Även om hybrid-elbilar börjar bli vardag, liknande teknik som tillämpas på flygplan kommer med betydligt olika utmaningar. University of Illinois flygingenjörer vänder sig till några av dem mot utvecklingen av ett mer hållbart alternativ till fossila bränslen för att driva flygplan.

"Jetbränsle och flygbensin är lätta att förvara på ett flygplan. De är kompakta och lätta jämfört med mängden energi de ger. Tyvärr, själva förbränningsprocessen är mycket ineffektiv. Vi utnyttjar bara en liten del av den energin men vi har för närvarande inga elektriska lagringssystem som kan konkurrera med det, sa Philip Ansell, biträdande professor vid avdelningen för flygteknik vid College of Engineering vid University of Illinois.

Ansell sa att det kan verka logiskt att lägga till fler batterier för att flyga längre. men det motarbetar målet att göra ett flygplan så lätt som möjligt. "Det är en av de stora barriärerna vi stöter på när vi designar batteridrivna elektrifierade flygplan. Den nuvarande tekniken har mycket betydande räckviddsnackdelar. Men starka fördelar med bränsleförbränning."

Han, tillsammans med före detta flyg- och rymdstudent, Tyler Dean, och nuvarande doktorand Gabrielle Wroblewski, använde en serie simuleringar för att modellera prestandan hos hybridelektriska flygplan.

"Vi började med ett befintligt tvåmotorigt flygplan och tittade på hur vi kunde skapa en hybridelektrisk drivlina för det med hjälp av befintlig hårdvara från hyllan, ", sa Ansell. "Vi ville veta hur bra det skulle prestera. Om jag använde en viss uppsättning drivlinskomponenter, Jag vill veta hur långt flygplanet kan flyga, hur mycket bränsle förbränner den, hur snabbt kan man klättra – alla de övergripande flygprestanda förändras."

En flygprestandasimulator skapades för att exakt representera den verkliga flygprestandan för en Tecnam P2006T på ett allmänt uppdrag att inkludera start, klättra, kryssning, härkomst, och landning, tillsammans med tillräckliga reserver för att uppfylla FAA:s regler. Övergångssegment inkorporerades i simuleringen under stigning och nedstigning där gasinställningen, klaffplacering, propellerns rotationshastighet, och alla andra flygkontrollvariabler var antingen inställda för att efterlikna input från en typisk pilot eller ordinerades i enlighet med flygplanets flygmanual.

Efter att ha konfigurerat simulatorn för att samla in baslinjeprestandadata, en parallell hybriddrivlina integrerades i simuleringen. Forskarna jämförde känsligheten för räckvidd och bränsleekonomi med nivån av elektrifiering, batterispecifik energitäthet, och elmotorns effekttäthet. Samma känslighet studerades med en serie hybrid-elektrisk drivlina.

Ansell sa att övergripande, en hybrid-elektrisk drivlina kan leda till avsevärda förbättringar av bränsleeffektiviteten för en given flygplanskonfiguration, även om dessa vinster starkt beror på de kopplade variationerna i graden av drivlinans elektrifiering och det erforderliga uppdragsområdet. Båda dessa faktorer påverkar vikttilldelningen av batteri- och bränslesystem, samt viktskalning som åläggs av förbränningsmotorer och elektriska motorkomponenter. I allmänhet, för att uppnå högsta bränsleeffektivitet bör en hybridarkitektur användas med så mycket elektrifiering i drivlinan som är tillåtet inom ett givet intervallkrav.

Förbättringarna av bränsleeffektiviteten visade sig vara särskilt lysande för kortdistansuppdrag, vilket är bra eftersom räckviddsbegränsningar fungerar som en av de viktigaste flaskhalsarna i genomförbarheten av hybridflygplan. Fastän, genom denna studie kunde förändringarna i flygplanets räckviddskapacitet också förutses med framsteg inom hybridkomponentteknologier. "Till exempel, Ansell sa, "framdrivningssystemet idag skulle kunna konfigureras så att 25 procent av sin framdrivningseffekt kommer från en elmotor. den skulle bara kunna flyga cirka 80 sjömil. Spola framåt till prognoser för lättare batteriteknik för ungefär år 2030 och samma flygplan skulle kunna flyga två och en halv till tre gånger så långt. Räckviddsökningen är olinjär, så de största förbättringarna kan ses för de mest omedelbara förbättringarna med batterispecifik energitäthet, med gradvis minskande avkastning för samma proportionella ökning av specifik energi."

"Ett intressant och oväntat resultat vi observerade, dock, kom till när man jämförde parallell- och seriehybridarkitekturen. Eftersom den parallella arkitekturen mekaniskt kopplar ihop motorns och motorns axelkraft, endast en elektrisk maskin behövs. För seriens arkitektur, en generator behövs också för att omvandla motoreffekten till elektrisk kraft, tillsammans med en större motor än parallellhybridkonfigurationen för att driva propulsorn. Oväntat, denna aspekt gjorde den parallella arkitekturen mer fördelaktig för förbättrad räckvidd och bränsleförbränning nästan över hela linjen på grund av dess lägre vikt. Dock, vi observerade att om betydande förbättringar görs i mogna elektriska motorkomponenter på mycket lång sikt, vi kan faktiskt en dag se bättre effektivitet av seriehybridarkitekturer, eftersom de tillåter en större flexibilitet vid placering och distribution av framdrivare."

Teamet valde att modellera Tecnam P2006T med hjälp av en serie prestandavariabler som finns i publicerade artiklar av flygplanstillverkaren. De valde just det flygplanet, till viss del, eftersom NASA har arbetat på deras X-57 flygplan, som har spetspropellrar för höglyft. "Denna studie genomfördes för NASA, och användningen av detta flygplan gjorde det också möjligt för våra resultat att bli bättre applicerbara på konceptfordonet X-57, ", sa Ansell. "Med vår data, de kommer att kunna ha åtminstone en idé om hur hybridsystemet kommer att fungera utan de andra distribuerade framdrivningsmodifieringarna."

Ansell sa att framdrivningselektrifiering fortfarande är mycket okänd när det gäller hur ett fordon ska byggas, konstruerad, flugit. "Vår studie hjälper till att informera dessa diskussioner. Vi tittade bara på batterilagringssystem även om det finns många fler som kan implementeras, var och en med sina egna fördelar och nackdelar. Denna studie gjorde det möjligt för oss att titta på vilka typer av framsteg som måste göras inom motorteknik, inom batteriteknik, etc."

Studien, "Uppdragsanalys och känslighetsstudie på komponentnivå av hybrid-elektriska framdrivningssystem för allmänflyg, " dirigerades av Tyler Dean, Gabrielle Wroblewski, och Philip Ansell. Det visas i Journal of Aircraft .