Aviation
Budoucnost Letectví
GE Aviation a Safran představují nový program vývoje technologie vedoucí ke snížení emisí CO2 o 20%.
Jun 2021
Travis Harper je celý život obklopen letadly. Vyrůstal poblíž letiště Midway na jihu Chicaga a každých osm minut těsně nad jeho domem přistávalo letadlo s našimi motory CFM56. „Od dětství mě fascinovalo letectví. Díval jsem se, jak letadla vzlétají a přistávají a při tom si představoval, že jednou budu mít možnost cestovat a poznávat svět,“ říká.
Tato fascinace pomohla určit směr Harperova života. Vystudoval inženýrství na univerzitě v Illinois a Ohiu a následně získal místo v GE Aviation, kde navrhoval a vyráběl nejmodernější komerční proudové motory na světě. Okouzlen létáním zamířil do Dubaje, kde pomáhal letecké společnosti Emirates udržovat v provozu flotilu letadel s motory GE90 a GP7200. Následně se přesídlil do Seattlu, kde pomáhal společnosti Boeing ve snaze uvést do provozu letadlo verze 777X poháněné naším motorem GE9X. A teď je na řadě další kapitola jeho kariéry – lídr týmu, který doslova přetváří budoucnosti letectví. Společně se svými kolegy představuje technologii, která povede k novému motoru s o 20 % menší spotřebou paliva, a také s o 20 % menší produkcí emisí CO2 než mají současné nejúčinnější proudové motory.
Slyšeli jste o programu CFM RISE Harper je právě jeho produktovým manažerem za společnost GE. V pondělí představily program RISE mateřské společnosti CFM - GE a Safran Aircraft Engines. Smělou vizi programu RISE dokonale vystihuje jeho název: Revolutionary Innovation for Sustainable Engines, v překladu Revoluční inovace pro udržitelné motory. „Tento program technologického vývoje představuje společný závazek společností GE a Safran. Společně chceme dosáhnout ambiciózního cíle udržitelnější budoucnosti,“ říká Harper.
Společnost CFM byla založena před téměř 50 lety a její partneři se právě dohodli na prodloužení spolupráce do roku 2050. Společnost dodala přes 35 000 motorů pro více než 600 provozovatelů po celém světě. Tato flotila má za sebou přes 1 miliardu letových hodin, což odpovídá tak zhruba 20 cestám k Plutu a zpět. „Je to nejúspěšnější transatlantický společný podnik na světě, alespoň v oblasti letectví,“ říká Harper.
Harper a jeho kolegové nyní stojí před obrovským úkolem. Od uvedení prvních motorů CFM do provozu na počátku 80. let 20. století, snížila společnost spotřebu paliva a emisí CO2 o 40 % ve srovnání s původními motory. Společně s týmem nejlepších světových inženýrů má Harper v úmyslu snížit tato čísla o dalších 20 %, což by představovalo největší dekarbonizaci, jaké jsme kdy dosáhli. Jejich ambiciózní vize závisí na velkém pokroku v architektuře a technologii motorů.
Tým je připraven čelit výzvě. „Trávím hodně času se společností Safran, výrobci letadel a leteckými společnostmi. Společně definujeme svou vizi, stanovujeme požadavky na budoucí produkty a vyvíjíme motor, který bude nejlépe představovat budoucnost letu“ říká Harper. „Oblast, která podle našeho názoru přinese největší užitek a kterou plánujeme v nadcházejících letech představit, je koncept otevřeného ventilátoru, který by přinesl velmi výrazné snížení spotřeby paliva a emisí CO2.“
Ventilátor v přední části nové architektury je „otevřený“, to znamená, že narozdíl od jiných proudových motorů s turboventilátorem není obklopen krytem. Výhodou tohoto otevřeného ventilátoru je výrazné zlepšení účinnosti pohonu, což je klíčový faktor přispívající ke snížení emisí a spotřeby paliva. „Naše nejudržitelnější řešení – ta, která přinášejí největší užitek – z fyzikálních důvodů vyžadují architekturu s otevřenými ventilátory,“ říká Harper. „Zkoumáme další možné architektury, které ale nemohou přinést stejnou úroveň snížení spotřeby paliva a emisí CO2, jaké bychom mohli dosáhnout s otevřeným ventilátorem.“Ventilátor v přední části nové architektury je „otevřený“, to znamená, že narozdíl od jiných proudových motorů s turboventilátorem není obklopen krytem. Výhodou tohoto otevřeného ventilátoru je výrazné zlepšení účinnosti pohonu, což je klíčový faktor přispívající ke snížení emisí a spotřeby paliva. „Naše nejudržitelnější řešení – ta, která přinášejí největší užitek – z fyzikálních důvodů vyžadují architekturu s otevřenými ventilátory,“ říká Harper. „Zkoumáme další možné architektury, které ale nemohou přinést stejnou úroveň snížení spotřeby paliva a emisí CO2, jaké bychom mohli dosáhnout s otevřeným ventilátorem.“
Tento ventilátor je zároveň nejnápadnějším prvkem. Tým jej plánuje vyrobit ze speciálních uhlíkových vláken tkaných ve třech rozměrech se vstřikovanou pryskyřicí. Tento lehký a houževnatý materiál umožňuje konstruktérům vyrábět rotory o průměru až 4 metrů, což zvyšuje obtokový poměr a účinnost pohonu.
Tento termín si zapamatujte. Obtokový poměr je mimořádně důležité číslo, které popisuje vztah mezi tahem, který rotor (ventilátor) vytváří, a množstvím energie potřebné k pohonu rotoru. Motory CFM se z původního obtokového poměru 5 : 1 v 80. letech 20. století vyvinuly v motor LEAP, jehož obtokový poměr je 11 : 1. Otevřený ventilátor by mohl dosáhnout obtokového poměru vyššího než 70 : 1. „Mírně zvyšujeme rychlost vzduchu, který proudí kolem motoru, přínos je ale vysoký, protože kolem motoru proudí mnohem větší množství vzduchu,“ říká Harper.
Nová generace otevřeného ventilátoru bude zajímavým způsobem stát na ramenou jiného otevřeného rotoru, který společnost GE s podporou společnosti Safran vyvinula v 80. letech minulého století ve spolupráci s NASA. Tento experimentální motor se jmenoval GE36, měl kompozitní lopatky ventilátoru, a dokonce poháněl letadlo, které v roce 1988 letělo na leteckou přehlídku ve Farnborough.
Motor GE36 dosáhl značných úspor paliva, ale po ropných šocích v předchozím desetiletí ceny ropy dramaticky klesly. Přesto technologie, které tento motor představil, pomohly určovat směr vývoje letectví po dalších několik desetiletí. Jeho lopatky z uhlíkových vláken stály u zrodu řady proudových motorů GE Aviation s vysokým obtokem. Pomohly výrobcům letadel vyrábět efektivní proudová letadla pro dlouhé vzdálenosti, jako je Boeing 777 a Boeing 787 Dreamliner, která mohou používat pouhé dva motory namísto čtyř. Od roku 1995 byl motor GE90 pro Boeing 777 nejvýkonnějším proudovým motorem na světě, dokud ho prvenství nezbavil motor GE9X. „Lidé v 80. letech věděli, že otevřený rotor je skvělý nápad,“ říká Harper, „ale tehdy naše schopnost optimalizace aerodynamiky a akustiky nebyla tak vyspělá. Je nutné si uvědomit, že tým, který na tomto motoru tehdy pracoval, měl v celé budově možná tak jeden sálový počítač.“
Harper říká, že společnosti GE a Safran dosáhly „neuvěřitelného pokroku díky analytickým a výpočetním nástrojům, které se opírají o výsledky testů z aerodynamických tunelů až po testy celých motorů.“ Společnost Safran dokonce v roce 2018 testovala konstrukci s otevřeným rotorem. Výroba většího ventilátoru však není jediným způsobem, jak zvýšit účinnost motoru. Další přístup spočívá ve zdokonalení jádra motoru, v němž se nachází kompresor, spalovací komora, turbína a další součásti, které přeměňují energii paliva na účinný otáčivý pohyb.
Tým programu RISE k tomu využívá další revoluční materiál, který již byl testován v motorech LEAP a GE9X. Tento materiál, nazývaný kompozity s keramickou matricí (CMC), je o třetinu lehčí než ocel a odolává teplotám až 1 300 stupňů Celsia, což je více než teplota tavení mnoha pokročilých kovových superslitin. Toto zvýšení teploty zlepšuje tepelnou účinnost motoru. „Trvalo nám 30 let, než jsme ve výzkumných laboratořích GE Research tuto technologii vyvinuli, a jako první jsme ji použili v motoru LEAP,“ říká Ted Ingling, inženýr společnosti GE Aviation, který vedl vývoj motoru GE9X a v tomto programu byl Harperovým vedoucím. „Motor LEAP je nejrychleji prodávaným motorem v historii společnosti CFM, za posledních pět let jich bylo dodáno přibližně 4 500. Díky tomuto programu nyní víme, jak z tohoto materiálu hromadně vyrábět díly a navrhovat nové díly, které využívají jeho vlastnosti.“ Plánovaný demonstrační motor bude také obsahovat komponenty vytištěné 3D tiskem, hybridní elektrické systémy, pokročilé obvody pro přenos tepla a další průlomové technologie.
"Když jsem byl dítětem, které sledovalo vzlétání a přistávání letadel na jihu, ani ve snu by mě nenapadlo, že jednou budu stát v čele našeho úsilí o vývoj technologií, díky nimž bude létání ještě udržitelnější a dostupnější pro další generace"
Tým programu RISE se však také snaží zajistit, aby výrobci a provozovatelé letadel mohli plně využívat pokročilé technologie. „Máme možnost vyrábět ten nejlepší motor pro nejlepší letadlo a naopak, a to díky spolupráci s výrobci letadel na optimalizaci instalace a výkonu motoru v letadle. Hodně času trávím také s leteckými společnostmi a pronajímateli a snažím se pochopit jejich strategii obnovy letadlové flotily a strategii udržitelnějšího rozvoje a zjistit, jak naše budoucí produkty mohou pomoci řešit jejich potřeby jak v nejbližší době, tak i po roce 2050. Partnerství, které s těmito zákazníky navazujeme, je důležité, abychom se ujistili, že naše plány jsou v souladu s jejich plány – že budeme vyrábět produkty, které potřebují a chtějí.“
Harperovi připadá, že od prvního letu z chladného Chicaga na slunnou Floridu, kam se vydal se svou rodinou, uplynula již věčnost. „Celý život zjišťuji, jak funguje letecký průmysl a jak jsou jednotlivé jeho součásti propojeny,“ říká. „Vždy jsem se chtěl co nejrychleji naučit co nejvíc a obklopoval jsem se lidmi, díky kterým jsem toho mohl dosáhnout. Když jsem byl dítětem, které sledovalo vzlétání a přistávání letadel na jihu, ani ve snu by mě nenapadlo, že jednou budu stát v čele našeho úsilí o vývoj technologií, díky nimž bude létání ještě udržitelnější a dostupnější pro další generace.“
Přetváření budoucnosti letu mu tuto příležitost rozhodně dává.
The original version of this story is by GE Reports, CFM RISE images in page credits - CFM International ©
