混合电平面概念可以减少航空的空气污染问题

飞机着陆

拟议的混合电机可以“消除航空的空气污染问题”,说明工程师。

一项新的研究发现,所提出的设计可以减少95%的氮氧化物排放量。

在巡航高度时,飞机将稳定的氮氧化物流发射到大气中,其中化学物质可以延续以产生臭氧和细颗粒。氮氧化物或NOx是空气污染的主要来源,并与哮喘,呼吸道疾病和心血管疾病有关。以前的研究表明,由于全球航空导致这些化学品的产生导致每年16,000人死亡。

现在麻省理工学院工程师提出了一架飞机推进的概念,即他们估计将消除95%的航空排放排放,从而将相关的早期死亡人数减少92%。

该概念受到地面运输车辆中使用的排放控制系统的启发。许多重型柴油卡车今天房屋后燃烧排放控制系统,以减少发动机产生的NOx。研究人员现在提出了类似的航空设计,电动扭曲。

今天的飞机是由固定在机翼下方的喷气发动机推动的。每台发动机都有一个燃气涡轮,当涡轮排出的废气从后面流出时,涡轮驱动螺旋桨使飞机在空气中移动。由于这种结构,不可能使用排放控制设备,因为它们会干扰引擎产生的推力。

在新的混合电动,或“涡轮电动,”设计中,飞机的电源源仍然是传统的燃气轮机,但它将集成在飞机的货舱内。燃气轮机而不是直接供电螺旋桨或风扇,也可以在保持的情况下驱动发电机,以产生电力,然后将电动电动电动平面的翼架,电驱动的螺旋桨或风扇。燃气轮机生产的排放将被送入排放控制系统,与柴油车辆的广泛相似,在将其喷射到大气中之前会清洁排气。

“这仍然是一个巨大的工程挑战,但没有基础物理限制,”麻省理工学院航空航天教授Steven Barrett说。“如果你想到零零航空部门,这是解决它的空气污染部分的潜在方式,这是重要的,并且在一种技术上是可行的方式。”

设计的细节,包括分析其潜在的燃料成本和健康影响,在期刊上发表能源与环境科学。本文的共同作者是Prakash Prashanth,Raymond Speth,Sebastian Eastham和Jayant Sabnins,所有麻省理工学院航空和环境实验室的成员。

飞机设计减少氮氧化物

新设计可以减少全球氮氧化物(NOx)排放量为95%。信贷:由研究人员提供

半电气化计划

巴雷特和他的团队调查大众柴油尾气排放丑闻的工作,为该团队开发混合动力飞机奠定了基础。2015年,环境监管机构发现,这家汽车制造商故意操纵柴油发动机,只在实验室测试期间启动排放控制系统,使其看起来符合氮氧化物排放标准,但实际上在实际驾驶条件下排放的氮氧化物高达40倍。

在研究排放作弊对健康的影响时,巴雷特也逐渐熟悉了柴油车的排放控制系统。与此同时,他也在研究制造大型全电动飞机的可能性。

“在过去几年中已经完成的研究表明,您可能可以为较小的飞机提供电气,而是对于大型飞机来说,它不会在没有电池技术中的相当重大突破的情况下随时发生这种情况。”“So I thought, maybe we can take the electric propulsion part from electric aircraft, and the gas turbines that have been around for a long time and are super reliable and very efficient, and combine that with the emissions-control technology that’s used in automotive and ground power, to at least enable semielectrified planes.”

飞行零影响

在严格考虑飞机电气化之前,可能有可能实现诸如此之类的概念,例如作为喷射发动机背面的附加装置。但这种设计,Barrett Notes,将“杀死任何喷气发动机会产生的,有效地接地设计。

巴雷特的概念通过从发电燃气轮机中分离推力制造螺旋桨或风扇来围绕这种限制。螺旋桨或风扇将由发电机直接供电,发电机又将由燃气轮机供电。来自燃气轮机的排气将被送入排放控制系统,该系统可以折叠,手风琴式,在飞机的货物上,完全从生产推力螺旋桨中分离出来。

他设想了混合动力系统 - 燃气轮机,发电机和排放控制系统的大部分 - 将适合在飞机的腹部内,在许多商业飞机上可以有足够的空间。

在他们的新论文中,研究人员计算出在波音737或空中客车A320的飞机上实施了这种混合动力系统,因此额外的重量需要大约0.6%的燃料飞行飞机。

“这将是许多人,比为所有电动机提出的倍增,”巴雷特说。“这种设计将增加几百千克到飞机,而不是加入很多大量的电池,这将是额外的重量。”

研究人员还计算了一架大型飞机(包括有无排放控制系统)的排放量,发现混合动力设计将减少95%的氮氧化物排放

如果这个系统在世界各地的所有飞机上延伸,他们进一步估计了由于航空航空导致的92%的污染死亡。他们通过使用全球模型来映射通过大气来映射航空排放的流动,并计算世界各地的各种群体将暴露在这些排放量的情况下达到此估算。然后,他们将这些暴露转换为死亡率,或者估计由于暴露于航空排放而死亡的人数。

该团队目前正在设计一种“零影响”飞机,在飞行过程中不排放氮氧化物和其他化学物质,如改变气候的二氧化碳。

“我们需要从空气污染中基本上零净气候影响和零死亡,”巴雷特说。“本目前的设计将有效地消除航空的空气污染问题。我们现在正在研究气候影响部分。“

参考:“航空燃气轮机发动机的燃烧后排放控制”由Prakash Prashanth,Raymond L. Speth,Sebastian D. Eastham,Jayant S. Sabnis和Steven R. H. Barrett,2020年12月7日,能源与环境科学
DOI:10.1039 / D0EE02362K

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