ロールスロイスとエレクトロフライトの全電気航空機は、航空のXNUMX番目の時代の到来を告げます
エネルギー貯蔵ソリューションスペシャリストのテクニカルディレクターであるダグラスキャンベルは、ロールスロイスのゼロエミッション航空機用のバッテリーの設計と製造プロセス、および材料の選択、構造の完全性、バランスの取れた冷却のシミュレーションにおいてAnsysがどのように重要な役割を果たしたかを調べます。
ロールスロイスとエレクトロフライトはともに、300mphを超える速度が可能な全電気航空機で、航空の475番目の時代を先導しています。 主な課題は、構造強度、熱管理、およびその他の重要な性能基準に合わせてXNUMXkgのバッテリーパックを最適化することです。 チームが世界最速のゼロエミッション航空機を導入するために競争したとき、Ansysを介したマルチフィジックスシミュレーションは、バッテリーの開発と検証を加速することによって重要な役割を果たしました。
ロールスロイスは航空のパイオニアですが、同社は革新的な全電気航空機で未来に焦点を合わせています。 プロペラ機とジェット機が航空の最初のXNUMXつの時代を代表する場合、XNUMX番目の時代は確かに持続可能な設計とゼロエミッションに焦点を合わせています。
新しい航空機の設計は、可能な限りカーボンニュートラルである必要があります
ロールスロイスのACCELイニシアチブ（Accelerating the Electrification of Flightの略）の一環として開発されたこの航空機は、2021年に、全電気設計の既存の210mphの速度記録を打ち破ろうとします。 機体はすでに300mph以上の速度に達しており、従来の内燃エンジンが搭載されているため、ACCELチームは大きな期待を寄せています。 航空機の速度と同じくらい印象的なのはその範囲です。 200回のバッテリー充電でロンドンからパリまでXNUMXマイルの旅をすることができます。 さらに、ロールスロイスチームとエレクトロフライトチームの両方のさらなる目的は、プロジェクト全体の持続可能性を追跡および文書化することでした。これは、プロジェクト全体の持続可能性を追跡および文書化して、プロジェクトの純排出量をゼロにすることでした。
翼のあるバッテリー
このレベルのエネルギー貯蔵性能には、斬新なエンジニアリングアプローチと革新的なバッテリー設計が必要です。 ロールスロイスは、社内のリソースに依存する代わりに、航空宇宙電化アプリケーション向けの高信頼性エネルギー貯蔵ソリューションを開発するグロスターシャーを拠点とする新興企業であるElectroflightに目を向けました。
結果として得られるリチウムイオンバッテリーパックには、軽量の電気モーターとコントローラーのメーカーであるオックスフォードを拠点とするYASAによって開発された、500つの高出力電気モーターに電力を供給するXNUMXつの別個のバッテリーアセンブリが組み込まれています。 独自のアキシャルフラックス設計に基づいて、YASAはXNUMXhp以上を生成する小型で軽量のエンジン構成を提供し、航空機の記録的な速度をサポートすることができました。
軽量のエンジン設計を実現できるかもしれませんが、最も電力密度の高いリチウムイオン電池でさえ、必然的に重いものになります。 6,000を超えるバッテリーセルと90％の優れたエネルギー効率を備えた、Electroflightによって設計されたバッテリーアセンブリは、250世帯に電力を供給するのに十分なエネルギーを生成します。 また、重量は475kgで、機体の胴体にかなりのスペースがあり、一部の観測者は機体を翼付きのバッテリーと呼んでいます。
バッテリーのサイズと重量は不利な点と見なされるかもしれませんが、ロールスロイスとエレクトロフライトは、バッテリーパックをXNUMX人乗りの航空機の主要な構造要素として活用することで、これらの機能を活用しました。 つまり、機体とバッテリーパックを同時に最適化して、両方の要素を統合し、エネルギーと推進力と揚力のバランスをとる必要がありました。
もうXNUMXつの潜在的な欠点は、リチウムイオン電池の熱効果が十分に立証されていることです。 Electroflightのエンジニアは、バッテリーパックの自然な発熱傾向を管理するために、水とグリコールで構成される液体冷却剤の混合物をバッテリー間のプレートに送り込む革新的な冷却システムを設計しました。 熱負荷は、航空機の性能に高い電力が要求されている場合でも、リチウムイオン電池が冷却プレートに接触するときに管理されます。
Electroflightの高度なバッテリー管理システムは、毎秒数千のデータポイントを収集し、記録を試みるときにバッテリーシステムから最大のパフォーマンスを引き出すために必要な情報をパイロットに提供します。 安全性を念頭に置いて、Electroflightチームは、XNUMXつのバッテリーパックを操作するだけで安全に着陸できるように航空機を設計しました。
シミュレーション速度の設計
Electroflightは、バッテリーアセンブリの設計に伴う高度な課題の多くをモデル化して解決するために、Ansys Mechanical、Ansys Discovery、Ansys Fluent、Ansys Granta MaterialsSelectorなどの一連のAnsysシミュレーションソリューションに依存していました。 エンジニアリングシミュレーションは、Electroflightチームが、材料の選択、構造の完全性、バランスの取れた冷却というXNUMXつの重要な問題に対処するのに役立ちました。
電気航空機は、ロールスロイスのACCELイニシアチブの一環として開発されました
Electroflightは、航空機自体と比較したバッテリーパックのサイズが非常に大きいため、航空機の運用およびパフォーマンスサイクル全体を通じて、飛行負荷を電力システムから機体に伝達する小型航空機の構造部材である必要があると結論付けました。 この機能を実現するには、バッテリーアセンブリの設計を注意深く分析して最適化する必要がありました。 チームは、飛行荷重の効果的な伝達と、システムの動作周波数のいずれかに一致する可能性のある振動モードの回避の両方を確保しながら、重量を最小限に抑えたいと考えていました。
ElectroflightチームをサポートするAnsysは、AnsysMechanicalを使用してバッテリーアセンブリの完全な構造および周波数分析を提供します。 これにより、アセンブリの設計にさまざまな調整が加えられました。特に、プロペラの動作周波数に合わせた共振周波数を回避して、アセンブリ全体の剛性を調整するための新しいクランプの設計が行われました。
個々のバッテリーセルは、ポリマー取り付けプレート上に配置されたコンパクトな背中合わせの配置で取り付けられます。 もともと使用を目的とした3D印刷されたフレーム材料は、温度が上昇するにつれて剛性特性が低下することがわかりました。 エレクトロフライトでは、ガラス転移温度がバッテリーの動作温度よりも高い材料を選択する必要がありましたが、これは困難な課題でした。 チームはGrantaを使用して、特定の要件に基づいて材料を選択しました。 Ansys MechanicalとGrantaを使用して、30％のガラス繊維を充填したポリカーボネートが最適な材料であることが確認されました。 シミュレーションは、チームが設計段階でこの困難な材料の課題に対処するのに役立ちました。
最適化はそれをクールに保ちます
熱負荷はリチウムイオン電池の中心的な関心事であるため、Electroflightのエンジニアは、DiscoveryとFluentを活用して、電池冷却システムをモデル化し、実際の動作条件での完全な電池アセンブリの熱性能を研究しました。 チームは、バッテリーの革新的な冷却システムの性能を特徴づけるために、閉じ込められた内部の流れのために特別に開発されたFluentの随伴解法を適用しました。 ソフトウェアは、特定の設計の動作範囲を自動的に調査し、配置をより最適な形状にモーフィングして、Electroflightチームを最適化された設計に導きます。 随伴シミュレーションは、バッテリーのどの領域が過熱に最も敏感であるかを示すロードマップを提供したため、開発者はそれに応じて努力を集中することができました。
Ansysのソリューションは、Electroflightチームが持続可能性や製造可能性から運用上の制限まで、多くの高度な問題を理解し、それに応じてバッテリー設計を最適化するのに役立ちました。 チームは、最近のテストフライトに関連するマイルストーンを達成するために、時間とコストの大きなプレッシャーにさらされていました。Ansysによるシミュレーションは、主要なエンジニアリングの課題を迅速かつ効果的に解決するのに役立ちました。 Ansysは、Electroflightがテスト飛行の前にバッテリーパックの最終設計を検証するのを支援しただけでなく、そこに向かう途中で非常に複雑な質問に答えました。
持続可能性が飛躍する
世界の航空宇宙産業が先を見据えているため、新しい航空機の設計は可能な限りカーボンニュートラルでなければならないことは明らかです。 これにより、材料の選択からエネルギー生産と効率の多くの側面に至るまで、エンジニアリングチームにとってまったく新しい一連の課題が生まれます。 Grantaツールは、この持続可能性への取り組みをサポートし、プロジェクトの環境フットプリントを完全に理解して最小化するための新しい処理とアプローチを開発することができました。
ロールスロイスの航空リーダーシップの伝統とElectroflightのバッテリーシステムにおける独自の専門知識に支えられ、Ansysのクラス最高のツールを備えており、Electroflightチームはこれらの課題に首尾よく取り組んでいます。 一連のテスト飛行が完了したことで、持続可能な航空の将来に対するパートナーの信頼が高まっています。
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