Polski system elektrycznych robotów holujących samoloty może przynieść ogromne oszczędności i korzyści dla środowiska
Branża lotnicza jest jedną z najbardziej poszkodowanych przez pandemię COVID-19. Dzisiaj widać już jakieś światełko w tunelu: pasażerowie latają na wakacje, biznesmeni na spotkania, ale powrót do sytuacji sprzed pandemii może potrwać nawet kilka lat, o ile nie nastąpią kolejne fale zachorowań. Tych znaków zapytania jest sporo, więc cała lotnicza machina, dzięki której świat tak bardzo się zmniejszył, siedzi dosłownie na wulkanie, niepewna dnia ani godziny. To producenci samolotów, linie lotnicze i lotniska z całą infrastrukturą techniczną i organizacyjną – miliony miejsc pracy, miliardowe inwestycje i trudna do wyobrażenia nowoczesna technologia.
Samoloty zużywają gigantyczne ilości paliwa – szykujący się do skoku przez Atlantyk dreamliner zabiera ok. 90 ton nafty lotniczej JET A – ponad jedną trzecią całkowitej masy startowej. Część tego paliwa, ok. 6-7%, zużywana jest na ziemi podczas kołowania do terminalu i z powrotem na start, tzw. taxiing. Lotniska są bardzo duże i zatłoczone. W Warszawie na lotnisku Chopina średni czas naziemnej operacji lotniczej (LTO – landing and take-off) przyjmuje się jako 2 x 18 minut, ale na wielkich hubach, takich jak Londyn, Frankfurt czy Paryż, bywa, że trwa to ponad godzinę. Linie lotnicze wykupują za wiele milionów tzw. sloty, aby zapewnić możliwość obsługi samolotów w czasie najdogodniejszym dla pasażerów. Wartość zużytego na ziemi paliwa przekracza 20 mld dol./euro w skali globalnej. To niewyobrażalna skala marnotrawstwa!
Doliczmy do tego zanieczyszczenie atmosfery w rejonie lotnisk toksycznymi składnikami spalin, tysiące ton dwutlenku węgla emitowane do atmosfery – tylko na Okęciu ok. 155 tys. ton rocznie! Niebawem prawa do emisji bardzo zdrożeją, co budzi wielkie obawy menedżerów lotnisk. Uwzględnijmy jeszcze uciążliwy hałas, a łatwiej zdamy sobie sprawę z powagi problemu. Z fotela przez małe okienko trudno też dostrzec taki „drobiazg”, że kosztujące po 8-10 mln dol. silniki Rolls-Royce’a lub General Electric N-Genx ochoczo zasysają z lotniska wszelkie zanieczyszczenia, pyły, drobiny startych okładzin hamulcowych i inne śmieci, co nie służy bynajmniej ich żywotności. Eksperci są zgodni, że gdyby silniki nie musiały pracować na ziemi, ich resurs wydłużyłby się o 25-30%. Naprawy i przeglądy silników mają bardzo ścisły związek z bezpiecznym lotem, kosztują krocie i wymagają wyłączenia samolotów z eksploatacji, co generuje dodatkowe wysokie koszty.
Gdzie szukać oszczędności?
W tej sytuacji uwaga wielu konstruktorów koncentruje się na opracowaniu urządzeń umożliwiających kołowanie „na prądzie”. Producenci samolotów, szczególnie liderzy, tacy jak Boeing i Airbus, tracą miliardowe zamówienia, liczą straty i ograniczają produkcję. Na przykład europejski koncern Airbus był zmuszony przerwać produkcję supergiganta A380, bo z dużych zamówień wycofali się majętni przewoźnicy bliskowschodni, Katar i Emirates. I teraz pracuje intensywnie nad tym, jak uniknąć grupowych zwolnień pracowników o wysokich kwalifikacjach, a ma ich setki tysięcy… Skąd ich wziąć później, gdy pandemiczny kryzys przeminie, na co wszyscy liczą?
Linie lotnicze są w podobnej sytuacji – zwalniać pilotów z wieloma tysiącami godzin na koncie? Z tego zawodu, podobnie jak np. z neurochirurgii, nie da się odejść na rok-dwa. Powrotów nie będzie. Również porty lotnicze pracują na pół gwizdka. Lata mniej pasażerów, bo nigdy nie wiadomo, czy powrót do domu nie wymusi konieczności kwarantanny w drogim hotelu.
Rodzi to poważny problem ze znajdowaniem środków na konieczne badania, opracowania i wdrożenia różnorodnych pomysłów i patentów. Firmy lotnicze w obliczu zapaści finansowej nie są zbyt skłonne do inwestowania, choć perspektywy ogromnych oszczędności widać gołym okiem. W Unii Europejskiej szeroko zakrojony program Clean Aviation przewiduje 140 mln euro na proekologiczne innowacje w lotnictwie cywilnym.
Pozorne rozwiązania
Wiele pomysłów jest prezentowanych w taki sposób, że robią znakomite wrażenie, szczególnie na niespecjalistach. Ich realność jest jednak mocno dyskusyjna.
Przyjrzyjmy się niektórym, ale najpierw kilka uwag. Samoloty to dość ciężkie maszyny: np. model Boeing 787 Dreamliner ma ok. 230 ton masy startowej. 85% tego ciężaru spoczywa na ośmiu kołach podwozia głównego, na każde z nich wypada ponad 25 ton. Nie wytrzyma tego standardowa nawierzchnia, dlatego drogi kołowania są zbrojone prawie metrową żelbetową „podkładką”. Pasy startowe również, tylko jeszcze mocniej, gdyż muszą sprostać niezwykle dynamicznym uderzeniom kół podczas lądowania.
Jeden z pomysłów, patent polskiego wynalazcy Sławomira Malickiego, nazwany ATS (Aircraft Towing System), jest już ponoć testowany w USA. Przewiduje on wykonanie w osi dróg kołowania tuneli, w których mają się poruszać elektryczne ciągniki, wysuwające przez szczelinę specjalne zaczepy do holowania samolotu za przednie podwozie. Podano nawet moc tych ciągników – ok. 400 KM. Pomijając już taki drobiazg jak podawanie mocy napędu elektrycznego w koniach mechanicznych zamiast w kilowatach – jest to przynajmniej trzykrotnie za mało. Do rozpędzenia masy ponad 200 ton do prędkości 23 węzłów (ok. 40 km/godz.), czyli dopuszczalnej prędkości taxiingu, potrzeba ok. 960 kW, co odpowiada ok. 1300 KM.
Koszt 1 km takiego systemu szacowany jest na ok. 3 mln dol. Gdyby nawet rozkuć żelbetowy podkład drogi kołowania, wymagałoby to zamknięcia lotniska wraz z płytami postojowymi na wiele miesięcy. Reasumując – projekt mało realny zarówno na pierwszy, jak i na drugi rzut oka.
Inny projekt, realizowany wspólnie przez Safran Group (producenta podwozi lotniczych) i firmę Honeywell (producenta agregatów pomocniczych w ogonach samolotów), przewidywał napędzanie kół głównych przez silniki elektryczne w piastach kół i przekładnie łańcuchowe. Tylko że największe agregaty APU (Auxiliary Power Unit) mają moce rzędu 350-400 kW i są przeznaczone do zupełnie innych celów – mają zapewnić uruchamianie silników głównych oraz zasilanie kokpitu i innych instalacji, gdy silniki nie pracują lub w wypadku awarii. Nie ma miejsca na układ chłodzenia ani na niezbędne skomplikowane przekładnie. Aby temu podołać, samolot zamiast pasażerów musiałby wozić na pokładzie sporą elektrownię. Nie ma do dyspozycji sieci trakcyjnej o napięciu 3000 V, jak pociągi Pendolino. Obie firmy po serii niezbyt udanych testów po cichu wycofały się z realizacji tego projektu, oczywiście tracąc kilkanaście milionów.
Popularne na lotniskach ciągniki pushback służące do wypychania samolotów spod gate’ów zupełnie nie nadają się do holowania samolotów na odległość kilku kilometrów, z rozsądną prędkością – są zbyt małe i zbyt powolne. W tę stronę próbowała pójść izraelska firma IAI – konstruując odpowiednio duże i ciężkie ciągniki systemu Taxibot. Ważą ok. 50 ton, kosztują ponad 1,2 mln dol. sztuka. Testy na lotnisku we Frankfurcie wykazały, że nawet nieźle sobie radziły, ale kilkaset sztuk (a tyle potrzeba do obsługi ruchu w tak wielkim porcie lotniczym) wypuszczonych na drogi kołowania z punktu zakorkowałoby wszelki ruch na płycie. Nie wspominam już o ogromnych kosztach, stawiających pod znakiem zapytania opłacalność przedsięwzięcia, problemach logistycznych i groźbie kolizji z samolotami oraz innymi uczestnikami ruchu. Najmniejsza stłuczka kosztowałaby miliony, na pewno nie udałoby się tego uniknąć. Projekt utknął i coś o nim nie słychać. Kolejne miliony trafiły w czarną dziurę.
Wydaje się oczywiste, że o wszelkich projektach elektrycznego taxiingu opartych na pokładowych źródłach prądu należy zapomnieć, przynajmniej w pespektywie najbliższych dziesięcioleci. Głośno ostatnio było o „superkondensatorach” pozwalających magazynować ogromne ilości energii wyzwalanej np. podczas lądowania. Takie urządzenia sporo ważą i wymagają ciężkich, skomplikowanych instalacji elektroenergetycznych. Wymagają wysokich napięć, a standardowe napięcie w instalacji samolotowej to 115 V. Żaden konstruktor nie dopuści napięć rzędu tysięcy woltów – choćby ze względów bezpieczeństwa, groźby zaiskrzenia i pożaru. Po kilku katastrofach zakazano przewozu baterii litowo-jonowych w samolotach pasażerskich, a w lotach cargo wymagane są niebywale trudne zabezpieczenia, co obrazuje skalę zagrożenia. Poza tym montaż tych instalacji wymagałby daleko idących przeróbek konstrukcyjnych, wycofywania samolotów z eksploatacji oraz kosztownych i długotrwałych procedur certyfikacyjnych – nikt na to się nie zgodzi. A co z tysiącami samolotów, które już latają?
A jednak się da
Jedyną realną szansą osiągnięcia celów zielonego taxiingu wydają się urządzenia zewnętrzne, niewymuszające ingerencji w konstrukcję samolotów. Polscy konstruktorzy opracowali system samojezdnych robotów holujących i zgłosili odpowiednie wnioski patentowe. Roboty w postaci wózków, których rama ma kształt litery U, mają napęd elektryczny z własnego zestawu baterii litowo-jonowych, jak w samochodach elektrycznych czy hybrydowych. Działają parami – są naprowadzane zdalnie przez operatora naziemnego na koła podwozia głównego, gdzie się automatycznie pozycjonują. Z obu ramion podwozia robota wysuwają się hydraulicznie tarcze i ściśle dociskają się do boków opon, zapewniając odpowiednie tarcie. Po sprzęgnięciu robota z kołami samolotu sterowanie przekazywane jest w ręce załogi do kokpitu, gdzie piloci mają sterownik podobny do pilota samochodu zabawki. Każdy robot waży ok. 1,4 tony, plus ok. 900 kg jego baterii. Pozwalają one na napędzanie kół przez mniej więcej półtorej godziny, co wystarcza na kilka operacji lotniczych. Potem roboty wędrują pod silne ładowarki lub połączone z samolotem podczas postoju są ładowane specjalnym kablem. Pozwalają także na samodzielny wyjazd spod bramki na płytę (bez ciągników) i dokołowanie na miejsce startu. Po odczepieniu od samolotu są błyskawicznie ładowane na specjalną naczepę i po sześć-osiem sztuk odwożone w dowolne miejsce. Ładowanie odbywa się oczywiście z systemu solarnego, na co miejsca na każdym lotnisku jest aż nadto – panele fotowoltaiczne są niskie i nie stanowią przeszkód nawigacyjnych.
System ten ma wiele zalet – nie wymaga żadnej ingerencji w konstrukcję samolotów, jest absolutnie bezpieczny i prosty w obsłudze. Na lotnisku Chopina 40 par robotów jest w stanie obsłużyć przeciętny ruch (sprzed pandemii, bo symulacje były robione w 2019 r.). Przewidywana cena jednego robota to ok. 150 tys. euro, co pozwoliłoby operatorowi portu na Okęciu osiągnąć ponad 10 mln euro czystego zysku rocznie. Oczywiście przy założeniu, że zysk z zaoszczędzonego paliwa byłby dzielony po połowie między operatora lotniska a przewoźników. Liniom lotniczym udostępnianie robotów byłoby naliczane w systemie minutowym. Kalkulacja ta nie uwzględnia efektów ekologicznych – znacznych, ale trudnych do wyliczenia. Opisane rozwiązanie ma liczne pozytywne opinie specjalistów i ekspertów, wśród nich wielu doświadczonych pilotów liniowych.
Rzecz jasna, jak tylko system pojawiłby się na Okęciu, wieść o nim rozeszłaby się po świecie z szybkością wirusa, a chętnych nie zabraknie. Dla walczących o przetrwanie firm z sektora lotniczego będzie to łakomy kąsek, bo cnota oszczędności, szczególnie w tej branży, jest w nadzwyczajnej cenie.
Dym z kosztownych opon
Konstruktorzy opisanego systemu już pracują nad kolejnym wynalazkiem, a wniosek na patent międzynarodowy został zgłoszony. Dotyczy on rozkręcania kół samolotu do obrotów dokładnie skorelowanych z prędkością przyziemienia, czyli ok. 1,1 tys. obrotów na minutę. Pozwoliłoby to uniknąć dynamicznego uderzania nieruchomych kół w beton pasa startowego, co powoduje szybkie zużywanie kosztownych opon. Ponieważ samolot wypuszcza podwozie kilkanaście sekund przed lądowaniem (około pół minuty, często więcej) – czasu na rozpędzenie kół jest sporo, a niezbędna moc jest relatywnie niewielka – rzędu 8-10 kW. Nowoczesne silniki da się zabudować w piastach kół przy minimalnych przeróbkach konstrukcji podwozia. Obecnie opony samolotu wytrzymują ok. 100 lądowań – zastosowanie wynalazku pozwoliłoby zwiększyć ich żywotność nawet pięciokrotnie. Łatwo policzyć, jaka jest możliwa skala oszczędności dla samolotów latających na krótkich trasach i wykonujących sześć-osiem lądowań dziennie. Jedna nowoczesna opona, zdolna wytrzymać ogromne obciążenia podczas przyziemienia, kosztuje kilka tysięcy dolarów/euro, ich wymiana pochłania czas i oznacza kolejne wydatki dla linii lotniczej. Do tego dochodzi czyszczenie pasów startowych z resztek gumy za pomocą kosztownego sprzętu, na dużych lotniskach niezbędne co tydzień. Lądujący samolot, szczególnie w trudnych warunkach, przy bocznym wietrze i śliskiej nawierzchni pasa – podlega ogromnym siłom. Rozkręcone koła delikatnie dotykające betonu byłyby ogromnym ułatwieniem i z całą pewnością mogą poprawić bezpieczeństwo tego manewru, trudnego dla pilotów i stresującego dla pasażerów.
Andrzej J. Szymysł jest inżynierem-konstruktorem, pilotem i publicystą lotniczym
Fot. materiały prasowe
Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy