¿Sería factible reemplazar los frenos de los aviones con sistemas de accionamiento de motor/generador eléctrico?
Hay dos problemas que veo con los aviones. Cuando aterrizan, los neumáticos no giran para igualar la velocidad con respecto al suelo, ya que la nave toca el suelo. Entonces hay una sacudida repentina cuando los neumáticos tocan el suelo y de repente comienzan a girar. Cuanto más grande es la nave, más masa de neumáticos debe acelerarse instantáneamente.
Esto interrumpe la estabilidad del vuelo y la sacudida podría ser suficiente para provocar un accidente o un percance en malas condiciones de aterrizaje. También provoca un desgaste y una tensión innecesarios en los neumáticos debido a que el caucho inmóvil se arrastra por el pavimento de la pista en el primer contacto.
Sería mejor que los neumáticos giraran para que coincidieran con la velocidad de avance antes de que la nave toque el suelo, para que el aterrizaje sea lo más suave posible.
La segunda parte es simplemente el problema de la disipación de calor. Se ha discutido en otra parte aquí que el calor del frenado puede causar incendios y choques.
Al igual que en las locomotoras de tren, con un motor/generador de frenado, el calor podría trasladarse potencialmente a otro lugar a bobinas de calor resistivas que cubren un área grande y enfriarse utilizando ventiladores o empuje hacia adelante.
Con una unidad de motor/generador, las llantas se pueden hacer girar hasta alcanzar una velocidad de avance cercana o equivalente, utilizándolas como motores alimentados por la APU, y luego cambiar para usarse como generadores para frenar después de que se haga contacto con el suelo.
¿Se ha investigado o usado esto alguna vez en aviones?
(Como estadounidense de clase media baja que no está involucrado en la industria aeronáutica, no tengo ninguna esperanza de hacer nada con esto o sacar provecho de él, incluso si es un nuevo concepto práctico y potencialmente patentable que nunca se ha probado antes).
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No estoy hablando de frenado regenerativo o recuperación de energía en una batería de almacenamiento. Alguien ha inferido eso aunque no dije nada al respecto en absoluto.
Entiendo que la batería de almacenamiento probablemente sea demasiado peso extra para que la lleve un avión, en comparación con la recuperación de energía del despegue y el aterrizaje. (Je, tenga un cable de extensión separable de 2000 pies en un carrete, para conducirlo por la pista y desconectarlo justo antes de que se levante del suelo).
Solo estoy mirando el frenado resistivo / dinámico, descargando el calor en enormes bancos de resistencias con un ventilador de alta velocidad, el mismo que se usa en las locomotoras de trenes. En un avión, la purga de aire de los motores puede atravesar los bancos de resistencias.
Probablemente debería pluralizar el título. En lugar de un solo motor/generador enorme, cada conjunto de freno sería reemplazado por uno separado de estos.
Entonces, un avión grande con, digamos, 20 ruedas tendría 20 unidades de motor/generador, que funcionan a alto voltaje para mantener pequeños los amperios y el diámetro del cable. Esto reduce el peso y la complejidad de la ingeniería, eliminando los engranajes y los ejes que unen todas las ruedas en un juego de engranajes a una enorme unidad de motor/generador.
No se trata de dos dispositivos separados, sino de un dispositivo que realiza ambas funciones. La mayoría (pero no todos) los motores eléctricos genéricos sin sistemas de accionamiento electrónicos también pueden ser un generador.
Esto podría usar un motor de imanes permanentes o con una bobina de campo alimentada. El neodimio es capaz de tener una densidad de flujo extremadamente alta, pero la pierde cuando se expone a altas temperaturas, por lo que hay compensaciones de densidad/temperatura entre bobinas de campo permanentes y alimentadas.
El cubo del neumático podría integrarse potencialmente como parte del motor/rotor del generador/carcasa para ahorrar peso (que es muy importante en los aviones), utilizando un núcleo fijo y un cubo que gira a su alrededor al revés del diseño del motor convencional.
En un automóvil híbrido o totalmente eléctrico, los motores de las ruedas complementan o reemplazan el motor y, al regenerar la electricidad del frenado, amplían el alcance de la batería.
En una aeronave, los motores aún serían necesarios durante la mayor parte de la vida útil de la aeronave, el tiempo mientras está en vuelo. Entonces, a diferencia del caso de un automóvil, no obtiene ninguna ventaja con los motores en sí mismos al agregar los motores/generadores a las ruedas.
Más allá de esto, en un avión grande, la electricidad es suficiente cuando los motores a reacción giran, por lo que lo que se gana al regenerar la electricidad de las ruedas, durante los 60-90 segundos de fuerte frenado al aterrizar, no es tan significativo cuando en comparación con la electricidad utilizada y producida en el transcurso de un vuelo completo. No es tan significativo como conducir en la ciudad con muchos ciclos de acelerar hasta alcanzar la velocidad y luego desacelerar hasta detenerse, una y otra vez.
Más allá de esto, los principales jugadores son el peso y la complejidad adicionales de los motores/generadores, frente a las ganancias en términos de (a) vida útil de los neumáticos, al hacerlos girar antes del aterrizaje, y (b) combustible ahorrado al maniobrar en tierra. de los motores de las ruedas en lugar de los motores a reacción. Cuando considera que los costos del combustible para aviones están en el orden de $ 1000 a varios miles de dólares por hora de vuelo, los ahorros de costos de una mayor vida útil de los neumáticos se perderán si el peso adicional de los generadores del motor sobre los frenos convencionales significa que usted está gastando más dinero en el transcurso del vuelo para llevar el peso extra. Del mismo modo, el consumo de combustible durante el rodaje y el rodaje en los motores no es tan bueno en comparación con una hora o muchas de crucero de alta potencia... la configuración de potencia para el taxi está cerca o en ralentí, por lo que el consumo de combustible no es t tan alto. Más,
El gran asesino de esta idea es la penalización de peso. Los generadores de motor son significativamente más pesados que los frenos convencionales, y cuando considera la cantidad de energía que los frenos deben poder absorber durante una parada a alta velocidad, necesitaría algunos generadores muy robustos para lograr lo que pueden hacer los frenos de los aviones. O bien, tendría frenos convencionales instalados para complementar los generadores, y el peso aumenta aún más.
Como estadio de béisbol, en una hora de vuelo en un 737, 1000 lb adicionales de peso aumentan el consumo de combustible en aproximadamente 10 lb, o aproximadamente 1,5 galones. No parece mucho, pero cuando multiplica el peso adicional por cada hora de vuelo que se opera el avión en el transcurso de un año, realmente suma. Más allá de eso, los motores/generadores son mucho más complejos que los frenos simples, por lo que inicialmente serían más costosos y requerirían más mantenimiento a lo largo de su vida útil. Además, sospecho, tendrían que complementarse con frenos convencionales que se usarían en caso de una parada de esfuerzo máximo a alta velocidad (despegue abortado, aterrizaje en una pista corta).
El resultado final de todo esto es que ningún fabricante que yo sepa ha descubierto que las ventajas y desventajas hacen que este tipo de proyecto valga la pena.
El mejor de los casos es probablemente uno de tiempos de rodaje realmente largos , pero en ese caso un remolcador de retroceso podría remolcar la aeronave a un punto cercano a la pista, ahorrando el consumo de combustible en los motores de la aeronave hasta que sea el momento de encenderlos. Estoy seguro de que esto también se ha considerado y, de nuevo, no conozco ningún operador que utilice este enfoque (aunque fuera de los EE. UU., alguien podría estarlo).
Es una pregunta interesante, pero los costos y las matemáticas detrás de la ingeniería no han funcionado a su favor, al menos hasta ahora.
¿Factible? Quizás. ¿Sensitivo? Claramente no.
Veamos primero las energías involucradas: frenar un Boeing 747 hasta detenerlo por completo cambiará su energía cinética en 276,4 kWh. El arrastre y la fricción tal vez absorban el 20 % de eso, por lo que tenemos 221 kWh o 795,6 MJ para convertir en electricidad en 30 segundos. Esto significa que los generadores deben dimensionarse para una carga de 26,5 MW. Si puede vivir con una distancia de desaceleración más larga, el generador tiene más tiempo para aplicar su resistencia y puede ser más pequeño para la misma potencia de frenado general, pero será difícil hacer que sus posibles pilotos acepten que su diseño ahora necesitará mucho más tiempo. pista.
Me resultó difícil encontrar fuentes en línea para la gran cantidad de generadores de aviación, y lo mejor hasta ahora fue la respuesta de Jan aquí y esta página de EAA . Parece que un arrancador/generador liviano podría tener 5kW de potencia por kg de masa, por lo que el generador de 26,5 MW debería pesar 5,3 toneladas.
El siguiente sería el almacenamiento de energía: para mantener la energía recuperada para el rodaje y el próximo despegue, la batería deberá pesar 800 kg (suponiendo 1 kg de masa de batería por MJ de energía almacenada). Por supuesto, la eficiencia del generador y el convertidor de CC estarán por debajo del 100%, por lo que tal vez la batería pueda ser un poco más liviana. Una eficiencia general del 70% solo requerirá 560 kg para la batería.
¿Cuánta masa de frenado y combustible ahorraría eso? Una vez más, las masas de freno de los aviones son difíciles de encontrar en línea, y no quería pasar por un tamaño de freno de disco adecuado . Pero apuesto a que es una pequeña fracción de la masa del generador, ¡tal vez el 10%! Con 43 MJ/kg y quizás una cuarta parte de la eficiencia de los motores de ruedas eléctricos, el combustible necesario es de solo 75 kg. Aquí asumí que estamos alimentando 800 MJ a los motores de las ruedas e intentamos lograr una aceleración equivalente con los motores a reacción convencionales. Ahora considere que este combustible ya no carga la aeronave por el resto de su viaje, mientras que las baterías y los generadores aún deben transportarse.
Así que parece que la solución convencional tiene el 10 % de la masa de un freno generador adecuado y necesita solo 75 kg de combustible, incluso para los aviones más grandes. Transportar el generador y la batería consumirá mucho más combustible o requerirá que nuestro hipotético 747 transporte 61 pasajeros menos. ¡Ninguna aerolínea puede aceptar eso!
Con respecto al giro de la rueda al aterrizar, usted dice:
Esto interrumpe la estabilidad del vuelo y la sacudida podría ser suficiente para provocar un accidente o un percance en malas condiciones de aterrizaje. También provoca un desgaste y una tensión innecesarios en los neumáticos debido a la inmovilidad de la goma.
Sí, el giro hace que parte de la goma se queme (solo mire el aterrizaje de cualquier avión: el giro se indica con una nube de humo y marcas de derrape en la pista), pero no me preocuparía la estabilidad del vuelo una vez que el avión está abajo en el suelo. Incluso los frenos de las ruedas bloqueados no son un peligro real para la seguridad del vuelo en los triciclos modernos.
No puedo ver mencionado en el hilo otro problema sería el aquaplaning en una pista mojada. Es mejor aterrizar con fuerza y dejar que los neumáticos que patinan rompan la película de agua en la pista. Los neumáticos tardarían en hacer contacto con la pista en tiempo húmedo si se aceleraran antes de la toma de contacto.
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alquitrán
Vikki