Framtidens sportflygplan. En studie av möjliga koncept med grön framdrivning. Patrick Berry Fluid and Mechatronic Systems

Transkript

1 Framtidens sportflygplan. En studie av möjliga koncept med grön framdrivning Patrick Berry Fluid and Mechatronic Systems

2 Inledning Nästa generations sportflygplan kommer att behöva en radikal förändring i framdrivnings principer Varför? Fossilt bränsle kommer att bli svåråtkomligt och dyrt Fossilt bränsle är inte miljövänligt och kan (möjligtvis) komma att förbjudas i framtiden Så vad gör man?! 1) Går över till biobränsle 2) Använder elektrisk framdrivning

3 Inledning Denna studien fokuserar på elektrisk framdrivning och de följder olika energikällor får på flygplanets utformning och prestanda Effekten av olika energikällor som solenergi, batteridrift och drift med bränsleceller behandlas

4 Soldrift Inspirationskälla : Muskeldrivna flygplan Daedalus (MIT) Gossamer Albatross

5 Soldrift Inspirationskälla : Tidigare soldrivna projekt Motorn igång Avstängd motor Solair 2

6 Frågor Kan man med dagens teknologi konstruera en farkost med grön framdrivning som dessutom är kommersiellt gångbar, eller förblir det bara en kul grej?. Och till vilken kategori skall man certifiera den? Finns det en marknad? Om det finns en marknad kommer marknaden i så fall att acceptera en sådan skapelse eller blir den för begränsad?

7 Förutsättningar för soldrift Solen strålar som mest med 1000W/m2 I medeltal kan man räkna med att få ut 800 W/m2 (södra Europa) 800 W/m2 = flygtid på 7 timmar Men ett soldrivet flygplan kan inte klara av att starta och stiga enbart mha solen utan man måste komplettera med batteridrift Batterier är att betrakta som barlast och de enskilda batterivikten måste därför minimeras. Vi måste således hitta ett batteri som har så hög energitäthet (Wh/kg) som möjligt

8 Trender i energitäthet

9 Quinetic Zephyr använder Li-S (350 Wh/kg) Flygtid: 2 veckor (sol dagtid+nattetid batterier)

10 Soldrift För att ekonomin skall gå ihop bör man räkna med högst15-20% effektivitet vad gäller solceller. I den här studien har vi räknat med 20% effektivitet Man måste också tänka på att minimera energiförlusterna totalt sett, dvs i hela framdrivningskedjan (från solcell till propeller)

11 Soldrift Vad är då ett tänkbart användningsområde för en sådan farkost? Pga låg effektbelastning är den enda tänkbara tillämpningen (med dagens teknologi) motorseglare

12 Specifikation Antag medel solintensitet = 800 W/m2 Sjunkhastighet ( i segelflygsmod): mindre än 0.7 m/s Marschhastighet: 20% över stall fart Flygplanet skall vara en hybrid, dvs använda batterier för start och stigning och soldrift för planflykt Minsta stighastighet: 2m/s (batteridrift) Ensits och tvåsits Pilot och passagerarvikt: 90 kg (+7 kg för fallskärm) Certifieringsbas: CS 22, motorseglare

13 Typiskt dimensionerings diagram för soldrivet flygplan Solar constraints Stall margin Minimum sinkrate Solar powered cruise Initial cruise altitude Design point solar powered a/c Altitude (ft)

14 Soldrift Tittar på två konfigurationer: 1. Konventionell layout 2. Nosvinge konfiguration

15

16

17 Konventionell Ensits Tvåsits Längd (m) Spännvidd (m) A S (m2) Tomvikt (kg) Batteri vikt (kg) 36 (Li-ion) 25 (Li-S) 66 (Li-ion) 42 (Li-S) Pilot+fallskärm (kg) Max startvikt (kg) Max effekt utgående axel (kw) (Batteri:start, stigning) Effekt utgående axel vid soldrift (kw) (planflykt) Sid 17 Linköpings universitet Propeller diam. (m) 2 2 Marsch hastighet (km/t) (L/D)max Flygtid (t) Stighastighet (m/s)

18

19

20 Nosvinge Ensits Tvåsits Längd (m) Spännvidd (m) A S (m2) Tomvikt (kg) Batteri vikt (kg) 36 (Li-ion) 24 (Li-S) 66 (Li-ion) 39 (Li-S) Pilot+fallskärm (kg) Max startvikt (kg) Max effekt utgående axel (kw) (Batteri: start, stigning) Effekt utgående axel soldrift (kw) (planflykt) Propeller diam. (m) 2 2 Marschhastighet (km/t) (L/D)max Flygtid (t) Stighastighet (m/s)

21 Typiskt V-n diagram för soldrivna flygplan

22 Problemområden Piloten behöver vara bättre än medelmåttan för att hantera flygplanet i vindbyar m.m. för att inte stalla i förtid (inget motorpådrag att ta till i en nödsituation) Att integrera solcellerna i vinge och stabilisator Solcellsintegration kräver styvt underlag (går lätt sönder) Solcellerna måste integreras i vingens och stabbens överskal för att få ner motståndet utan för stora energiförluster Användningen av flygplanet är begränsat både geografiskt och till tid på året (segelflygssäsongen i stort sett) Underhåll av solceller!!

23 Underhåll

24 Batteri drivna flygplan Inspirationskälla: PC Aero Electra One

25 Batteridrift I studien utgår vi från de konfigurationer som tagits fram i soldrifts fallet, dvs en konventionell konfiguration och en konfiguration med nosvinge Den stora förändringen ligger i att vingbelastningen kan höjas eftersom vi inte behöver fästa solceller på översidan längre och på så sätt kan spara vikt Eftersom batterivikten kommer att dominera i det här fallet, måste vi försöka att få ner strukturvikten så mycket som möjligt. Kroppen kan vi inte göra mycket åt, så det får bli vingen Solceller på översidan kräver rektangulär planform. Eftersom vi inte har dem längre kan vi göra en trapetsvinge i stället och på så sätt spara vikt Ytterligare ett sätt att få ner vikten är att reducera sidoförhållandet, på bekostnad av glidtal förstås

26 Specifikation för batteridrivet flygplan Maximera räckvidd alternativt flygtid Min marschfart : 20% över stall fart Min stigfart: 2m/s Ensits och tvåsits Samma pilot och passagerar vikter Samma certifiering (CS 22) Sid 26 Linköpings universitet

27

28

29 Konventionell Ensits Tvåsits Längd (m) Spännvidd (m) A S (m2) Tomvikt (kg) Batterivikt (kg) 76 (Li-ion) 76 (Li-S) 155 (Li-ion) 155 (Li-S) Pilot+fallskärm (kg) Max startvikt (kg) Max effekt utgående axel (kw) Propeller diam. (m) 2 2 Min. marschfart planflykt (km/t) (L/D)max Flygtid (t) Stighasthet (m/s) Max marschfart planflykt (km/t) Sid 29 Linköpings universitet

30 Nosvinge Ensits Tvåsits Längd (m) Spännvidd (m) A S (m2) Tomvikt (kg) Batteri vikt (kg) 76 (Li-ion) 76(Li-S) 155 (Li-ion) 155 (Li-S) Pilot+fallskärm (kg) Max startvikt (kg) Max effekt utgående axel (kw) Propeller diam. (m) 2 2 Min. marschfart planflykt (km/t) (L/D)max Flygtid (t) Stighastighet (m/s) Max marschfart planflykt (km/t) Sid 30 Linköpings universitet

31 Fördelar och nackdelar Batteridrift förmodligen enklaste sättet att konvertera från bensindrift Batteridrift innebär en klart säkrare flygning jämfört med soldrift eftersom det finns pådragsmöjlighet i en nödsituation, dvs även mer ordinära piloter kan hantera kritiska situationer Eftersom fartregistret är bredare, förmodligen mer intressant ur marknadssynpunkt Den stora fördelen är existerande infrastruktur Flygning begränsad till varmare delen av året pga av batterierna

32 Bränsleceller Inspirationskälla: DLR Antares Sid 32 Linköpings universitet

33 Bränslecell kontra batteri

34 Drift med bränsleceller DLR Antares är en modifierad motorseglare. Den bär på två vingpoddar. Den ena är en vätgastank och den andra innehåller själva bränslecellen Om man skulle ha börjat från början (vitt papper) så skulle man nog försöka integrera tanken i strukturen Tanken blir av nödvändighet stor och tung och behöver därför placeras nära TP (är dessutom trycksatt till 45 MPa) Förslag: Gör rund huvudbalk och utnyttja den som tank!?!

35 Drift med bränsleceller I studien utgår vi från tidigare koncept och anpassar de batteridrivna koncepten till bränslecells drift Samma specifikation som för batteridrift Vi växlar energikälla mot energikälla (vikt mot vikt) Med andra ord enda skillnaden blir uttagbar flygtid

36 Konventionell Ensits Tvåsits Längd (m) Spännvidd (m) A S (m2) Tomvikt (kg) Batterivikt (kg) 76 (Li-ion) Bränslecell 155 (Li-ion) Bränslecell Pilot+fallskärm (kg) Max startvikt (kg) Max effekt utgående axel (kw) Propeller diam. (m) 2 2 Min. marschfart planflykt (km/t) (L/D)max Flygtid (t) Stighasthet (m/s) Max marschfart planflykt (km/t) Sid 36 Linköpings universitet

37 Nosvinge Ensits Tvåsits Längd (m) Spännvidd (m) A S (m2) Tomvikt (kg) Batteri vikt (kg) 76 (Li-ion) Bränslecell 155 (Li-ion) Bränslecell Pilot+fallskärm (kg) Max startvikt (kg) Max effekt utgående axel (kw) Propeller diam. (m) 2 2 Min. marschfart planflykt (km/t) (L/D)max Flygtid (t) Stighastighet (m/s) Max marschfart planflykt (km/t) Sid 37 Linköpings universitet

38 Fördelar och nackdelar Lovande teknologi Fortfarande under utveckling, ej moget Finns ingen infrastruktur!!!! Begränsad användning av samma skäl som för batteridrift

39 Slutsats Studien har visat att det är fullt möjligt att med dagens teknologi utveckla en ny generation av sportflygplan. Dessa kommer att vara begränsade i såväl utnyttjande som i prestanda Studien har påtagligt visat hur viktigt låg vikt och lågt motstånd är och kommer att förbli i framtiden, speciellt med begränsad effekttillgång Gröna flygplan kommer aldrig att bli några fartmonster Live green = eat slow food Fly green = fly slowly Accepterar marknaden och pulsen i samhället att man tvingas acceptera måttliga flyghastigheter? Men är det inte det som kallas rekreation?!? Personligen tror jag att batteridrivna flygplan kommer att finnas inom en mycket snar framtid. Soldrift tror jag skulle kunna intressera segelflygare (de utnyttjar det ju redan). Bränsleceller får vi nog vänta på ett tag.

40 Frågor?