НАСА X-57 Максвелл
Отмененный экспериментальный электрический самолет НАСА

X-57 Максвелл
Художественное представление X-57 (Mod IV)
РольЭкспериментальный легкий самолет
Тип самолета
Национальное происхождениеСоединенные Штаты
ПроизводительESAero [1]
СтатусОтменено (июнь 2023 г.)
Основной пользовательНАСА
Разработано изТекнам P2006T

NASA X-57 Maxwell — экспериментальный самолёт, разработанный NASA , предназначенный для демонстрации технологий по сокращению потребления топлива , выбросов и шума . [2] Первый полёт X-57 был запланирован на 2023 год, но программа была отменена из-за проблем с двигательной установкой. [3] [4] [5]

Разработка

Эксперимент включал замену крыльев на двухмоторном итальянском самолете Tecnam P2006T (обычный четырехместный легкий самолет) на крылья с распределенной электрической тягой (DEP), каждое из которых содержало электрические пропеллеры. Первоначально испытательные полеты планировалось начать в 2017 году. [6]

На первом этапе испытаний использовалось 18-моторное крыло, установленное на грузовике. На втором этапе были установлены пропеллеры и двигатели на стандартном P2006T для наземных и летных испытаний. Испытания на этапе 3 должны были включать крыло DEP с высокой подъемной силой и демонстрировать повышенную эффективность высокоскоростного крейсерского полета. Гондолы передней кромки должны были быть установлены, но пропеллеры с высокой подъемной силой, двигатели и контроллеры не должны были быть установлены. На этапе 4 должны были быть добавлены двигатели DEP и складные пропеллеры для демонстрации увеличения подъемной силы. [7]

Проект LEAPTech

Проект Leading Edge Asynchronous Propeller Technology ( LEAPTech ) — это проект NASA, разрабатывающий экспериментальную технологию электрического самолета, включающую множество небольших электродвигателей, приводящих в движение отдельные небольшие пропеллеры, распределенные по краю каждого крыла самолета . [8] [9] [10] Для оптимизации производительности каждый двигатель может работать независимо на разных скоростях, что снижает зависимость от ископаемого топлива, улучшает летные характеристики самолета и качество полета, а также снижает уровень шума самолета. [11]

Проект LEAPTech начался в 2014 году, когда исследователи из NASA Langley Research Center и NASA Armstrong Flight Research Center объединились с двумя калифорнийскими компаниями: Empirical Systems Aerospace (ESAero) в Писмо-Бич и Joby Aviation в Санта-Круз, Калифорния . ESAero является генеральным подрядчиком, отвечающим за системную интеграцию и приборостроение, в то время как Joby отвечает за проектирование и производство электродвигателей, пропеллеров и секции крыла из углеродного волокна. [11]

В 2015 году исследователи НАСА провели наземные испытания 31-футовой (9,4 м) секции крыла из углеродного композита с 18 электродвигателями, работающими от литий-железо-фосфатных батарей . Предварительные испытания до 40 миль в час (64 км/ч; 35 узлов) прошли в январе в аэропорту округа Оушен на центральном побережье Калифорнии. Установленный на специально модифицированном грузовике, он был испытан на скорости до 70 миль в час (110 км/ч; 61 узел) поперек высохшего дна озера на авиабазе Эдвардс позднее в 2015 году. [11]

Эксперимент предшествует демонстрационному образцу X-57 Maxwell X-plane , предложенному в рамках программы NASA Transformative Aeronautics Concepts. Пилотируемый X-plane должен полететь в течение пары лет после замены крыльев и двигателей Tecnam P2006T на улучшенную версию крыла и двигателей LEAPTech. Использование существующего планера позволит инженерам легко сравнить характеристики X-plane с оригинальным P2006T. [11]

X-57 Максвелл

«Максвелл» был включен в иллюстрацию к Национальному дню авиации 2016 года.

Проект X-57 был публично представлен администратором НАСА Чарльзом Болденом 17 июня 2016 года в программной речи в Американском институте аэронавтики и астронавтики (AIAA) на его выставке Aviation 2016. [12] [13] Самолет был назван в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла . [2]

Первый X-самолет NASA за более чем десятилетие, он является частью инициативы NASA New Aviation Horizons, которая также будет производить до пяти более крупных самолетов. X-57 был построен в рамках проекта агентства SCEPTOR в течение четырехлетнего периода разработки в Armstrong Flight Research Center , Калифорния, с первым полетом, первоначально запланированным на 2017 год. [14] [15] [16]

В июле 2017 года Scaled Composites модифицировала первый P2006T до конфигурации X-57 Mod II, заменив поршневые двигатели на электродвигатели Joby Aviation , с планами на полеты в начале 2018 года. Конфигурация Mod III переместит двигатели на законцовки крыла для повышения пропульсивной эффективности . Конфигурация Mod IV будет включать установку крыла Xperimental, LLC с большим удлинением и 12 меньшими пропеллерами вдоль передней кромки для увеличения взлетной и посадочной аэродинамической подъемной силы . [17]

Донор Tecnam P2006T был получен в Калифорнии в июле 2016 года. В ходе испытаний в декабре 2016 года произошло короткое замыкание в аккумуляторной ячейке, и перегрев распространился на другие ячейки, что потребовало перепроектирования упаковки с восьми до шестнадцати модулей с алюминиевыми сотовыми сепараторами. Rotax 912 будут заменены электродвигателями мощностью 60 кВт (80 л. с.) для Mod II. Целевой вес Mod III составляет 3000 фунтов (1400 кг) по сравнению с 2700 фунтами (1200 кг) у P2006T и нацелен на 500% более высокую эффективность на высокой скорости, поскольку меньшее крыло снизит сопротивление на крейсерском режиме , в то время как винты на законцовках крыла будут противодействовать вихрям на законцовках крыла . Mod IV с 12 винтами для взлета и посадки на тех же скоростях, что и P2006T, пока не профинансирован. [18]

В декабре 2017 года переработанный пассивно охлаждаемый аккумуляторный модуль с 320 литий-ионными ячейками вместо 640 прошел испытания. Этот опыт помог Electric Power Systems разработать аккумулятор для Bye Aerospace Sun Flyer 2 , который совершил свой первый полет в апреле 2018 года. Joby Aviation поставила три маршевых двигателя в 2017 году и собирала последнюю пару в июне 2018 года. Приемочные испытания двигателя, включающие 80-часовое испытание на выносливость, должны были быть упрощены перед интеграцией в транспортное средство. Планировалось, что подрядчик ES Aero проведет обширные наземные испытания в течение месяцев, кульминацией которых станет 30-минутное испытание на полной мощности, похожее на миссию, перед полетом в 2019 году. [19]

К сентябрю 2018 года первые электрические круизные двигатели Joby Aviation JM-X57 были установлены с контроллерами, батареями и новыми дисплеями в кабине на заводе Scaled Composites в Мохаве, а летные испытания планировалось начать в середине 2019 года. Строительство композитного крыла ESAero с большим удлинением и малым сопротивлением было тогда почти завершено, чтобы запустить Mod 3 к середине 2020 года. [20]

Наземные испытания новых электродвигателей Mod II на оригинальном крыле, июнь 2019 г.

Построенный Xperimental, оптимизированный для крейсерского полета тест нагрузки крыла был завершен к сентябрю 2019 года, до ±120% от предела проектной нагрузки, проверяя свободное перемещение поверхностей управления и вибрационные испытания для прогнозирования флаттера. После наземных испытаний двигателей ESAero должна была доставить Mod 2 X-plane с электродвигателями, заменяющими оригинальные поршневые двигатели, в Исследовательский центр NASA Armstrong в Калифорнии в первую неделю октября. [21] ESAero доставила его 2 октября 2019 года . [22] В то время наземные испытания систем должны были начаться к концу 2019 года, а летные испытания планировалось начать в третьем квартале 2020 года. [23]

К февралю 2021 года НАСА должно было начать высоковольтные функциональные наземные испытания Mod 2 в Центре летных исследований Армстронга в Эдвардсе, Калифорния , в преддверии рулежных испытаний и первого полета. [24]

В июне 2023 года программа была отменена из-за проблем безопасности, обнаруженных в двигательной системе, которые не удалось решить в рамках выделенного бюджета и времени для программы. Программа была начата с предположением, что существующая технология электродвижения достаточно зрелая для безопасного полета, но это оказалось не так. [4] [5]

Дизайн

Модель окончательной версии mod 4 с разрезом по центральной линии, показывающая аккумуляторную систему, крыло с большим удлинением, электродвигатели и тяговую шину

Модифицированный из Tecnam P2006T , X-57 был бы электрическим самолетом с 14 электродвигателями, приводящими в движение винты, установленные на передних кромках крыла. [25] Все 14 электродвигателей будут использоваться во время взлета и посадки, и только два внешних двигателя будут использоваться во время крейсерского полета . Дополнительный поток воздуха над крыльями, создаваемый дополнительными двигателями, создает большую подъемную силу, что позволяет сделать крыло более узким. Самолет вмещает двоих. [26] Он будет иметь дальность полета 100 миль (160 км) и максимальное время полета около одного часа. Конструкторы X-57 надеются сократить в пять раз энергию, необходимую для полета легкого самолета со скоростью 175 миль в час (282 км/ч; 152 узла). [14] Трехкратное сокращение должно быть достигнуто за счет перехода с поршневых двигателей на аккумуляторные. [21]

Распределенная тяга увеличивает количество и уменьшает размер двигателей самолета. Электродвигатели существенно меньше и легче реактивных двигателей эквивалентной мощности. Это позволяет размещать их в разных, более благоприятных местах. В этом случае двигатели должны быть установлены выше и распределены вдоль крыльев, а не подвешены под ними. [7]

Пропеллеры установлены над крылом. Они увеличат поток воздуха над крылом на более низких скоростях, увеличивая его подъемную силу. Увеличенная подъемная сила позволяет ему работать на более коротких взлетно-посадочных полосах . Такое крыло может быть всего в треть ширины крыла, которое оно заменяет, что экономит вес и расходы на топливо. Типичные крылья легких самолетов относительно большие, чтобы предотвратить сваливание самолета (что происходит на низких скоростях полета, когда крыло не может обеспечить достаточную подъемную силу). Большие крылья неэффективны на крейсерской скорости, поскольку они создают избыточное сопротивление . [6] Крылья будут оптимизированы для крейсерского полета, а двигатели будут защищать его от сваливания на низкой скорости и достигать стандарта малых самолетов в 70 миль в час (113 км/ч; 61 узел). [7]

Скорость каждого пропеллера может контролироваться независимо, что дает возможность изменять схему воздушного потока над крылом, чтобы справляться с условиями полета, такими как порывы ветра. При крейсерском полете пропеллеры, расположенные ближе к фюзеляжу, можно было бы сложить назад, чтобы еще больше уменьшить сопротивление, оставив те, что ближе к концам крыла, для перемещения самолета. Такой самолет не будет иметь выбросов в полете, будет работать с меньшим шумом и снизит эксплуатационные расходы примерно на 30%. [6] Ожидалось, что крейсерская эффективность увеличится в 3,5–5 раз. [7]

Размах крыла 31,6 фута (9,6 м) с удлинением 15 сравнивается с размахом 37,4 фута (11,4 м) и удлинением 8,8 для стандартного крыла P2006T, хорда узкого крыла составляет 2,48 фута (0,76 м) у корня крыла и 1,74 фута (0,53 м) на конце. [7] Крыло оснащено двенадцатью крейсерскими винтами диаметром 1,89 фута (0,58 м), каждый из которых требует 14,4 кВт (19,3 л. с.) мощности двигателя при скорости 63 миль/ч (102 км/ч; 55 узлов) и повороте со скоростью 4548  об/мин . Пятилопастные винты складываются в крейсерском режиме для уменьшения сопротивления. На каждом конце крыла установлены два 3-лопастных пропеллера диаметром 5 футов (1,5 м), каждый из которых требует 48,1 кВт (64,5 л. с.) при скорости 170 миль/ч (280 км/ч; 150 узлов) и оборотах 2250 об/мин. Расположение конца крыла обеспечивает благоприятное взаимодействие с вихрями на конце крыла , что, как ожидается, обеспечит 5% экономии сопротивления. [7] Вес аккумуляторных батарей емкостью 47 кВт·ч (170 МДж) составляет 860 фунтов (390 кг) при плотности 121 Вт·ч/кг. [20]

Массив из 12 винтов с высокой подъемной силой должен поддерживать скорость сваливания 67 миль в час (107 км/ч; 58 узлов) . Оптимизированное крыло имеет 40% базовой площади, что снижает сопротивление трения и нагрузку на крыло в 2,6 раза выше. [21] Оно будет иметь ширину 32,8 фута (10,0 м), но будет иметь на 40% меньшую хорду , для нагрузки на крыло от 17 до 45 фунтов на квадратный фут (от 83 до 220 кг/м2 ) , и должно летать с более высоким коэффициентом подъемной силы , около 4, более чем в два раза больше, чем у базового крыла. [23]

  • Модификация II
    Модификация II
  • Модификация III
    Модификация III
  • Модификация IV
    Модификация IV

Технические характеристики (Мод IV)

Данные НАСА [27]

Общая характеристика

  • Вместимость: 2 человека
  • Размах крыльев: 32,8 фута (10,0 м) [23]
  • Площадь крыла: 67,0 кв. футов (6,22 м 2 ) 42% от базовой площади 14,8 м 2 [28]
  • Соотношение сторон : 15 [7]
  • Вес брутто: 3000 фунтов (1361 кг)
  • Аккумулятор: литий-ионный , 460 В, 69,1 кВт·ч общая, 47 кВт·ч полезная, 860 фунтов (390 кг), 80 Вт·ч/фунт (180 Вт·ч/кг) удельная энергия
  • Силовая установка: 2 × специальных электродвигателя , 97 л.с. (72 кВт) каждый (макс.), 80 л.с. (60 кВт) каждый (постоянная),
    117 фунтов (53 кг) каждый (включая пропеллер), с воздушным охлаждением, единственные двигатели для использования во время крейсерского полета, установлены на законцовках крыльев.
  • Силовая установка: 12 × специальных электродвигателей , 14,1 л.с. (10,5 кВт) каждый,
    15 фунтов (6,8 кг) каждый (включая пропеллер), с воздушным охлаждением, только для взлета и посадки, установлены на передних кромках крыла.
  • Винты: 2 × изготовленных на заказ 3-лопастных винта, диаметром 5 футов (1,5 м), 2250 об/мин, [7] независимо управляемая переменная скорость
  • Винты: 12 × специальных 5-лопастных винтов, диаметр 1,9 фута (0,58 м), 4548 об/мин, [7] независимо управляемая переменная скорость, складные

Производительность

  • Крейсерская скорость: 149 узлов (172 мили/ч, 277 км/ч) на высоте 8000 футов
  • Скорость сваливания: 58 узлов (67 миль/ч, 107 км/ч)
  • Дальность: 87 миль (100 миль, 160 км) [14]
  • Продолжительность: около 1 часа [14]
  • Практический потолок: 14 000 футов (4 300 м)
  • Нагрузка на крыло: 45 [23]  фунт/кв. фут (220 кг/м 2 )
  • Коэффициент подъемной силы : 4 [23] (возможно из-за дополнительной подъемной силы, создаваемой пропеллерами, расположенными таким образом, чтобы увеличить поток воздуха над крыльями)

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Джули Линэм (29 сентября 2015 г.). «ESAero, базирующаяся в Океано, построит NASA X-plane». The Tribune .
  2. ^ ab Beutel, Allard (17 июня 2016 г.). "NASA Electric Research Plane Gets X Number, New Name". NASA . Получено 19 июня 2016 г. .
  3. ^ "Расписание запусков НАСА". НАСА . Получено 25 декабря 2022 г.
  4. ^ ab Verger, Rob (23 июня 2023 г.). «NASA убивает свою программу электрических самолетов еще до того, как самолеты оторвутся от земли». Popular Science . Получено 25 июня 2023 г.
  5. ^ ab Niles, Russ (25 июня 2023 г.). "NASA Axes X-57 Maxwell Before First Flight". AVweb . Архивировано из оригинала 26 июня 2023 г. . Получено 26 июня 2023 г. .
  6. ^ abc "Электрифицирующий полет". The Economist . 17 сентября 2015 г. ISSN  0013-0613.
  7. ^ abcdefghi Грэм Уорвик (4 сентября 2015 г.). «Испытание крыла с электрическим двигателем NASA помогает сформировать следующий X-Plane». Aviation Week & Space Technology .
  8. ↑ Грейди, Мэри (18 марта 2015 г.). «Проект электрического самолета НАСА продвигается вперед». AVweb .
  9. ^ Сонди, Дэвид (18 марта 2015 г.). «Может ли это 18-моторное крыло стать будущим электрических самолетов?». Gizmag .
  10. ^ Голсон, Джордан (20 марта 2015 г.). «NASA прикрепляет 18 пропеллеров к крылу, потому что наука». Wired .
  11. ^ abcd Мерлин, Питер (16 марта 2015 г.). «LEAPTech продемонстрирует технологии электродвижения». NASA. Архивировано из оригинала 6 мая 2018 г. Получено 2 января 2024 г.
  12. ↑ Дэйнс, Гэри (17 июня 2016 г.). «На этой неделе НАСА, 17 июня 2016 г.». НАСА .
  13. ^ «ЗАМЕЧАНИЯ ДЛЯ АДМИНИСТРАТОРА БОЛДЕНА AIAA AVIATION 2016 «От концепции к реальности: наш путь к трансформации авиации»» (PDF) . NASA. 17 июня 2016 г., стр.  9–11 .
  14. ^ abcd Мэтт Макфарланд (16 июня 2016 г.). «Новый электрический самолет НАСА может стать значительным шагом на пути к более чистой эре авиации». Washington Post .
  15. ↑ Алан Бойл (17 июня 2016 г.). «NASA получает первый официальный X-самолет за десятилетие: электрический корабль под названием X-57 Maxwell». GeekWire .
  16. ↑ Ясмин Таяг (17 июня 2016 г.). «Администратор НАСА Чарли Болден: X-57 полетит в следующем году». Inverse.com .
  17. ^ Грэм Уорвик (19 июля 2017 г.). «NASA продвигается вперед с электрическим X-plane». Aviation Week Network .
  18. ^ Грэм Уорвик (26 октября 2017 г.). «Электрический X-Plane приближается к решающему тесту батареи». Aviation Week Network .
  19. ^ Уорик, Грэм; Норрис, Гай (5 июня 2018 г.). «НАСА делится тяжелыми уроками по мере продвижения полностью электрического X-57». Aviation Week & Space Technology .
  20. ^ Гай Норрис (5 сентября 2018 г.). «Установка двигателя — важная веха для электрического самолета NASA X-plane». Aviation Week & Space Technology .
  21. ^ abc Graham Warwick (30 сентября 2019 г.). "Неделя в технологиях, 30 сентября - 4 октября 2019 г.". Неделя авиации и космических технологий .
  22. ↑ Поттер, Шон (3 октября 2019 г.). «NASA получает первый полностью электрический экспериментальный самолет». NASA . Получено 8 ноября 2019 г. .
  23. ^ abcde Гай Норрис (14 ноября 2019 г.). "NASA All-Electric X-57 Readied For Ground-Test Phase". Aviation Week & Space Technology .
  24. ^ "NASA начнет высоковольтные наземные испытания полностью электрического X-57" (пресс-релиз). NASA. 25 февраля 2021 г.
  25. ^ Кит Баттон (май 2016 г.). «Полет на электронах» (PDF) . Американский институт аэронавтики и астронавтики.
  26. ↑ Стив Фокс (26 июля 2016 г.). «Кабина первого полностью электрического самолета». NASA.
  27. ^ "X-57 Maxwell" (PDF) . NASA . 28 июня 2021 г. LG-2018-04-048-AFRC. Архивировано (PDF) из оригинала 29 декабря 2022 г. . Получено 29 декабря 2022 г. .
  28. ^ "P2006T". Tecnam .
  • Будущее авиационного движения — электрическое
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=NASA_X-57_Maxwell&oldid=1262406931"