Airbus testaa avoin-fan moottoreita: polttoainehyödyt

Airbus testaa avoin-fan-moottoreita, kun ilmailu tavoittelee polttoainehyötyjä

Airbus on sopinut ottavansa johdon lennon aikaisessa testauksessa avoimen fanin suihkumoottorikonseptissa, joka on kehitetty RISE-ohjelmassa (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines). Konseptin on suunnitellut CFM International, jonka taustalla on GE Austinin ja Safran Aircraft Engines -yhtiöiden yhteisyritys. Avoimen fanin ratkaisu siirtää siipipyörän lapoja suojaavan moottorin kotelon ulkopuolelle, jotta ohivirtaus kasvaisi, vastus pienenisi ja polttoaineen kulutus vähenisi. Maailman odotetaan tarvitsevan noin 40 000 uutta kaupallista lentokonetta seuraavan 20 vuoden aikana, ja valtaosa niistä on yhden käytävän (single-aisle) tyyppiä. Tämän kaltaiset innovaatiot voivat muokata kapearunkoluokan suihkukoneiden seuraavaa sukupolvea.

Mitä testauksessa on tähän mennessä tapahtunut?

Kun CFM ja Safran käynnistivät yli kaksi vuotta sitten ensimmäisen tuulitunnelikokeilun prototyypillä, ne kiihdyttivät sen jälkeen hiljaa validointityötä. GE Aerospace -yhtiön tuoreiden päivitysten mukaan insinöörit ovat saaneet valmiiksi yli 350 komponenttitestiä ja yli 3 000 kestokierrosta moottorin ydinosien osalta. Pelkkä tuulitunnelialtistus on kertynyt noin 200 tuntia, ja ohjelmaan sisältyi myös varhaisimpia pölyn sisäänsyöttöä koskevia testejä, joita CFM-aloitteessa on koskaan tehty. Tämä on keskeinen askel, kun fanilaitteisto altistetaan ilmavirrassa suoraan ilmavirralle.

Jäsennelty testikampanja siirtyi yksittäisosien varmistuksesta moduuli- ja järjestelmätason kestotarkastuksiin. Julkisia takaiskuja ei ole ilmoitettu. Sen sijaan konsortio tähtää nyt lentoajan demonstrointiin tämän vuosikymmenen loppuun mennessä, ja se tekee yhteistyötä Airbusin kanssa niin, että voimalaitos saadaan paketoitua todelliselle runkorakenteelle.

Miten avoin-fan eroaa ja miksi sillä on merkitystä

Perinteisissä turbofan-moottoreissa massiiviset fanit on sijoitettu pyöreän moottorikotelon sisään. Suuremmat ohivirtauslukuja (bypass ratio) ovat olennaisia parantuneen lämpöhyötysuhteen ja pienemmän polttoainekulutuksen kannalta, sillä niiden ansiosta ilmamäärää ohjataan enemmän moottorin ytimen ohi kuin sen läpi. Kotelon halkaisija ja lentokoneen aerodynamiikka asettavat kuitenkin käytännön rajoja fanin koolle. Avoin-fan-arkkitehtuuri ohittaa tämän rajoitteen sijoittamalla suuret fanin lavat vapaaseen ilmavirtaan. Näin saavutetaan huomattavasti suurempi tehollinen fanin halkaisija ilman hankalia tai painavampia kotelorakenteita.

Hyötyjä ovat:

• Korkeammat ohivirtausluvut ja pienempi ominaispolttoaineen kulutus
• Alhaisempi ulkoinen vastus, kun ilmavirta ohjataan tiiviin ytimen ympärille
• Viileämmät moottorin ytimen lämpötilat ja mahdollisesti pidempi komponenttien elinkaari
• Helpommat poistoreitit roskille ja pölylle, mikä vähentää eroosiota ja kerrostumien muodostumista

CFM:n RISE-tavoite on kunnianhimoinen: noin 20 prosentin vähennys CO2-päästöissä ja polttoaineen kulutuksessa verrattuna tämänhetken tehokkaimpiin yhden käytävän moottoreihin. Kun ratkaisu yhdistetään kestävän ilmailun polttoaineisiin (SAF) tai vetyyn, insinöörit arvioivat elinkaaripäästöjen vähenevän huomattavasti lisää. Alan skenaarioissa puhutaan jopa 80 prosentin vähennystä ideaaleilla toteutuspoluilla.

Materiaalit, arkkitehtuuri ja yhtäläisyydet autoteknologiaan

Avoin-fan-demonstraattorissa käytetään hiilikuitukomposiittisia fanin lapoja, metalliseoksia ja keraamisia osia kompaktin, korkean suorituskyvyn moottorin ytimen ympärillä. Valinnat heijastavat korkeatehoisten autopuolten kehityssuuntaa: kevyemmät komposiitit massan vähentämiseksi, kehittyneet seokset lämpötilankestävyyden parantamiseksi ja keramiikka korkean lämpötilan komponentteihin.

Auto- ja moottoriurheilun harrastajat tunnistavat tutut kompromissit: komponenttien integroinnin ja jäähdytyksen monimutkaisuus (lämpötilanhallinta) kasvaa ison hyötysuhteen mukana. Ajatus muistuttaa osin sitä, miten modernit autokehittäjät yhdistävät pienennettyjä, ahtamisen avulla tehostettuja moottoreita sähköiseen tukeen. Tässä turbofan-suunnittelijat tutkivat hybridisähköisiä apujärjestelmiä auttamaan tietyissä lentovaiheissa.

Sähköistys, hybridijärjestelmät ja järjestelmäintegraatio

RISE ei tarkoita vain paljastettuja lapoja. CFM on tehnyt myös yhteistyötä NASAn kanssa testatakseen kapearunkoluokan hybridisähköisen arkkitehtuurin maakokeita, joissa sähkömoottorit integroidaan suuren ohivirtausluvun turbofaniin. Nämä kokeet varmistivat ohjausstrategiat sekä moottorien integroinnin, joita voisi soveltaa myös avoin-fan-ratkaisun rinnalla. Tavoitteena on tarjota ohimeneviä tehostuksia, parantaa taksitehokkuutta tai vähentää polttoaineen kulutusta nousussa.

Ajoneuvon järjestelmänäkökulmasta avoin-fanin yhdistäminen sähköiseen apuun vastaa autojen hybridivoimalinjoja: polttomoottorin tai sen analogisen moottoriytimen rooli kattaa risteilyn hyötysuhteen, kun taas sähköjärjestelmät hoitavat huippukuormat ja matalanopeuksisen toiminnan. Kokonaisuus parantaa polttoainetaloutta ja vähentää päästöjä.

Suorituskyky, huolto ja markkina-asema

Tarkkoja suorituskykylukuja polttoaineen ja päästöjen pääasiallisten tavoitteiden ulkopuolella ei vielä voi antaa, koska avoin-fan-lapoja ei ole vielä yhdistetty lentokelpoiseen sertifioituun moottorin ytimeen aidossa lentokoneessa. Mutta alustavat laboratoriotestit ja tuulitunnelityö viittaavat siihen, että:

• Yhden käytävän lentokoneiden polttoainetaloudessa saavutetaan merkittäviä parannuksia
• Joillakin alueilla huoltokustannukset voivat laskea, koska kerrostumien kertymistä syntyy vähemmän
• Uusia huolto- ja tarkastusmenetelmiä tarvitaan, koska ulkoiset lavat altistuvat vieraiden esineiden aiheuttamille vaurioille (FOD) eri tavalla kuin koteloidut fanit

Lentoyhtiöiden ja valmistajien näkökulmasta markkina-aseman rakentaminen on ratkaisevaa. Varhaiset käyttöönottajat voivat korostaa merkittäviä operatiivisia säästöjä ja kestävyyteen liittyviä näyttöjä. Nämä ovat vahvoja myyntivaltteja markkinassa, jota ohjaavat polttoainehinnan heilahtelu, päästösääntely sekä matkustajien odotukset aiempaa vihreämmästä matkustamisesta.

Alan vaikutukset ja aikataulu

Jos lentotestit tämän vuosikymmenen loppupuolella osoittavat konseptin toimivuuden, avoin-fan-moottorit voisivat siirtyä sertifiointi- ja käyttöönottovaiheen ohjelmiin 2030-luvulla. Tämä ajoittuu samaan aikaan monien lentoyhtiöiden laivaston uusimissyklien kanssa. Ajankohta tekee teknologiasta kaupallisesti merkityksellisen: yhden käytävän suihkukoneet muodostavat selkärangan maailman lyhyen ja keskipitkän reitin verkostoille, ja kaikki merkittävät hyötysuhdeparannukset heijastuvat suoraan sekä kustannuksiin että hiilidioksidipäästöihin lentoyhtiöiden mittakaavassa.

Uusi ratkaisu osoittaa myös, miten ilmailualan innovaatiot muistuttavat yhä enemmän autoteollisuuden kehityssuuntia: kevyiden komposiittien monialainen käyttö, sähköistäminen, hybridisointi sekä vahvempi painotus elinkaaren päästöihin.

Keskeiset opit

• RISE:n avoin-fan-konsepti tarjoaa jopa noin 20 prosentin vähennyksen polttoaineen kulutuksessa verrattuna nykyisiin parhaisiin yhden käytävän moottoreihin, ja päästövähennykset ovat suurempia, kun ratkaisu yhdistetään SAF:iin tai vetypohjaisiin ratkaisuihin.
• CFM:n testiohjelmassa kirjattiin 350+ testiä, noin 3 000 kestokierrosta ja 200 tuntia tuulitunneleissa. Airbus auttaa viemään hanketta eteenpäin kohti lentodemonstraatiota.
• Materiaalit ja hybridisähköinen ohjaustyö tuovat selkeitä yhtäläisyyksiä modernien autovoimalinjojen kehitykseen: kevyemmät materiaalit, lämpötilanhallinta ja sähköinen apu.

Insinöörit huomauttavat, että kyse ei ole taaksepäin askelesta kohti potkurimoottoreita. Kyse on ennen kaikkea siitä, miten suuria ilmamääriä liikutetaan tehokkaammin. Autotekniikasta kiinnostuneille avoin-fan-tarina muistuttaa taas, että työntövoima on siirtymässä uuteen aikakauteen, jossa aerodynamiikka, materiaalitiede ja sähköistyminen kohtaavat.

Seuraamme RISE-ohjelmaa tarkasti, kun tuulitunnelin prototyypit siirtyvät lentodemonstraatioihin. Kun avoin-fan-moottorit siirtyvät laboratoriolaitteista sertifioiduiksi voimalaitoksiksi kaupallisissa suihkukoneissa, vaikutukset näkyvät laajasti ilmailussa. Ne tuntuvat myös niissä suunnittelukeskusteluissa, joita käydään sekä ilmailu- että autoteollisuusmaailman insinöörien kesken.