ĐỘNG CƠ ĐẨY ĐIỆN MÁY BAY TÁC ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO ĐẾN QUY TRÌNH THIẾT KẾ [PHẦN 1]

Động cơ đấy máy bay đang phát triển theo hướng điện khí hoá. Các sáng kiến đến từ khắp mọi nơi: các công ty khởi nghiệp, các công ty dẫn đầu ngành hàng không vũ trụ và các công ty không thuộc lĩnh vực hàng không vũ trụ như Hyundai.

Động cơ đẩy máy bay điện khí hóa được coi là một yếu tố thúc đẩy tính bền vững của ngành hàng không. Hơn nữa, đó là một cách để đáp ứng các quy định phát thải ngày càng nghiêm ngặt hơn. Với thiết kế hệ thống truyền động mới này, chúng ta có thể mong đợi sự tối ưu hóa mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm thiểu phát thải chất ô nhiễm và giảm mức độ tiếng ồn.

Động cơ đẩy điện khí hóa đã trở thành một yếu tố thúc đẩy sự thay đổi không khí đô thị

Sử dụng lực đẩy của điện giúp mở rộng không gian thiết kế. Nó cho phép các xây dựng các ý tưởng xung quanh một số động cơ điện trải dài trên khung máy bay. Điều này không thể xảy ra với tuabin khí thông thường do kích thước của nó. Hơn nữa, xét cho cùng, việc truyền tải điện qua dây cáp dễ dàng hơn là qua trục.

Nhiều ý tưởng thiết kế tận dụng tính linh hoạt này để tạo ra máy bay có khả năng cất cánh và hạ cánh ngắn hoặc thẳng đứng (STOL hoặc VTOL). Như một ví dụ về thị trường Dịch vụ Di chuyển Hàng không Đô thị (UAM) mới nổi, chúng ta có thể đặt tên cho sáng kiến nâng cao Uber nhằm mục đích bắt đầu vận hành mạng lưới taxi hàng không vào khoảng năm 2023.

Hệ thống hoạt động phức tạp

Những lợi thế tiềm năng này đi kèm với cái giá là sự phức tạp ngày càng tăng. Đầu tiên, việc tích hợp các linh kiện bổ sung, chẳng hạn như pin và máy phát điện đòi hỏi phải có thêm chuyên môn thiết kế. Điều này cũng ngụ ý rằng sự phức tạp tăng lên ở phía bộ phận điều khiển. Trong khái niệm hybrid, với nhiều nguồn năng lượng tích hợp, cách bạn quản lý sự phân chia năng lượng trong quá trình hoạt động ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của máy bay.

Trên hết, các nhà thiết kế không thể dựa vào kinh nghiệm từ nhiều thập kỷ phát triển như họ vẫn làm đối với các thiết kế thông thường. Việc thiếu dữ liệu lịch sử này cũng ảnh hưởng đến quy trình chứng nhận (bạn sẽ chuyển điều kiện One Engine Inoperative (OEI) sang trường hợp cấu trúc hybrid như thế nào?). Các nhà chức trách đang xem xét lại khuôn khổ của họ để có thể chứng nhận sự phù hợp của các hệ thống động cơ đẩy điện. Ví dụ, EASA gần đây đã đề xuất các máy bay tuân thủ hoạt động của các VTOL điện.

Trong bài viết này, tôi sẽ bàn luận sâu hơn về các tác động ảnh hưởng đến hoạt động mô phỏng. Dựa trên các nghiên cứu được công bố gần đây cùng với Đại học Cranfield [1] [2] [3], tôi sẽ xem xét các phương pháp và công cụ mới giúp thiết kế động cơ đẩy máy bay điện khí hóa.

Chọn ý tưởng thiết kế đúng

Chúng tôi đã đề cập đến các ý tưởng điện khí hóa tự do về cách bố trí các cánh quạt. Đối với một nhóm khả năng vận hành nhất định, chẳng hạn như phạm vi, tốc độ bay hoặc thời gian bay trên không, một số ý tưởng thiết kế khác nhau về cơ bản có thể đưa vào hoạt động. Khi phải lựa chọn thiết kế, sự tự do bổ sung này khiến công việc trở nên khó khăn hơn!

Ở phần [1] các nhà sáng chế chỉ ra rằng hiệu suất của hệ thống truyền lực điện khí có thể được đánh giá rất sớm bằng cách sử dụng một mô hình mô phỏng một nhiệm vụ hoàn chỉnh. Ở giai đoạn này, tôi cảm thấy cần phải giải thích thêm về ý nghĩa của “sớm” và “mô phỏng” về các công cụ và phương pháp.

Sớm vẫn tốt hơn là trễ

“Sớm” có nghĩa là chúng tôi vẫn đang ở giai đoạn lên ý tưởng. Theo phương pháp luận ARCADIA [4], các nhà sáng chế đã suy ra từ khả năng tác chiến mục tiêu, kiến trúc logic của hệ thống truyền lực của máy bay khu vực (dòng ATR-42).

Cam kết duy nhất cho đến nay là xem xét một kiến trúc song song, nơi các động cơ đẩy được tạo ra đồng thời bởi các máy điện và tuabin khí. Các nhà thiết kế không cam kết lựa chọn bộ phận nào. Ví dụ như số lượng người ủng hộ thậm chí vẫn chưa được quyết định. Kiến trúc cũng chưa được tối ưu hóa vì tỷ lệ công suất điện trong phần phân tách cũng chưa được quyết định.

Cách tiếp cận kỹ thuật hệ thống dựa trên mô hình, kiến trúc logic đã được triển khai trong Capella

Đánh giá hiệu suất bằng việc mô phỏng hệ thống

Ở đây có đề xuất giá trị của mô phỏng hệ thống. Từ kiến trúc logic, các tác giả đã xây dựng một mô hình hệ thống để mô phỏng hoạt động của hệ thống truyền lực dành cho toàn bộ các tác vụ của máy bay. Điều này có thể thực hiện được nhờ vào cơ sở dữ liệu của các mô hình toán học có sẵn trong Simcenter Amesim, giải quyết các động lực bay, các chi tiết điện, tuabin khí,… và những thứ khác.

Mô hình này được kết hợp bằng một thiết kế đồ họa. Khi có sẵn một vài thông số đầu vào, người dùng có thể dựa vào các mẫu hiện có và các công cụ định cỡ chuyên dụng (được minh họa bằng công cụ tạo mô hình tuabin khí hoặc công cụ định cỡ pin).

Mô hình Simcenter Amesim được tạo ra từ kiến trúc logic

Lưu ý rằng mô hình hệ thống đa vật lý này là mô hình động, cho phép các nhà thiết kế xem xét hiệu ứng nhất thời. Tính năng này là cần thiết để theo dõi trạng thái nhiệt của các chi tiết khác nhau. Và cảnh báo spoiler, hướng nhiệt có thể là một điểm đột phá cho kiểu kiến trúc này! Nhưng tôi sẽ quay lại điều đó trong phần “Giữ cho các chi tiết luôn mát”.

Như bạn có thể tưởng tượng, minh hoạ hệ thống trong Capella và một tập hợp các phương trình vi phân được xây dựng trong Simcenter Amesim không được làm từ cùng một vật liệu. Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi, thông tin cụ thể để thực hiện mô phỏng đã được thêm vào mô hình Capella bằng cách sử dụng Công cụ quản lý giá trị thuộc tính:

Một phần của giai đoạn Mode State Machine (MSM) trong Capella được bổ sung các thông số cần thiết để cung cấp cho mô hình mô phỏng hệ thống

Sự kết hợp giữa cấu trúc hệ thống và mô phỏng hệ thống

Nhà sáng chế rút ra kết luận gì từ kết quả mô phỏng? Có rất nhiều, nhưng một điều quan trọng cần lưu ý là tỷ lệ công suất điện trong sự phân chia, Mức độ lai ghép (HP).

Hãy nhớ rằng mức độ lai ghép này vẫn chưa được quyết định trong kiến trúc logic. Hệ thống truyền lực sau đó được mô phỏng với các giá trị khác nhau, dao động từ 20 đến 60%. Phân tích cho thấy rằng Energy Specific Air Range (ESAR) là khoảng cách được bao phủ trên một đơn vị năng lượng, tăng theo Mức độ lai ghép lên đến một điểm nhất định. Biến thể tốt nhất được tìm thấy là 40%. Theo đó, trọng lượng tăng thêm của các bộ phận điện làm mất đi những lợi ích trong ESAR.

Tóm tắt: Chỉ số TOW và ESAR khi cruise và tỉ lệ phần trăm tăng so với đường cơ sở của các cấu hình được đánh giá

Một kết quả quan trọng khác liên quan đến yêu cầu chứng nhận: máy bay phải có khả năng thực hiện nhiệm vụ dự trữ 45 phút chỉ bằng năng lượng tuabin khí. Mô phỏng Simcenter Amesim cho thấy Mức độ lai ghép 60% không cho phép điều đó và sẽ yêu cầu một phương pháp định cỡ khác đối với tuabin khí.

Vì tuabin khí bị thu nhỏ chỉ tạo ra 40% tổng công suất nên máy bay không còn khả năng thực hiện nhiệm vụ dự trữ

Cuối cùng, kết quả chính thu được có thể không phải là những số liệu này mà đó là sự phối hợp giữa kiến trúc hệ thống và mô phỏng hệ thống. Một mô hình hiệu suất động có thể giúp bạn chọn ra thiết kế phù hợp rất sớm trong quá trình thiết kế.

Nguồn: Siemens

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Đến năm 2018, chúng tôi vinh dự trở thành Smart Expert Partner – đối tác hàng đầu của Siemens Digital Industries Software tại Khu Vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương cho các giải pháp Siemens NX (Unigraphics NX), Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và giải pháp quản lý Teamcenter.

Quý doanh nghiệp, khách hàng có nhu cầu liên hệ SDE TECH theo thông tin sau: