寫稿
投稿
英國航空業(yè)制定了到 2050 年實現(xiàn)凈零航空的雄心勃勃的目標，到 2030 年新的臨時脫碳目標至少為 15%。為了幫助實現(xiàn)其目標，英國政府已撥款 1.4 億英鎊的工業(yè)和氫收入支持計劃加速工業(yè)碳捕集和氫氣，彌合天然氣和氫氣的工業(yè)能源成本之間的差距，并幫助綠色氫氣項目起步。 盡管有融資，脫碳航空也并非沒有挑戰(zhàn)。
這一目標的成功將取決于所有利益相關者（制造商、分包商、監(jiān)管機構、機場公司等）通過互聯(lián)技術進行合作的能力。 今天，工程模擬、虛擬原型和數(shù)字孿生的整體使用 可以幫助公司實現(xiàn)這一目標。 但這些技術如何加速無碳空中交通革命？
加速技術棧中組件的驗證
30年來，航空業(yè)的努力使每位乘客的二氧化碳排放量減少了一半。 但隨著氣候緊急情況，該行業(yè)正面臨范式轉變。 制造商已經適應了漫長的創(chuàng)新周期，并且?guī)啄陙頉]有進行徹底的改革，這意味著他們現(xiàn)在必須使用不夠成熟的新技術，并在創(chuàng)紀錄的時間內實施它們。 在這種情況下，挑戰(zhàn)在于確定可以改進的領域，以快速提高飛機的能源性能。
為此，工程仿真將使探索所有不同選項成為可能，以定義系統(tǒng)或組件的最佳配置。 具體而言，這意味著該技術可以對產品進行建模并研究其物理屬性（例如熱、沖擊、振動、摩擦等）對其操作和性能的影響。 因此，公司可以根據不同的操作場景預測其行為，進行權衡研究并更快地驗證其技術選擇，而無需制造物理原型或進行實驗測試。 因此，無論采用何種途徑來實現(xiàn)這一目標，工程仿真都是減少開發(fā)時間和成本并加快無碳飛機上市時間的關鍵預測工具。
降低整體油耗
更輕的飛機是減少燃料消耗并最終減少污染物排放的首選解決方案之一。 大多數(shù)重型材料，如金屬，已經被更輕的復合材料所取代，但制造商已經達到了一個平臺，必須成功地發(fā)明新的、更高效的材料。
仿真軟件整合了越來越多樣化和可定制材料的數(shù)據庫，使工程師能夠測試未開發(fā)的組合以開發(fā)創(chuàng)新的復合材料。 團隊還可以通過評估在不影響性能和安全的情況下減薄或消除部件的可能性來優(yōu)化飛機的拓撲結構。 此外，可以根據其可持續(xù)性得分指數(shù)來選擇材料，從而在選擇它們時使給定部件或系統(tǒng)的設計更具可持續(xù)性。
空氣動力學是限制燃料需求的另一個有前途的途徑。 氣動阻力（或氣動阻力）是能量消耗的主要來源。 通過模擬飛機外部結構上的氣流，可以研究幾何形狀或材料的變化對能量消耗的影響，從而確定最有效的設計。 最近幾個月，空氣動力學研究帶來了突破性的創(chuàng)新，例如空中客車 Maveric 飛機，其 V 形機身的效率比傳統(tǒng)飛機高 20%。
另一個有趣的替代方案是使用生物燃料，它可以將飛行過程中的二氧化碳排放量減少多達 80%。 這涉及通過混合兩種物質，用植物油基燃料代替部分煤油。 目前，由于發(fā)動機回路存在泄漏問題，生物燃料的摻入限制為 50%。 為了克服這個問題，有必要生產含有芳香分子的生物燃料，這將提供必要的密封，或者開發(fā)新的發(fā)動機密封。 仿真可以幫助工程師更有效地將生物基材料轉化為可持續(xù)燃料，并確定與噴氣燃料的適當混合程度，從而最大限度地提高燃油效率，從而幫助減少開發(fā)時間和成本。
利用電力和氫的全部潛力
飛機電氣化是綠色航空的另一個相關選擇。 對于此類飛機，挑戰(zhàn)在于優(yōu)化電池的尺寸和重量，因為電池存儲的能量密度低于石蠟。 當然，這種缺點在混合動力飛機中得到了補償，因為電池由傳統(tǒng)內燃機支持，因此 100% 電動僅適用于小型飛機和短距離。 另一個缺點是生態(tài)方面的，因為制造電池所需的原材料（鋰、鈷）的提取污染非常嚴重。 通過快速、廉價地測試許多電池概念，仿真不僅可以幫助制造商提高自主性，還可以開發(fā)需要較少稀有材料的模型。
氫氣是中長途航班考慮的長期解決方案之一，占空中交通二氧化碳排放量的 90%。 但是使用氫作為主要能源需要重新考慮深度存儲基礎設施。 氫氣是一種高度易燃的氣體，對于以安全為第一要務的制造商來說，發(fā)生事故是不可能的。 此外，對于相同的能量密度，它的體積是煤油的四倍。 為了節(jié)省空間，它必須以液體形式儲存在遠低于 -253° 的冷藏罐中，這可能會消耗能源。 氫氣也非常易揮發(fā)，因此制造商必須成功開發(fā)能夠防止泄漏和承受極端條件的創(chuàng)新材料。 最后，能源效率也需要提高，因為燃料電池的參與為該過程帶來了非常低的效率步驟。 通過模擬，他們可以了解容器與內容物之間的相互作用，以識別任何潛在故障、糾正錯誤并提高產品性能和安全性。
除了設計和制造之外，工程仿真將在使用基于仿真的數(shù)字孿生的飛機監(jiān)控和維護中發(fā)揮關鍵作用。 這是真實世界對象、系統(tǒng)或過程的動態(tài)虛擬表示，由來自傳感器和物聯(lián)網 (IoT) 的數(shù)據提供。 因此，該數(shù)字模型將隨著真實物體的發(fā)展而自我更新，從而能夠持續(xù)報告其性能。 更重要的是，數(shù)字孿生是一種預測解決方案，可以考慮對象的歷史來預測其未來的行為。 這對于預測組件的壽命并因此簡化維修和更換操作至關重要。 另一個優(yōu)勢是它可以應用于所有規(guī)模（部件、飛機、工廠、機場等），這使得可以將整個飛機生態(tài)系統(tǒng)整合到同一工作環(huán)境中，并更有效地對行業(yè)整體采取行動。
往期精選回顧：
