Экологичные и малошумные: разработки ЦИАМ в области гибридных и электрических технологий для авиации

Электрификация – один из перспективных векторов развития мирового и отечественного авиастроения. Разработкой гибридных и полностью электрических силовых установок занимаются все крупные мировые авиационные производители и научные центры. Технологии создания гибридных (ГСУ) и электрических (ЭСУ) силовых установок для перспективных летательных аппаратов (ЛА) становятся важным фактором в конкурентной борьбе авиастроителей в свете ужесточения экологических требований ИКАО. Это также соответствуют тезису, что будущее – за неуглеводородными топливами.

Разработки в этой области находятся в фокусе внимания всех авиационных держав: новые технологии планируется использовать как в военной сфере – боевые и разведывательные беспилотники, легкие учебно-тренировочные самолеты, так и в гражданской – развитие маршрутной сети, появление новых типов летательных аппаратов. Создание двигателей новых схем может дать толчок развитию ЛА с новой архитектурой: мультироторного типа, конвертопланам с вертикальным или ультракоротким взлетом и посадкой и др. В конечных результатах исследований в данной области заинтересован и бизнес в лице авиакомпаний, нацеленных на снижение издержек.

Преимущества гибридизации

В настоящее время повышение топливной эффективности традиционных газотурбинных двигателей дается все труднее и труднее. И здесь гибридизация может помочь. Традиционные газотурбинные двигатели должны работать на всех режимах и, в первую очередь, обеспечивать взлет и набор высоты. Так получается, что для крейсерского режима мощность такого двигателя избыточна. Для снижения мощности двигателя снижается расход подаваемого в камеру сгорания топлива (дросселируется), что приводит к повышению удельного расхода топлива. Гибридная силовая установка позволяет решить эту проблему путем комбинирования различных типов источников энергии, оптимизированных под каждый режим полета.

Есть множество схем гибридных силовых установок. Например, в последовательной силовой установке воздушный винт (вентовентилятор) приводится во вращение электромотором. Электроэнергию электродвигатель получает от генератора, вращаемого газотурбинным двигателем, и от аккумуляторов. На взлете и наборе высоты одновременно будут работать газотурбинный двигатель и аккумуляторы. Газотурбинный двигатель оптимизирован под крейсерский режим полета и будет обеспечивать энергией электродвигатель и заряд аккумуляторов. Такое решение позволит за счет мощности второго источника обеспечить ГТД энергией и расходовать меньше топлива, обеспечивая достаточную тягу при наборе высоты и экономию топлива – и ресурса традиционного двигателя – в крейсерском полете.

Также подобная схема является более выгодной с точки зрения экономики. Она позволяет вместо двух газотурбинных двигателей, дорогих в производстве и в обслуживании, использовать один, что положительно сказывается на стоимости силовой установки и затратах на ТОИР. Другим преимуществом является повышение безопасности полетов. Так, в случае отказа газотурбинного двигателя в полете, самолет способен совершить экстренную посадку на аккумуляторных батареях.

Если говорить об экономических преимуществах создания и применения новых силовых установок, то, например, на самолетах местных авиалиний с ГСУ расход топлива может быть сокращен на 20% уже в самое ближайшее время, что также приведет к сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу. Конструктивные преимущества применения высокоэффективных СУ могут обеспечить экономический эффект в виде снижения стоимости конечного изделия, так как удельные характеристики электродвигателей практически не зависят от их мощности.

Россия – в тренде

Разработки в области ГСУ и ЭСУ с целью обеспечить технологический прорыв и заложить фундамент для новых стандартов ведут практически все ведущие разработчики авиационной техники в США, Франции, Великобритании, Германии и других странах: Airbus, Boeing, NASA, DARPA и др. Использование водорода в качестве топлива активно развивают Германия и Япония, имеющие самые продвинутые технологии в области водородных топливных элементов. Количество различных проектов аэротакси в мире уже перевалило за 150.

Первым проектом данной тематики стали инициативные работы ЦИАМ над беспилотником с ЭСУ на водородных топливных элементах. Всего было испытано четыре ЛА такого типа: первые два – на зарубежных элементах питания, следующие два поднялись в небо на батареях, разработанных в сотрудничестве с Институтом проблем химической физики (ИПХФ) РАН. Примечательно, что данная работа стала катализатором для создания отечественного топливного элемента, который позже вышел в серийное производство.

В 2017 году, уже под патронажем Минпромторга России, проявившего интерес к перспективам применения ГСУ и ЭСУ, была запущена работа по формированию опережающего научно-технического задела в этой области и созданию демонстраторов технологий. Учитывая многолетний опыт, наличие высококвалифицированных научных кадров и собственной экспериментальной базы, ЦИАМ был выбран в качестве головного исполнителя ряда государственных контрактов.

В рамках этого проекта выполнен ряд научно-исследовательских работ.
Итогом одной из них стала полностью электрическая СУ для экспериментального двухместного самолета «Сигма-4». Этот самолет предназначен для обучения пилотированию, тренировочных и туристических полетов, аэрофотосъемки и других воздушных работ. Питание электрического двигателя с максимальной мощностью 80 кВт (109 л.с.) осуществляется от блока аккумуляторных батарей, состоящих из литий-ионных аккумуляторных ячеек. Летные испытания самолета с ЭСУ запланированы на 2021-2022 гг. и будут проводиться в два этапа: первый – только с использованием заряда аккумуляторов, второй – с добавлением топливного элемента, что при той же массе, что и у аккумуляторов, позволит увеличить время полета в 3-4 раза.

Также был разработан демонстратор вспомогательной электрической установки мощностью 30-40 кВт на базе топливного элемента. Это именно вспомогательная ЭСУ, которая выступает в качестве энергоузла для летательного аппарата. То есть в ее задачи, в первую очередь, входит обеспечение самолета электроэнергией на земле. Например, во время рулежки или технического обслуживания. Однако она может быть использована как основной или резервный источник электроэнергии на определенных режимах полета.

Освоив 60-80-киловаттную мощность электродвигателя, специалисты Института накопили достаточно опыта, чтобы повысить этот показатель.

Демонстратор ГСУ, выполненный ЦИАМ в рамках НИР «Электролет» и ее продолжения «Электролет СУ-2020», состоит из электрического двигателя мощностью 500 кВт (680 л.с.), энергоузла для его питания, в который входят серийный турбовальный двигатель с подключенным к свободной турбине электрогенератором, а также блок аккумуляторных батарей. Уникальность российского технического решения для электродвигателя, разработанного ЗАО «СуперОкс» по заказу Фонда перспективных исследований (ФПИ), заключается в использовании высокотемпературных сверхпроводниковых технологий и криогенного охлаждения. Данное нововведение позволило решить одну из сложнейших проблем современного двигателестроения – существенно снизить электрическое сопротивление и свести тепловыделение практически к нулю. В результате были достигнуты более высокие показатели весовой эффективности двигателя и КПД электрических машин 98%.

В 2020 году демонстратор прошел финальную доработку и стендовые испытания, результаты которых позволили перейти к летным испытаниям. Наземные пробежки летающей лаборатории Як-40ЛЛ с ГСУ, дополняющей два штатных турбореактивных двигателя, состоялись в феврале 2021 года в СибНИА (также входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»). Первые летные испытания летающей лаборатории запланированы на вторую половину 2021 года.

В этой научно-исследовательской работе, помимо коллег из СибНИА и «СуперОкс», принимает участие целая команда специалистов из МАИ, УГАТУ, ИЭЭ РАН и др. Головным исполнителем работ является ЦИАМ.

Российские «электросамолеты» на МАКС 2021

Актуальность темы силовых установок новых типов в авиационном двигателестроении подтверждается и пристальным вниманием, которое уделяется этой составляющей при организации Международного авиационно-космического салона МАКС 2021.

Первые отечественные «электросамолеты» будут впервые представлены вниманию широкой аудитории в рамках единой экспозиции организаций, входящих в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского».

Тема «электричества» в экспозиции ЦИАМ поддерживается еще несколькими интересными и перспективными разработками. Например, ГСУ на базе двухсекционного турбированного роторно-поршневого авиационного двигателя с электрогенератором – ЭУ-РПД350Т. Он предназначен для применения в составе ГСУ летательных аппаратов вертикального взлета и посадки.

Также на МАКС будет представлен концепт комплексного проекта «Силуэт», являющегося развитием темы применения технологий ВТСП и криогенных топлив в авиации. Его реализацию ЦИАМ планирует начать в 2022 году. В рамках сотрудничества с Фондом перспективных исследований и использования опыта разработки ГСУ мощностью 500 кВт планируется создать демонстратор технологий полностью сверхпроводящей ГСУ мощностью 2 МВт. Макет этой установки можно будет увидеть на экспозиции.

Отраслевые перспективы

Приоритетными задачами ЦИАМ, как головного научного института авиационного двигателестроения, являются получение новых знаний в рамках формирования опережающего научно-технического задела и экспериментальная проверка жизнеспособность новых технических решений и перспективных технологий. Вся эта работа затем находит свое применение в промышленности, чтобы в значительной степени снизить риски и затраты на стадии опытно-конструкторских работ.

Недавно ЦИАМ в партнерстве с АО «ОДК-Климов» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха) приступил к разработке демонстратора ГСУ последовательной схемы на базе двигателя ВК-650В. Такая СУ может найти себе самое широкое применение в составе легких многоцелевых вертолетов, перспективных беспилотных и пилотируемых ЛА взлетной массой 2-8 т, самолетов МВЛ, аэротакси, воздушных судов бизнес-авиации и ЛА вертикального взлета и посадки.

Серьезный интерес к новым силовым установкам в мировом сообществе подтверждает, что эра электричества в авиации – не перспектива 20 лет, а наступит уже в ближайшем будущем. Первые силовые установки уже готовы поднять в небо не просто легковесные беспилотники, а легкомоторные самолеты, а в дальнейшем, с развитием технологий, – обеспечить поддержку традиционным двигателям воздушных судов малой и региональной авиации. При этом прорывные исследования, в которых Россия находится в тренде мировых тенденций, являются важной отправной точкой обеспечения удовлетворения экологических требований ИКАО и нового витка развития авиастроения.

Автор: Михаил Гордин, генеральный директор ЦИАМ, кандидат технических наук

Скачать статью в формате pdf