На пути к электрической силовой установке: в ЦИАМ рассказали о концептуальном направлении в авиастроении

«Электрификация» для современной авиации — один из основных путей развития. Особенно в свете нарастающих требований международных организаций ICAO и IATA по изменению экологических показателей «крылатой» техники, в частности — авиадвигателя. К 2050-му году ставится задача вдвое, по сравнению с 2005 г., сократить выбросы углекислого газа в атмосферу при том, что количество трафик пассажиров увеличится в 2-3 раза, а в районе аэродромов и вовсе свести их к нулю.

Один из возможных способов достижения этих целей, а возможно и единственный — создание гибридных и электрических силовых и вспомогательных установок. Подобные силовые установки открывают новые возможности не только по формированию силовой установки, но и всего летательного аппарата. Здесь важно то, что появляется возможность разделить устройства, вырабатывающие энергию, и создающие тягу. Можно использовать различные типы источников энергии, комбинировать их с целью достижения наивысшей эффективности каждого.  

Во власти электричества

Все новое начинается с малого... Поэтому нишей для отработки новых технологий и вывода ее на рынок ведущие мировые разработчики рассматривают малую и региональную авиацию. Отдельно идет задача по созданию летательных аппаратов, выполняющих функцию аэротакси: это различного рода летательные аппараты вертикального взлета и посадки.

Ожидается небывалый спрос. Так на авиамаршруты меньше 800 километров ежегодно приобретается примерно два миллиарда билетов, что открывает широкие возможности к развитию и распространению летательных аппаратов с гибридными и полностью электрическими силовыми установками, которые станут отыгрывать свою долю перевозок постепенно, начиная с коротких маршрутов. Например, Швеция и Норвегия приняли единодушное решение к 2040-му году перевести все внутренние авиарейсы на полностью электрическую тягу. Об этом же заявляет Япония. Такие изменения в скором времени ждут и весь мир.

Именно поэтому все основные производственные концерны и научные центры — NASA, General Electric, Rolls-Royce, Airbus, Boeing, Siemens и др. — взяли на вооружение «приручение» электричества и сделали его одним из приоритетных направлений своей деятельности. Так, в начале 2019 года компания Boeing испытала быстрое электрическое аэротакси NeXt, а Airbus — аэротакси Vahana. По прогнозам этих компаний, рынок летательных аппаратов вертикального взлета и посадки с гибридными и электрическими силовыми установками, выполняющими функции аэротакси, в будущем будет сопоставим с капиталоёмкостью рынка магистральных самолетов.

Больших успехов в создании гибридных и электрических двигателей достигла компания Siemens, которая представила мотор мощностью 250 кВт, создала несколько самолетов с полностью электрическими силовыми установками.

Созданием линейки демонстраторов гибридных и электрических силовых установок разной мощности, приближающих эру электросамолетов, занимаются и в России, в Центральном институте авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»). Специалисты Института подчеркивают, что конечная цель их работы — это разработка методологии проектирования и испытаний гибридных и электрических силовых установок, определение концепций, где они дают выигрыш, а где нет.

Работа по электрическим силовым установкам началась в 2008 году в Институте как инициативная. Первыми электросамолетами были беспилотники на водородных топливных элементах, сначала зарубежных, а потом отечественных. Позднее, когда государство сфокусировало свое внимание на электроавиации, ЦИАМ, обладающий опытом и знаниями в этой области, выиграл конкурс Минпромторга России и начал работать сразу по нескольким проектам. Институт привлек широкую кооперацию отечественных разработчиков в этой области, став своего рода интеллектуальным центром, интегратором направления гибридных и электрических силовых установок.

По новой схеме

Основными компонентами гибридных и электрических силовых установок являются электрические машины, двигатели и генераторы. Прогресс электрических машин виден невооруженным глазом. Еще 20 лет назад они были невероятно тяжелыми, поэтому их даже не рассматривали в качестве возможной альтернативы традиционным силовым установкам летательных аппаратах.

Увидеть в электромашинах возможное дополнение или даже замену традиционных двигателей, которые уже практически исчерпали ресурс своего возможного совершенствования, помог стремительно развивающийся рынок электротехники. Относительно недавно на рынке появились мощные редкоземельные магниты, которые позволили создавать электрические двигатели с малой удельной массой.

Большой прогресс произошел в силовой электронике. Появились компактные высокоэффективные и относительно дешевые транзисторы, рассчитанные на высокое напряжение и токи. Вместе с одновременным прогрессом в микропроцессорах это решило вопрос управления электрических машин на постоянных магнитах.

Еще одним витком развития электротехнологий в авиации стало развитие литиевых аккумуляторов. Их ёмкость за последние 15 лет увеличилась более, чем вдвое. Хотя они все ещё пока не способны обеспечить самолету длительный полет, такой же как традиционная силовая установка. Тем не менее, в Китае был сертифицирован серийный словацкий самолет Pipistrel Alpha Electro, используемый как учебно-тренировочный. В небе он может провести не больше часа, однако для отработки навыка пилотажа этого более чем достаточно. Основное же преимущество — в простоте конструкции, а также в том, что силовой установке практически не требуется сервисного обслуживания. При этом стоимость электричества по сравнению с топливом существенно ниже.

Аналог словацкого учебно-тренировочного самолета, позволяющего перемещаться в пределах небольшой местности, создают и в России. ЦИАМ в кооперации с Институтом проблем химической физики РАН и компанией «Наука Софт» разработали электрическую силовую установку на основе литиевых аккумуляторов и электродвигателя мощностью 60кВт для лёгкого двухместного самолета взлетной массой 600 кг «Сигма-4» с электрической силовой установкой на 60 кВт (80 л.с.). Уже изготовлен и испытан компактный электродвигатель, система управления для него, блоки аккумуляторов.

Для увеличения полетного времени до двух часов специалисты планируют впоследствии установить на него не только аккумуляторы, но и твёрдополимерные топливные элементы. Топливные элементы — это, как и аккумуляторы, электрохимические источник электрической энергии. В них происходит электрохимическая реакция водорода и кислорода продуктом которой являются электрическая энергия и водяной пар. Это очень многообещающая технология. Энергетические установки на основе топливных элементов имеют в разы большую удельную энергию, чем аккумуляторы, даже в перспективе. А топливом является водород, который является возобновляемым топливом, т.к. может быть получен из воды путём электролиза, например, от возобновляемых источников электричества. Сейчас Германия и Япония активно инвестируют в это направление. Тем не менее, это направление не ближайшего будущего, т.к. потребует создания водородной инфраструктуры.

Поэтому наиболее реальным является создание гибридных силовых установок, в которых присутствует и традиционный тепловой двигатель, и аккумуляторы, и электрические машины.

Так в ЦИАМ разрабатывается демонстратор гибридной силовой установки мощностью 500кВт. Проект финансируется Минпромторгом России и в него вовлечены многие организации и университеты. Так электрический генератор мощностью 400кВт ЦИАМ разработал и провел испытания совместно с Уфимским государственным авиационным технически университетом.

В выбранной схеме воздушный винт, или вентовентилятор приводится во вращение электромотором. Само электричество электродвигатель получит от генератора, вращаемого газотурбинным двигателем, и от аккумуляторов. На взлете и наборе высоты работать будут газотурбинный двигатель и аккумуляторы. На крейсерском режиме только газотурбинный двигатель, а аккумуляторы будут подзаряжаться. Такое решение позволит ГТД за счет мощности второго источника энергии расходовать на 20% меньше топлива, обеспечивая достаточную тягу при наборе высоты и экономию на крейсерском режиме. Выбранная схема, по мысли разработчиков, и более экономичная. Она позволяет вместо двух газотурбинных двигателей, более дорогих в производстве и в обслуживании, использовать один. При этом возможные отказы в полете компенсировать мощностью аккумуляторной батареи.

Сейчас демонстратор гибридной силовой установки проходит испытания на стенде в ЦИАМ на земле. В дальнейшем с СибНИА планируется установить демонстратор на летающую лабораторию, созданную в СибНИА на базе самолета Як-40. 

В будущее — на сверхпроводниках

Ключевым элементом демонстратора является электрический двигатель мощностью 500кВт в обмотках которого применяются высокотемпературные сверхпроводники 2-го поколения. Его разработчиком является отечественная компания ЗАО «СуперОкс». Разработка осуществляется в рамках контракта с Фондом перспективных исследований. Применение сверхпроводников в конструкции электрических машин и для передачи электрической энергии большой мощности является наиболее прорывным направлением.

Дело в том, что главный вопрос, который волнует всех создателей гибридных и электродвигателей, — куда отводить тепло? Можно задействовать воздушное и жидкостное охлаждение, но не стоит забывать: мощность пропорциональна кубу линейного размера, а площадь поверхности, которая рассеивает тепло, — только квадрату. Поэтому разработчикам необходимо придумывать сложные системы охлаждения, которые неизбежно увеличат массу силовой установки. Простое сравнение «куб — квадрат» как раз объясняет, почему при увеличении мощности электрической машины возникает множество других сложностей.

Возможность снижения массогабаритных параметров двигателя и повышение его КПД до 99% дает использование в конструкции электромашин высокотемпературных сверхпроводников. «СуперОкс» выпускает сверхпроводники, которые работают при температуре жидкого азота (77К) и ниже. Причем, чем ниже температура, тем лучше. При снижении температуры до 20К (жидкий водород) максимальный возможный ток, который можно пропустить через сверхпроводящую ленту увеличивается в 10 раз и более. И здесь опять возникает идея использовать водород в качестве топлива, и хранить его на борту в жидком виде.

Разработки по конструкционным схемам, перспективным материалам и испытаниям электрических и гибридных двигателей необходимо продолжать, и без помощи государства и индустриальных партнеров здесь не обойтись. Предложения продолжить развитие тематики исследований в 2020-2022 годах Институт озвучил на совместном научно-техническом совете ЦИАМ и Совета при руководстве приоритетного технологического направления «Технологии двигателестроения» и был поддержан коллегами из АО «ОДК», ГК «Роскосмос», Фонда перспективных исследований, АО «Технодинамика» и других организаций.

Журнал «Авиапанорама»