱۸ هزار ساعت پرواز عملیاتی را به ثبت رسانده‌است. خانواده لیپ شاهد بهبود بهره‌وری سوخت در محدوده ۱۵ تا ۲۰ درصد نسبت به نسل‌های قبلی خود، به‌ویژه خانواده CFM56 است.
موتورهای Leap-1A و Leap-1B محصول شرکت CFM که توسط خطوط هوایی عمدتا در شرایط گرم و سخت به ویژه در خاورمیانه مورد استفاده قرار می‌گیرند، با مشکل دوام روبرو بوده‌اند. مشکل دوام ناشی از ترکیبی از دمای هوای گرم بیرونی و شن بلعیده‌شده است که باعث سایش زودرس در نازل‌های توربین پرفشار لیپ و پره‌های آن می‌شود.
برای یافتن یک راه‌حل دائمی، سازنده یک بستر تست زمینی ویژه ساخت که شرایط دقیق بلعیده‌شدن شن و دمای خارجی را که منجر به ایجاد مشکل دوام شده را تکرار می‌کند. بستر تست قطعات توربین پرفشار مربوطه نشان داد که قطعات با همان مشکلات موتورهای حین کار مواجه شدند.
بنابر اعلام شرکت CFM اینترنشنال، هنگام آزمایش در بستر تست، نازل‌ها و پره‌های توربین پرفشار که به تازگی طراحی شده‌اند، سایش را نشان نمی‌دهند. بنابراین راه‌حل تعمیر کارساز خواهد بود و زمان کمی لازم است تا موتور لیپ مانند CFM56 در خاورمیانه با قابلیت‌اطمینان بالا کار کند.
در همین حال، موتور CFM56 همچنان پرفروش‌ترین موتور جت جهان است. این شرکت حدود ۳۴ هزار موتور را تحویل داده و خانواده این موتورها بیش از ۱.۲ میلیارد ساعت پروازی را ثبت کرده‌اند. موتور CFM56-7B که نیروی پیشران خانواده بوئینگ B737NG را تامین می‌کند، حدود ۵۰۰ میلیون ساعت از کل ساعت پروازی را تشکیل می‌دهد.
حدود ۲۲ هزار تا ۲۳ هزار دستگاه از موتور CFM56 هنوز در خدمت عملیاتی هستند و خانواده CFM56 هر هفته یک میلیون ساعت پروازی را به ناوگان خود اضافه می‌کند و بطور متوسط دارای ۹۹.۹۸ درصد قابلیت اطمینان است.
موتور GEnx محصول بخش هوانوردی جنرال الکتریک
بنابر اعلام بخش هوانوردی جنرال الکتریک، اگرچه تولید انبوه موتور توربوفن بزرگ GEnx-2B تامین‌کننده نیروی پیشران بوئینگ B747-8 به پایان رسیده، اما این شرکت همچنان شاهد تقاضای زیادی برای GEnx-1B است که نیروی پیشران بوئینگ ۷۸۷ را تامین می‌کند.
حدود ۲۴۰۰ دستگاه موتور GEnx وارد خدمت عملیاتی شده‌اند و جنرال الکتریک برای ۵۲۰ موتور دیگر سفارش دریافت کرده که تقریبا همه آنها از نمونه GEnx-1B هستند. با توجه به اینکه خانواده ترنت۱۰۰۰ رولزرویس چندین سال پیش مشکلات مربوط به خطاهای تولید را تجربه کردند، موتور GEnx-1B اکنون کنترل بازار را در دست دارد.
بخش هوانوردی جنرال الکتریک قصد دارد تا دو سال آینده بسته ارتقا اصلی GEnx دیگری را معرفی نکند و در تلاش است تا بتواند پروژه جدید خود در برنامه تحقیق و توسعه رایز شرکت CFM را پیش ببرد.
در همین حال، سفارش‌ها و شاپ ویزیت‌های جدید از تعمیر و نگهداری موتور توربوفن بزرگ CF6-80 محصول بخش هوانوردی جنرال الکتریک همچنان در حال افزایش است. موتور CF6-80 نیروی پیشران بوئینگ B767-300F را تامین می‌کند که سفارش‌های آن همچنان بالا است.
فروش موتور توربوفن بزرگ GE90-110B که نیروی پیشران بوئینگ B777F را تامین می‌کند، همچنان ادامه دارد. میزان فروش خانواده GE90 تا به امروز به بیش از ۳ هزار دستگاه رسیده‌است. بنابر اعلام جنرال الکتریک، این شرکت همچنان شاهد تقاضای سفارش‌های جدید برای خانواده موتور توربوفن متوسط CF34 خود است که نیروی پیشران جت‌های منطقه‌ای امبرائر۱۷۵ و کومک ARJ21 را تامین می‌کنند.
جنرال الکتریک بطور جداگانه، برنامه آزمایش پروازی بوئینگ ۷۷۷اکس را در سال ۲۰۲۲ بطور موقت متوقف کرد، به این دلیل که در طول آزمایش اعتبارسنجی در مرکز آزمایش زمینی اوهایو، متوجه شد که یک قطعه بخش داغ عملکرد مورد انتظار را ندارد.
با این حال، جنرال الکتریک به سرعت طراحی خود را بهبود بخشید که در تمام موتورهای GE9X آزمایشی گنجانده شده بود و موتور مذکور ظرف ۱۰ هفته به آزمایش پروازی بازگشت. بخش هوانوردی جنرال الکتریک در حال حاضر در تلاش است تا این دستاورد‌ها را در تمام موتورهای GE9X تولیدی خود بکار گیرد.
” بخوانید: قدرتمندترین موتورهای هواپیما در جهان “
برنامه رایز با هدف دستیابی به بهره‌وری بالاتر
بخش هوانوردی جنرال الکتریک و CFM همچنان تمرکز خود را بر روی برنامه تحقیق و توسعه رایز تحت کنترل CFM گذاشته‌اند که از آن به‌عنوان جامع‌ترین برنامه کسب و بلوغ فناوری در تاریخ CFM یاد می‌کنند.
بیش از هزار مهندس بر روی برنامه رایز کار می‌کنند و این شرکت‌ها شاهد پیشرفت خوبی در برنامه رایز بوده‌اند که در حال حرکت از تست قطعات و اجزا به شروع آزمایش سامانه‌های فرعی هستند. انتظار می‌رود آزمایش زمینی یک فن موتور باز اثباتگر فناوری در سال‌های ۲۰۲۶ تا ۲۰۲۷ انجام شود.
آزمایش‌های بعدی نمونه اثباتگر فناوری رایز با ۱۰۰ درصد سوخت SAF و هیدروژن برای پیکربندی فن باز انجام می‌شود و شرکت CFM قصد دارد برنامه رایز را برای پیکربندی هر موتور دیگری نیز اجرا کند. این برنامه در موتور Leap-1B با صددرصد سوخت پایدار هوانوردی SAF قبلا با موفقیت آزمایش شده‌است.
قرار است آزمایش سوخت هیدروژنی رایز CFM با همکاری ایرباس بر روی هواپیمای A380 با موتور پاسپورت محصول جنرال الکتریک نصب‌شده در بدنه عقب این هواپیما انجام شود. ایرباس ذخیره‌سازی مخزن و سامانه تامین هیدروژن موتور را فراهم می‌کند.
” بخوانید: موتور روتور باز رایز مرور طراحی مفهومی را پشت‌سر گذاشت “
رویارویی پرت‌اندویتنی با نیروی محرکه هیبریدی و هیدروژنی
پرت‌اندویتنی به همراه شرکت کالینز ایروسپیس در حال توسعه یک سامانه محرکه هیبریدی الکتریکی توربین گاز هستند. موتور اثباتگر فناوری اولین آزمایش زمینی خود را در کانادا در دسامبر به پایان رساند و شرکا قصد دارند آزمایش پروازی این سامانه را در سال ۲۰۲۴ آغاز کنند.
به موازات آن، پرت‌اندویتنی تحت یک قرارداد با وزارت انرژی آمریکا، توسعه موتور توربین گازی با خنک‌کاری داخلی با بخار هیدروژن تزریق‌شده موسوم به HySIITE را آغاز کرده‌است. این موتور از احتراق هیدروژن مایع و بازیابی بخار آب استفاده می‌کند تا در هواپیماهای باریک‌پیکر آینده، انتشار دی‌اکسیدکربن را در حین پرواز به صفر برساند و از طرفی دیگر، انتشار ناکس را تا ۸۰ درصد و مصرف سوخت را تا ۳۵ درصد کاهش دهد.
خانواده موتور توربوفن دنده‌ای پرت‌اندویتنی ۲۱ میلیون ساعت پروازی را پشت سر گذاشته و سفارش و تعهداتی را برای بیش از ۱۰ هزار موتور دریافت کرده‌است. بنابر اعلام پرت‌اندویتنی، این شرکت همچنان به ارتقا تمام انواع موتورهای توربوفن دنده‌ای خود ادامه می‌دهد.
” بخوانید: سرمایه‌گذاری‌های مشترک برای توسعه موتورهای هوایی تجاری “
موتور توربوفن Advantage، نمونه ارتقایافته PW1100G که نیروی پیشران خانواده A320neo را تامین می‌کند، طی دو سال ۲۸۰۰ ساعت پروازی و ۸۲۰۰ سیکل آزمایش زمینی و پروازی را در برنامه اعتبارسنجی خود پشت سر گذاشته‌است.
برنامه Advantage برای دستیابی به یک درصدی بازدهی بیشتر نسبت به نمونه فعلی PW1100G، شامل آزمایش مداومت گسترده برای ارائه قابلیت اطمینان کامل در هنگام ورود به خدمت عملیاتی است. این برنامه آزمایشی با توجه ویژه به شرایط محیطی سختگیرانه طراحی شده که شامل مداومت بخش داغ، تعداد بالای سیکل عملیاتی در زمان کوتاه و بلعیدن ذرات خارجی است.
از آنجایی که بسیاری از موتورهای توربوفن دنده‌ای به ویژه آن‌هایی که عمدتا در محیط‌های گرم و سخت کار می‌کنند، مشکلات دوام، کاهش وزن و کمبود شدید قطعات یدکی ناشی از زنجیره تامین را تجربه کرده‌اند، انجام این برنامه آزمایشی ضروری است.
مشکلات به‌وجودآمده، بسیاری از هواپیماهای مجهز به موتور توربوفن دنده‌ای را که توسط خطوط هوایی مختلف مورداستفاده قرار گرفته‌اند، زمین گیر کرده و در ماه آوریل منجر به ورشکستگی یک شرکت هندی و شکایت از پرت‌اندویتنی برای یک میلیارد دلار شد.
اقدامات لازم برای حل این مشکلات توسط پرت‌اندویتنی شامل بروزرسانی قابلیت دوام برای افزایش زمان بین برداشتن موتور، به ویژه در محیط‌های گرم و خشک است. امروز، بیش از ۵۰ درصد از خانواده A320neo مجهز به موتورهای توربوفن دنده‌ای دارای آخرین بروزرسانی هستند و مطابق پیش‌بینی انجام‌شده، اکثر ناوگان دیگر آن در چند سال آینده از آن برخوردار می‌شوند.
منبع:
#موتور توربوفن #موتور هوایی #موتور لیپ #رولزرویس #پرت‌اندویتنی #جنرال الکتریک
