ელექტრო თვითმრინავები

                       ელექტრო  თვითმრინავები

Solar Impulse 1 დაეშვა ბრიუსელის აეროპორტში 2011 წლის 13 მაისს, პირველი საერთაშორისო რეისის შემდეგ.

თვითმფრინავი რ-იც მოძრაობაში მოყავს ელექტრო ძრავს, იკვევება მზის ბატარეებით, ასევე თბური ელემენტებით, ფოტოელემენტებით, ბატარეებით, უპროვოდო გზით ან ელექტროგენერატორით,მოძრაობაში მოყავს გაზტურბინბოს ძრავს (ტურბოელექტროგენერატორი).

რას უფრო დრო გადის მეტი პოპულარული ხდება ელექტრო თვიტმფრინავები, დღევანდელი მონაცემებით ექსპერიმენტარული მოდელებია, მათ რიცხვში შედის როგორც პილოტირებული აპარატები ასევე უპილოტოებიც. პირველი ოფიციალური გაშვება განხორციელდა 1957წ-ს. გავრცელებული ექსპერიმენტული ავიამოდელები დაიწყო 1970-იან წლებში. პირველი ფრენა ადამიანის გაფრენა ელექტრო თვიტმფრინავით განხორციელდა 1973წ-ს ფრენის დრო გაგრძელდა 14 წთ.
2003წ-ს სააგენტომ ,,ნასამ'' დააფინანსა და შექმნა თვიტმფრინავი Pathfinder და მისი მდიფიკაცია Pathfinder Plus, Centurion და Helios ჩარჩოში კვლევები  ეკოლოგიური ტრანსფორტის. 

Sunseeker I გადაკვეთა აშშ   1990 წ-ს

მათ შორის უკანასკნელს ეკუთვნის რეკორდი სიმაღლეში ფრთიანი აპარატებში, რეაქტიული ძრავის გარეშე აპარატი 29,5კმ.
იხ. ვიდეო

გარღვევა ასეთი ტიპის თვითმფრინავების მოთხოვნისა მიზეზი არის დაცვა გარემოზე ზემოქმედების და გამოჩენა მოცულობიტი აკუმულატორების, ასევე მსუბუქი და გამძლე მარიალის. გარდაამისა ელექტრო თვიტმფრინავებს დაბალი ხმაური გააჩნია, რაც საშუალებას იძლევა უპირატესობა გვქონდე სადაზვერვო ოპერაციებისას.

ბრიტანული უპილოტო აპარატი ,, QinetiQ Zephyr'' რ-იც იკვებება მზის ბარეებით 2010წ-ს დაამყარა მსოფლიო რეკორდი ხანგრძლივობა უპილოტოსი, დაჰყო ჰაერში 2 კვირა.

2012წ-ის 20 ივნისს Long-ESA დაამყარა რეკორდი სიჩქარის თვითმფრინავებში ელექტრო ძრავების გამოცდის დროს 326კმ|სთ

ასევე შევეიცარული თვითმფრინავი Solar Impulse, რ-იც საგამოცდო პერიოდს. 

სოლარ იმპულსი (Solar Impulse) – ევროპული შორი დისტანციის მზის ენერგიით მართული თვითმფრინავისპროექტი განხორციელებული ლოზანის ფედერალური პოლიტექნიკური სკოლის (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) მიერ. პროექტს პოპულარიზებას უწევს ბერტრან პიკარი, რომელიც მსოფლიოს გარშემო პირველი საჰაერო ბურთით შეუსვენებლივ განხორციელებული ფრენის თანაპილოტი იყო. პროექტის მიზანია მზის ენერგიით პილოტირებული ფიქსირებულფრთიანი საფრენი აპარატით მსგავსი მოგზაურობის განხორციელებაა. ამ პროექტით შექმნილი პირველი აპარატი, შვეიცარული რეგისტრაციის კოდით HB-SIA, ერთადგილიანი თვითმფრინავია, რომელსაც ჰაერში შეუსვენებლივ ფრენა ძალუძს 36 საათის განმავლობაში. მეორე ეტაპზე შედარებით დიდი აპარატის შექმნა

პირველი რერიული საფრენი აპარატები, გამოჩნდა გასაყიდი, ერთ ადგილიანი პლანერი Alisport Silent Club (1997) მოყავს მოძრაობაში 13კვტ სიძლიერის ძრავს.

Airbus განაცხადა რომ მომავალში აპირებს განავითაროს რეგიუნული კომერციუილი თვტმფრინავების აგებას.

მომავალში იგეგმება ელექტრო სამგზავრო  ლაინერების აგება

                                   Airbus E-FAN

                                                  

ორმაგი ბატარეის თვითმფრინავი.

ელექტრო თვითმფრინავი შეიმუშავა Airbus- მა და Aero Composites Saintonge - ACS- ის სპეციალისტებმა და საფრანგეთის სამოქალაქო ავიაციის დირექტორმა (DGAC). პირველად გაფრინდა 2014 წლის 11 მარტს, საფრანგეთში, ბორდოს მახლობლად მდებარე აეროპორტში. 2013 წლის ივლისში, Airbus E-FAN, რომელიც შექმნილია როგორც სასწავლო თვითმფრინავი, რომელსაც შეუძლია აერობიკის ჩატარება, წარმოდგენილი იყო ლე ბურეტის საჰაერო შოუში . მთავარი შასის ერთ – ერთ ბორბალს ელექტროძრავა აქვს, რაც საშუალებას გაძლევთ დაშალოთ თვითმფრინავი ადგილზე 55 კმ / სთ სიჩქარით. რაც უფრო ეკონომიურია (დაზოგავს ბატარეის ენერგიას).

საათობრივი ფრენა 16 დოლარი ღირს.

ენერგიის შენახვა

საჭირო ელექტროენერგიის შენახვის მექანიზმები მოიცავს:

• ელემენტები , რომლებიც ქიმიურ რეაქციას იყენებენ ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად, რომელიც დატენვისას შებრუნებული რეაქციით ვითარდება.
• საწვავის უჯრედები ელექტროენერგიის გენერირებისთვის ქიმიურ რეაქციაში მოიხმარენ საწვავს და ჟანგვის აგენტს, მათი შევსება, როგორც წესი, წყალბადით არის საჭირო.

ელემენტები

ელემენტები Tier1 Engineering Electric Robinson R44- ისთვის

აკუმულატორები ელექტრო თვითმფრინავების ენერგიის შესანახი ყველაზე გავრცელებული კომპონენტია მათი შედარებით მაღალი შენახვის ტევადობის გამო. აკუმულატორებით პირველად დირიჟაბლები მეცხრამეტე საუკუნეში იკვებებოდა, თუმცა ტყვიის მჟავას აკუმულატორები ძალიან მძიმე იყო და მხოლოდ მეოცე საუკუნის ბოლოს, სხვა ქიმიური ნაერთების, მაგალითად ნიკელ-კადმიუმის (NiCd) გამოჩენის შემდეგ გახდა პრაქტიკული აკუმულატორები ჰაერზე მძიმე თვითმფრინავებისთვის . თანამედროვე აკუმულატორები ძირითადად ლითიუმის ტექნოლოგიებზე დაფუძნებული დატენვადი ტიპისაა.

ლითიუმ-იონური ელემენტების (LIB) ტიპი, ლითიუმ-პოლიმერული ელემენტები (LiPo), დიდი ხანია გამოიყენება უპილოტო ფრენებში მათი მსუბუქი წონისა და დატენვის უნარის გამო. თუმცა, მათი ენერგიის სიმკვრივე ზღუდავს მათ გამოყენებას ძირითადად დრონების ელემენტებად.  ფრენის მაქსიმალური დროის გაზრდა უბრალოდ უფრო დიდი თვითმფრინავის დიზაინით უფრო დიდი ელემენტების გამოყენებით არაეფექტურია, ტვირთამწეობის დიაპაზონის კომპრომისის გამო. ელემენტის წონის გარკვეული ზრდის შემდეგ, მასის ჯარიმის გამო მცირდება შემოსავალი, რაც არ აღემატება ელემენტის სპეციფიკური ენერგიის ზრდას .  მსგავსი კომპრომისია მაქსიმალურ დიაპაზონსა და მგზავრების რაოდენობას შორის. ამ ტენდენციის მოდელირებისთვის გამოყენებულია გამოთვლითი ინსტრუმენტები, რომლებიც პროგნოზირებენ, რომ საშუალო წონის (1500 კგ) და საშუალო ენერგიის სიმკვრივის (150 ვტ.სთ/კგ) მცირე მასშტაბის ელექტრო თვითმფრინავს შეუძლია ერთი მგზავრით ~80 მილის, ორი მგზავრით ~60 მილის და სამი მგზავრით ~30 მილზე ნაკლების გავლა. 

2017 წელს, აკუმულატორებიდან ხელმისაწვდომი სიმძლავრე შეფასდა 170 ვტ.სთ/კგ-მდე, სისტემის ეფექტურობის ჩათვლით ლილვზე 145 ვტ.სთ/კგ, ხოლო გაზის ტურბინამ 11,900 ვტ.სთ/კგ საწვავისგან ლილვის სიმძლავრე 6,545 ვტ.სთ/კგ გამოიმუშავა.  2018 წელს, ლითიუმ-იონური აკუმულატორები, შეფუთვისა და აქსესუარების ჩათვლით, შეფასდა 160 ვტ.სთ/კგ-მდე, ხოლო საავიაციო საწვავი - 12,500 ვტ.სთ/კგ-მდე.  2018 წელს ელექტროენერგიის შენახვის სპეციფიკური ენერგია კვლავ საავიაციო საწვავის მხოლოდ 2%-ს შეადგენდა .  ეს 1:50 თანაფარდობა ელექტროძრავას არაპრაქტიკულს ხდის შორ მანძილზე ფრენის თვითმფრინავებისთვის, რადგან მთლიანად ელექტრო, 12-მგზავრიანი თვითმფრინავის 500 ნმილი (930 კმ) მისია მოითხოვს აკუმულატორის სიმძლავრის სიმკვრივის ექვსჯერ გაზრდას.  ამასთან ერთად, აკუმულატორულ ელექტროძრავებს უფრო მაღალი ეფექტურობა აქვთ (~90%), ვიდრე რეაქტიული ძრავების უმეტესობას (~50%), რომლის შემდგომი გამოყენება შესაძლებელია აკუმულატორების ახალი ქიმიის საშუალებით. 

ელექტრო თვითმფრინავების გამოყენების რეალიზებისთვის აუცილებელია ენერგიის შენახვის გაუმჯობესება. ენერგიის სიმკვრივე ფართოდ არის აღიარებული, როგორც ნულოვანი გამონაბოლქვის მქონე ელექტროძრავის შემაფერხებელი ფაქტორი.  კიდევ ერთი შეზღუდვაა განმუხტვის სიჩქარე, რომელიც გამოწვეულია მოთხოვნისა და პაკეტის ენერგიის თანაფარდობით და მგრძნობიარე მისიის სეგმენტებით, რადგან აფრენისას განმუხტვის C-სიჩქარე 4C-ია, ხოლო დაშვებისას თითქმის 5C.  ელექტრო თვითმფრინავებს აქვთ დამატებითი სითბოს გამომუშავების და სიცოცხლის დასრულების საჭიროებები, რაც მოითხოვს თერმული მართვის ახალ სტრატეგიებს, ენერგიის შემცირების შესაძლებლობებს და ბატარეის პაკეტის გაუმართაობის რეჟიმებს.

2019 წლის მონაცემებით, საუკეთესო ლითიუმ-იონური აკუმულატორები აღწევდნენ 250–300 ვტ/სთ/კგ-ს, რაც საკმარისი იყო პატარა თვითმფრინავისთვის, მაშინ როცა რეგიონულ თვითმფრინავს დასჭირდებოდა 500 ვტ/სთ/კგ აკუმულატორი, ხოლო Airbus A320-ის ზომის ერთსართულიან აეროპორტს - 2 კვტ/სთ/კგ. ელექტროენერგია მხოლოდ პატარა თვითმფრინავებისთვისაა შესაფერისი, ხოლო დიდი სამგზავრო თვითმფრინავებისთვის საჭირო იქნებოდა ენერგიის სიმკვრივის 20-ჯერ გაუმჯობესება ლითიუმ-იონურ აკუმულატორებთან შედარებით. 

ასეთ აკუმულატორებს შეუძლიათ შეამცირონ ზოგიერთი მოკლე დისტანციის ფრენის საერთო საოპერაციო ხარჯები. მაგალითად, Harbour Air Beavers-ში გამოყენებული ელექტროენერგია მათ დაახლოებით 0.10 კანადური დოლარი უჯდებათ კვტ/სთ-ზე, ბენზინის შემთხვევაში კი 2.00 დოლარი ლიტრზე ^[ 103 ] , რაც 44 მჯ/კგ საწვავით და 0.75 სიმკვრივის Avgas- ით 33 მჯ (9.2 კვტ/სთ) ენერგიას უზრუნველყოფს , ქიმიურ კვტ/სთ-ზე 0.22 დოლარს ან ლილვზე 0.65 დოლარს კვტ/სთ-ზე ერთი მესამედის ეფექტურობით. თუმცა, რეაქტიული საწვავი უფრო იაფია და დიდი გაზის ტურბინები უფრო ეფექტურია. 2021 წელს, ლითიუმ-იონურ ტექნოლოგიებს, როგორიცაა მყარი მდგომარეობის აკუმულატორი ( ლითიუმ-გოგირდი , LSB) და ლითიუმ-ჰაერის აკუმულატორები (LAB), სულ უფრო პერსპექტიული კვლევის სფეროები ხდებიან აკუმულატორულ-ელექტრო თვითმფრინავების უფრო კონკურენტუნარიანი მუშაობისთვის. 

SAE International AE-7D ^[ 126 ] კომიტეტი 2018 წელს Electro.Aero-მ შექმნა ელექტრო თვითმფრინავების დამუხტვისა და ენერგიის შენახვის სტანდარტიზაციის მიზნით. ერთ-ერთი პირველი დოკუმენტი, რომელიც შემუშავდა, იყო AS6968 სტანდარტი ელექტრო თვითმფრინავების ქვემეგავატიანი ელექტრო თვითმფრინავების დამუხტვისთვის. AE-7D კომიტეტი ასევე ამზადებს აერონავტიკის საინფორმაციო ანგარიშს AIR7357 მეგავატიანი სიმძლავრის დონის დამუხტვისთვის. ზოგიერთ აეროპორტს აქვს ელექტრომობილების დამტენი სადგურები , რომლებსაც ასევე შეუძლიათ თვითმფრინავების დატენვა. 

ულტრაკონდენსატორები

ულტრაკონდენსატორი არის ჰიბრიდული ელექტროქიმიური ენერგიის შენახვის სისტემა , რომელიც აკავშირებს აკუმულატორებსა და კონდენსატორებს და აქვს გარკვეული უპირატესობები აკუმულატორებთან შედარებით, რადგან მას შეუძლია გაცილებით სწრაფად დატენვა და განმუხტვა უფრო მაღალი პიკური დენებით, თუმცა არ არის შეზღუდული დამუხტვა-განმუხტვის ციკლების რაოდენობით, რადგან რეაქცია არა მხოლოდ ქიმიურია, არამედ ელექტრულიც. 

მათი ენერგიის სიმკვრივე, როგორც წესი, დაახლოებით 5 ვტ.სთ/კგ, გაცილებით დაბალია, ვიდრე ელემენტების და ისინი გაცილებით ძვირია, მაშინაც კი, როდესაც მათი ხანგრძლივი სიცოცხლის ხანგრძლივობაც გავითვალისწინებთ. 

საწვავის უჯრედები

Taurus G4 აფრინდა სონომას ოლქის აეროპორტიდან , კალიფორნია

საწვავის უჯრედი ( FC) ელექტროენერგიის წარმოსაქმნელად იყენებს ორ ქიმიურ ნივთიერებას, როგორიცაა წყალბადი და ჟანგბადი , შორის რეაქციას , თხევადი საწვავის რაკეტის ძრავის მსგავსად, თუმცა ელექტროენერგიას გამოიმუშავებს კონტროლირებადი ქიმიური რეაქციით, ბიძგის ნაცვლად. მიუხედავად იმისა, რომ თვითმფრინავს წყალბადი (ან მსგავსი საწვავი) უნდა გადაჰქონდეს, რაც თავის მხრივ გართულებებსა და რისკებს იწვევს, ჟანგბადის მიღება ატმოსფეროდანაც შესაძლებელია.

ძრავა

ელექტროძრავები

Siemens SP200D ძრავა, რომელიც Airbus CityAirbus-ს კვებავს.

დღემდე თითქმის ყველა ელექტრო თვითმფრინავი ელექტროძრავებით იყო აღჭურვილი , რომლებიც ბიძგის გენერირების პროპელერებს ან ამწევი ძალის გენერირების როტორებს მართავენ . 

მიუხედავად იმისა, რომ აკუმულატორები საწვავის ეკვივალენტზე მეტს იწონიან, ელექტროძრავები ნაკლებს იწონიან, ვიდრე მათი დგუშიანი ძრავის ანალოგები და მცირე ზომის თვითმფრინავებში, რომლებიც უფრო მოკლე ფრენებისთვის გამოიყენება, ნაწილობრივ კომპენსირებას უკეთებენ ელექტროენერგიისა და ბენზინის ენერგიის სიმკვრივეს შორის არსებულ სხვაობას.  ელექტროძრავები ასევე არ კარგავენ სიმძლავრეს სიმაღლესთან ერთად, შიდა წვის ძრავებისგან განსხვავებით,  რაც თავიდან აიცილებს ამის თავიდან ასაცილებლად რთული და ძვირადღირებული ზომების გამოყენებას, როგორიცაა ტურბო დამტენების გამოყენება .

ექსპერიმენტულ Extra 330 LE-ს აქვს 260 კვტ (350 ცხენის ძალა) Siemens SP260D ძრავა, რომლის წონაა 50 კგ, 37.2 კვტ/სთ აკუმულატორით, რაც თვითმფრინავის 1000 კგ წონას შეადგენს.  ის ცვლის 235 კვტ (315 ცხენის ძალა) Lycoming AEIO-580 დგუშიან ძრავას, რომლის წონაა 202 კგ.  დგუშიან ძრავიანი Extra 330-ის ცარიელი წონაა 677 კგ,  ძრავის გარეშე კი 474 კგ. Lycoming ძრავის საწვავის მოხმარება საათში 141 ფუნტია (64 კგ) 315 ცხენის ძალის (235 კვტ) გამომუშავებისას,  ანუ 0.27 კგ/კვტ/სთ: იგივე 37.2 კვტ/სთ გამოსამუშავებლად მას 10 კგ საწვავი სჭირდება.

თვით ძრავის გარდა, თვითმფრინავის წონას ხელს უშლის საჭირო ენერგიის რეზერვები: 19-ადგილიან თვითმფრინავს სჭირდება სავალდებულო IFR რეზერვები მარშრუტის 5%-იანი გაუთვალისწინებელი სიხშირით, ფრენა 100 ნმ-ის ალტერნატიულ აეროპორტამდე პლუს 30 წუთიანი გაჩერება დაშვებამდე - 308 კგ საწვავი ტურბოპროპელერისთვის, ან 4,300 კგ 250 ვტ/სთ/კგ აკუმულატორი.  ელექტროძრავის სისტემა ასევე მოიცავს ენერგიის ინვერტორს , ხოლო საწვავის ძრავებს თავად აქვთ საწვავის სისტემა .

750 ცხენის ძალის (560 კვტ) ექსპერიმენტული magniX magni500 ელექტროძრავის წონაა 297 ფუნტი (135 კგ),  ხოლო 729 ცხენის ძალის (544 კვტ) სერტიფიცირებული Pratt & Whitney Canada PT6 A-114-ის წონაა 297 ფუნტი (135 კგ),  ორივე მათგანი Cessna 208 Caravan-ს კვებავს .

სიმძლავრის ზრდა, დამატებითი ტიპის სერტიფიკატის (STC) მოდიფიკაციებთან ერთად, შეუძლია კომპენსირება გაუწიოს აკუმულატორების წონას თვითმფრინავის მთლიანი საოპერაციო წონის გაზრდით, მათ შორის დაშვების წონის გაზრდით.  თვითმფრინავები, რომლებიც იყენებენ წიაღისეულ საწვავს, დაშვებისას უფრო მსუბუქია, რაც საშუალებას იძლევა, რომ სტრუქტურა უფრო მსუბუქი იყოს. აკუმულატორზე მომუშავე თვითმფრინავის შემთხვევაში, წონა იგივე რჩება და ამიტომ შეიძლება საჭირო გახდეს გამაგრება. ^[ 127 ]

ჰიბრიდული ენერგია

ჰიბრიდული ელექტრო თვითმფრინავი არის თვითმფრინავი ჰიბრიდული ელექტროძრავით . ის, როგორც წესი, აფრენასა და დაშვებას სუფთა და ჩუმი ელექტროენერგიის გამოყენებით ახორციელებს, ხოლო ფრენას ჩვეულებრივი დგუშის ან რეაქტიული ძრავის სიმძლავრით ახორციელებს. ეს ხანგრძლივ ფრენებს პრაქტიკულს ხდის და ამავდროულად ამცირებს მათ ნახშირბადის კვალს.  2018 წლის მაისისთვის 30-ზე მეტი პროექტი იყო და მოკლე მანძილის ჰიბრიდულ-ელექტრული თვითმფრინავები 2032 წლიდან იყო გათვალისწინებული.  ყველაზე მოწინავეა Zunum Aero 10-ადგილიანი,  Airbus E-Fan X დემონსტრატორი, VoltAero Cassio ,  UTC ახდენს Bombardier Dash 8-ის მოდიფიცირებას ,  ხოლო Ampaire Electric EEL-ის პროტოტიპი პირველად 2019 წლის 6 ივნისს გაფრინდა. 

მაგნიტოჰიდროდინამიკა

2018 წლის ნოემბერში, MIT-ის ინჟინრებმა პირველი თავისუფალი ფრენა განახორციელეს მოძრავი ნაწილების გარეშე, EAD Airframe Version 2 მოდელის თვითმფრინავით . ის ამოძრავდება მაგნიტოჰიდროდინამიკის (MHD) გამოყენებით იონური ქარის შექმნით. [ 144 ] [ 145 ] წარსულში MHD გამოიყენებოდა ვერტიკალური ამწევი ძალის მისაღწევად, მაგრამ მხოლოდ MHD იონური გენერატორის სისტემის გარე კვების წყაროსთან მიერთებით.