Aviation
Przyszłość Lotnictwa
GE Aviation i Safran przedstawiają nowy program rozwoju technologii mający na celu obniżenie emisji CO2 o 20%.
Jun 2021
Travis Harper spędził swoje życie w otoczeniu samolotów. Dorastając dwie przecznice od lotniska Midway na południowej stronie Chicago, co osiem minut nad jego rodzinnym domem przelatywał lądujący odrzutowiec napędzany naszymi silnikami CFM56. „Przez całe dzieciństwo byłem zafascynowany lotnictwem. Patrzyłem na startujące i lądujące samoloty i wyobrażałem sobie, że mam możliwość podróżowania i poznawania świata” – mówi.
To właśnie ta fascynacja pomogła Harperowi wyznaczyć kierunek jego życia. Ukończył studia inżynierskie na Northwestern University i Ohio State, a następnie dostał się do zespołu GE Aviation projektującego i produkującego najbardziej zaawansowane komercyjne silniki odrzutowe na świecie. Fascynacja lotnictwem zaprowadziła go również do Dubaju, gdzie pomagał Emirates Airline utrzymać w ruchu flotę samolotów napędzanych silnikami GE90 i GP7200, oraz do Seattle, gdzie wspierał wysiłki Boeinga mające na celu wprowadzenie do eksploatacji samolotu 777X napędzanego naszym silnikiem GE9X. Dzięki temu znalazł się w najnowszym rozdziale swojej kariery – pełni rolę lidera w zespole, który na nowo wymyśla przyszłość lotnictwa. On i jego koledzy demonstrują technologię, która ostatecznie doprowadzi do opracowania silnika zużywającego o 20% mniej paliwa i emitującego o 20% mniej CO2 niż najbardziej wydajne obecnie silniki odrzutowe.
Harper jest menedżerem produktu GE w programie CFM RISE, ogłoszonym w poniedziałek przez firmy macierzyste CFM – GE i Safran Aircraft Engines. Odważna wizja programu RISE jest doskonale uchwycona w jego nazwie: Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (z ang. Rewolucyjne Innowacje dla Zrównoważonych Silników). „Ten program rozwoju technologii dowodzi wspólnego zaangażowania GE i Safran w realizację ambitnych celów na rzecz bardziej zrównoważonej przyszłości” – mówi Harper.
Firma CFM została założona prawie 50 lat temu, a partnerzy właśnie uzgodnili przedłużenie działalności joint venture do roku 2050. Firma dostarczyła ponad 35 000 silników do ponad 600 operatorów na całym świecie. Flota ta przepracowała ponad 1 miliard godzin lotu, co odpowiada 20 podróżom w obie strony do Plutona. „Jest to najbardziej udana transatlantycka spółka joint venture na świecie, przynajmniej w dziedzinie lotnictwa” – mówi Harper.
Harper i jego koledzy stoją przed ogromnym zadaniem. Odkąd pierwsze silniki CFM weszły do użytku na początku lat 80., firma zmniejszyła zużycie paliwa i emisję CO2 o 40% w porównaniu z silnikami, które one zastąpiły. Harper i zespół najlepszych inżynierów na świecie zamierzają zmniejszyć te liczby o kolejne 20%, co stanowiłoby największy zysk z dekarbonizacji, jaki kiedykolwiek osiągnęliśmy. Ich ambitna wizja zależy od dużych postępów w architekturze i technologii silników. Ale zespół jest do tego przygotowany. „Spędzam dużo czasu z firmą Safran, producentami płatowców i liniami lotniczymi. Pracujemy razem, aby zdefiniować naszą wizję, określić przyszłe wymagania dotyczące produktów i zrealizować nasze wysiłki w celu opracowania silnika, który będzie najlepiej wspierał przyszłość lotów, tak jak my ją widzimy” – mówi Harper. „Obszar, który naszym zdaniem przyniesie największe korzyści i który planujemy zademonstrować w najbliższych latach, to koncepcja otwartego wentylatora, która przyniosłaby bardzo znaczącą poprawę spalania paliwa i emisji CO2”.
Wentylator z przodu tej architektury jest „otwarty”, ponieważ, w przeciwieństwie do innych silników turbowentylatorowych, nie jest otoczony obudową. Zaletą tego otwartego wentylatora jest to, że zapewnia on znaczną poprawę sprawności napędowej, co jest kluczowym czynnikiem wpływającym na zmniejszenie emisji i zużycia paliwa. „Nasze najbardziej zrównoważone rozwiązania – takie, które zapewniają największe korzyści – wymagają architektury z otwartym wentylatorem, co wynika z fizyki” – mówi Harper. „Chociaż badamy inne potencjalne konstrukcje, nie mogą one zapewnić takiego samego poziomu spalania paliwa i poprawy emisji CO2, jaki moglibyśmy osiągnąć dzięki otwartemu wentylatorowi”.
Wentylator ten jest również najbardziej rzucającą się w oczy cechą. Zespół planuje wykonać go ze specjalnego włókna węglowego tkanego w trzech wymiarach z wtryskiwaną żywicą. Lekki i wytrzymały materiał pozwala inżynierom na konstruowanie wirników o średnicy nawet 13 stóp, co z kolei zwiększa współczynnik obejścia i wydajność napędu.
Proszę zapamiętać to określenie. Współczynnik obejścia jest niezwykle ważną liczbą, która opisuje zależność pomiędzy siłą ciągu generowaną przez wirnik (wentylator) a ilością energii potrzebnej do napędzania wirnika. Silniki CFM rozwinęły się z początkowego współczynnika obejścia 5:1 w latach 80. do silnika LEAP, który ma współczynnik obejścia 11:1. Otwarty wentylator może osiągnąć współczynnik obejścia powyżej 70:1. „Przyspieszamy powietrze, które krąży wokół silnika o mniejszą ilość, ale uzyskujemy dużą korzyść, ponieważ jest to znacznie większa ilość powietrza” – mówi Harper.
W interesujący sposób otwarty wentylator nowej generacji będzie stał na ramionach innego otwartego wirnika, który firma GE, przy wsparciu Safran, opracowała w latach 80. dla NASA. Ten eksperymentalny silnik, nazwany GE36, miał również kompozytowe łopatki wentylatora i napędzał nawet samolot, który poleciał na pokaz lotniczy w Farnborough w 1988 roku.
GE36 pozwolił na znaczne oszczędności paliwa, ale ceny paliwa gwałtownie spadły po szoku naftowym w poprzedniej dekadzie. Jednak technologie, których pionierem był ten silnik, pomogły wytyczyć kierunek rozwoju lotnictwa na kolejne dziesięciolecia. Jego łopatki z włókna węglowego dały początek linii silników odrzutowych GE Aviation o wysokim stopniu przeciążenia, które pomogły producentom samolotów zbudować wydajne odrzutowce dalekiego zasięgu, takie jak Boeing 777 i Boeing 787 Dreamliner, które mogą używać tylko dwóch silników zamiast czterech. Od 1995 r. silnik GE90 dla Boeinga 777 pozostawał najmocniejszym silnikiem odrzutowym na świecie, dopóki w zeszłym roku nie został zdeklasowany przez GE9X. „W latach 80. ludzie wiedzieli, że otwarty wirnik to świetny pomysł” – mówi Harper – „ale wtedy nie byliśmy jeszcze tak zaawansowani w optymalizacji aerodynamiki i akustyki. Trzeba zdać sobie sprawę, że zespół, który pracował wtedy nad tym silnikiem, miał może jeden komputer mainframe w całym budynku”.
Harper twierdzi, że zarówno GE, jak i Safran dokonały „niewiarygodnego postępu dzięki narzędziom analitycznym i obliczeniowym, popartego wynikami testów, od tuneli aerodynamicznych po pełne testy silników”. W rzeczywistości firma Safran przetestowała swoją konstrukcję otwartego wirnika w 2018 roku. Jednak zbudowanie większego wentylatora nie jest jedynym sposobem na zwiększenie wydajności silnika. Inne podejście polega na ulepszeniu rdzenia silnika, w którym znajduje się sprężarka, komora spalania, turbina i inne elementy przekształcające energię paliwa w efektywny ruch obrotowy.
Zespół RISE robi to przy użyciu innego rewolucyjnego materiału, który został już przetestowany w silniku LEAP i GE9X. Materiał ten, zwany kompozytami o osnowie ceramicznej (CMC), jest o jedną trzecią lżejszy od stali, ale wytrzymuje temperatury sięgające 2400 stopni Fahrenheita, czyli przekraczające temperaturę topnienia wielu zaawansowanych stopów metalicznych. Taki wzrost temperatury poprawia sprawność cieplną silnika. „Opracowanie tej technologii zajęło nam 30 lat w GE Research, w naszych laboratoriach korporacyjnych, i byliśmy pionierami w silniku LEAP” – mówi Ted Ingling, emerytowany inżynier GE Aviation, który kierował rozwojem GE9X i był kierownikiem Harpera w programie. „Silnik LEAP jest najszybciej sprzedającym się silnikiem w historii CFM – w ciągu ostatnich pięciu lat dostarczono ich około 4 500. Dzięki temu programowi wiemy teraz, jak masowo produkować części z tego materiału i projektować nowe części, które wykorzystują jego właściwości”. Planowany silnik demonstracyjny będzie również zawierał komponenty drukowane w 3D, systemy hybrydowo-elektryczne, zaawansowane obwody wymiany ciepła i inne przełomowe technologie.
"Nigdy bym nie śnił, że będę przewodził naszym wysiłkom na rzecz rozwoju technologii, które sprawią, że latanie będzie jeszcze bardziej zrównoważone i dostępne dla przyszłych pokoleń"
Jednak zespół RISE dba również o to, aby producenci i operatorzy samolotów mogli w pełni wykorzystać zaawansowaną technologię. „Mamy możliwość stworzenia najlepszego silnika do najlepszego samolotu i vice versa, poprzez współpracę z producentami samolotów w celu optymalizacji instalacji i wydajności silnika w samolocie. Spędzam również dużo czasu z liniami lotniczymi i leasingodawcami, starając się zrozumieć ich strategie odnowy floty w połączeniu ze strategiami bardziej zrównoważonego rozwoju oraz to, w jaki sposób nasze przyszłe produkty mogą pomóc w zaspokojeniu ich potrzeb zarówno w najbliższej przyszłości, jak i po roku 2050. Partnerstwo, jakie nawiązujemy z tymi klientami, aby upewnić się, że nasze plany są zgodne z ich planami –że będziemy budować produkty, których potrzebują i pragną – jest naprawdę istotne”.
Dla Harpera wydaje się, jakby minęły wieki od pierwszego lotu, który odbył z rodziną z chłodnego Chicago na słoneczną Florydę. „Przez całe życie uczyłem się, jak działa przemysł lotniczy i jak różne elementy łączą się w całość” – mówi. „Zawsze chciałem nauczyć się jak najwięcej i jak najszybciej, dlatego otaczałem się ludźmi, od których mogłem się najwięcej nauczyć. Jako dziecko obserwujące startujące i lądujące samoloty na południowej stronie Chicago, nigdy bym nie śnił, że będę przewodził naszym wysiłkom na rzecz rozwoju technologii, które sprawią, że latanie będzie jeszcze bardziej zrównoważone i dostępne dla przyszłych pokoleń”.
Wymyślanie na nowo przyszłości lotnictwa z pewnością daje mu taką możliwość.
The original version of this story is by GE Reports, CFM RISE images in page credits - CFM International ©
