Содержание
Начальник отдела электрических силовых установок Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) Антон Варюхин заявил в беседе с RT, что осенью 2020 года начнутся лётные испытания перспективного гибридного авиационного двигателя. Они будут проходить на летающей лаборатории, которая в настоящее время создаётся на базе пассажирского самолёта Як-40. Машина не производится с 1981 года, но её продолжают эксплуатировать некоторые компании.
«Мы решили создать демонстратор гибридной силовой установки большой размерности. Мощность электрического двигателя, который будет крутить воздушный винт, составляет 500 кВт. Для его питания мы будем использовать генераторы (400 кВт) и аккумуляторы (100 кВт). Сейчас идут стендовые испытания, а в следующем году установим двигатель на Як-40», — рассказал Варюхин.
По словам инженера, разработка гибридной силовой установки осуществляется в «большой кооперации». В ней участвуют ЗАО «СуперОкс», НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», Уфимский государственный авиационный технический университет, Московский авиационный институт, ООО «Экспериментальная мастерская «Наука-софт», ООО «Авиа-Турбо». ЦИАМ выступает в роли головного разработчика.
Оборудованием летающей лаборатории занимается Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА).
«Очевидный выигрыш»
Современные газотурбинные двигатели отличаются большой «прожорливостью» во время взлёта, набора высоты и посадки. В экономичном режиме проходит только крейсерский полёт. Специалисты ЦИАМ предлагают накапливать электроэнергию в период максимальной работы керосинового двигателя, а потом использовать её в режиме крейсерского полёта.
«Сейчас коллеги из СибНИА укрепляют носовую часть летающей лаборатории — обтекатель, мотораму, передний шпангоут. Также они убрали третий средний двигатель АИ-25. Вместо него будет установлен турбовальный двигатель ТВ2-117 с электрогенератором. Он наиболее прост и надёжен в эксплуатации», — рассказал Варюхин.
Особенность двигателя, который разрабатывает ЦИАМ, заключается в применении в качестве обмоток высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения.
Постоянный ток вырабатывает генератор на постоянных магнитах. В этом агрегате, как говорится в буклете ЦИАМ, «заложен ряд инновационных технических решений, обеспечивающих высокий КПД и высокие удельные характеристики».
Генератор был создан учёными ЦИАМ и Уфимского государственного авиационного технического университета. Это первый в России производитель электроэнергии авиационного назначения мощностью более 150 кВт. КПД агрегата достигает 96%.
В материалах ЦИАМ сообщается, что максимальная частота вращения перспективного электродвигателя составляет 2500 оборотов в минуту, номинальное напряжение — 800 В, масса двигателя — 95 кг, диаметр — 0,45 м, длина — 0,4 м. Расход жидкого азота (для охлаждения обмоток. — RT) оценивается в 6 л/ч.
«КПД электрических двигателей на ВТСП составляет 98%. При мощностях более 500—1000 кВт удельная масса подобных электрических машин будет существенно ниже, чем у традиционных», — уточняется в материалах ЦИАМ.
Варюхин сообщил, что электродвигатель можно устанавливать на самолёты вместимостью до 20 пассажиров. Однако в будущем ЦИАМ рассчитывает спроектировать более мощную силовую установку. По словам инженера, на текущий момент важно отработать технологию электродвижения, «пусть и на стареньком Як-40».
«Создать сразу мощный двигатель очень тяжело, но мы будем двигаться к этому шаг за шагом. Гибридные технологии для силовых установок могут использоваться даже на широкофюзеляжных дальнемагистральных самолётах. Выигрыш от гибридизации может оказаться большим из-за продолжительного крейсерского полёта. Правда, требования к мощности будут совершенно иные — речь идёт о десятках МВт», — пояснил Варюхин.
ЦИАМ намерен развивать технологии электродвижения за счёт совершенствования сверхпроводников. Они позволяют существенно уменьшить массу силовой установки. По мнению специалиста, авиационная отрасль получит «очевидный выигрыш» после изобретения электродвигателя мощностью от 2 МВт. В целом использование подобных агрегатов позволит снизить стоимость перевозок на 20%, прогнозирует Варюхин.
По словам инженера, «для масштабной интеграции электродвигателей необходима тесная кооперация между разработчиками самолёта и двигателя».
«Тем не менее на некоторые типы воздушных судов уже сейчас можно устанавливать электродвигатели. Прежде всего это лёгкие учебные самолёты. В будущем электродвигателем может быть оснащён, например, Ил-114-300, производство которого сейчас разворачивается. Для этого как раз необходимо достичь мощности в 2 МВт», — подчеркнул Варюхин.
В погоне за мощностью
Опрошенные RT эксперты считают, что развитие технологий электродвижения является общемировым трендом гражданской авиации, для которой ключевое значение имеют экономичный расход топлива и повышение экологических стандартов.
«Технологии движутся в сторону уменьшения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и экономичности. Гибридные силовые установки сейчас используются в автомобилях. Но ничего не мешает оснащать ими летательные аппараты. Естественно, этим стоит заниматься и в нашей стране», — заявил в беседе с RT обозреватель журнала «Арсенал Отечества» Дмитрий Дрозденко.
В то же время эксперт обратил внимание, что на текущий момент перспективные электродвигатели не вырабатывают мощность, необходимую для обеспечения крейсерского полёта подавляющего большинства лайнеров гражданской авиации, включая Ил-114-300.
В свою очередь, заслуженный пилот России, член комиссии при президенте по вопросам развития авиации Юрий Сытник подчеркнул в беседе с RT, что электродвигатель ЦИАМ и его модификации будут применяться в авиации лёгкого класса — в пассажирских перевозках, сельском хозяйстве и мониторинге территорий.
«Будущее — за гибридными двигателями с использованием электрических силовых установок. Сейчас не хватает мощности, но инженеры постепенно будут решать эту задачу. Это не быстрый процесс, но рано или поздно мощность электродвигателей будет эквивалентна керосиновым агрегатам», — пояснил Сытник.
По словам эксперта, «на текущем этапе появление электродвигателей способно стать стимулом для развития малой авиации, а в перспективе технологии электродвижения будут применяться на узкофюзеляжных самолётах».
Сокращения выбросов углекислого газа воздушными судами дал большой толчок в области развития гибридного электрического авиатранспорта. Natural Resources Defense Council (NRDC) сообщает, что при увеличении грузоперевозок авиационным транспортом по сравнению с морским в 4,5 раза — в 25 раз увеличилось количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ. National Geographic сообщил в апреле 2015 года, что самолеты выбросили примерно 700 миллионов тонн углекислого газа в 2013 году и, если ситуацию не изменить, то к 2015 году эта цифра вырастет втрое.
В 1997 году Киотский протокол делегировал ответственность международной организации гражданской авиации для регулирования авиационной эмиссии. В Соединенных Штатах многие экологические организации подали в суд на Агентство по охране окружающей среды (EPA), чтоб добиться еще более жестких квот на выброс углекислых газов. В прошлом году Нью-Йорк Таймс сообщила со ссылкой на EPA, что американские самолеты выбросили примерно 11% мировых парниковых газов, что составило 29% от всех мировых судов.
В феврале этого года ICAO объявила о первом в истории международном соглашении о сокращении выбросов углекислого газа коммерческими самолетами. К новым соглашениям присоединились 23 страны, включая США. Соглашение предусматривает сокращение потребления топлива для новых коммерческих самолетов на 4% построенных после 2028 года, а также модернизацию максимальную самолетов находящихся в эксплуатации после 2023 года. Данные правила необходимы для разработки и ввода в эксплуатацию максимально эффективных новых самолетов.
НАСА, эффективные самолеты, новые X-Planes
Массовое распространение гибридных автомобилей и электромобилей позволило ученым задуматься о применении данных технологий и к авиации. В настоящее время ученые и инженеры в исследовательском центре НАСА активно разрабатывают новое поколение самолетов. Одной из наиболее перспективных задач является разработка гибридной или турбоэлектрической двигательной установки для замены классических газовых турбин. Данная замена позволит снизить потребление энергии, шумы и, пожалуй, одно из самых важных преимуществ, вредные выбросы в атмосферу.
Sceptor является силовым макетом гибридного самолета НАСА. Он принадлежит к части нового поколения X-planes и является первым шагом НАСА для создания силовой электрической установки коммерческого самолета мегаваттного типа. Цель исследователей заключается в создании летательного аппарата способного перевозить девять пассажиров с силовой системой 500 кВт (примерно 700 л.с.). Самолет весит около 3000 фунтов и его запуск планируется на начало 2018 года. Самолет будет иметь несколько воздушных винтов с электропитанием расположенных на передней кромке для увеличения подъемной силы почти в пять раз на малой скорости и позволит использовать меньшее и более эффективное крыло, оптимизированное для крейсерской скорости.
Испытательный стенд LEAPTech состоит из 18 пропеллеров на электрической тяге прикрепленных к передней кромки и монтируемой впоследствии на грузовик (рисунок выше). Первоначальные испытания показали, что распределение мощности среди 18 электродвигателей удвоила тяговые усилия на низких скоростях по сравнению с традиционными системами (максимальная скорость грузовика составляла примерно 73 км/ч). Крыло используемое для испытаний LEAPTech очень тонкое и не имеет много места для размещения электродвигателей, контроллеров, проводки и прочих устройств. Площадь испытательного крыла составило около половины первоначального P2006T.
Концепция E-Thrust включает в себя распределенную двигательную систему, состоящую из шести вентиляторов с электроприводом распределенных вдоль крыла. В центре будет один газо-турбинный двигатель, обеспечивающий гибридную систему питания силовых электродвигателей вентиляторов, а также для подзарядки аккумуляторов систем управления. Для достижения оптимального пропульсивного коэффициента значение степень двухконтурности должно быть выше 12. Проводя текущую оценку, эксперты утверждают, что значение более 20 вполне достижимо, а это приведет к ощутимому снижению расхода топлива и вредных выбросов в атмосферу. Также стоит отметить, что применение небольших вентиляторов с электрической тягой снижает шум системы по сравнению с крупными агрегатами.
Три основные части архитектуры DEAP выглядят так:
- Надежность повторного включения вентилятора;
- Структурирование лопаток статора для подачи напряжения питания и криогенной охлаждающей жидкости;
- Правильность монтажа и центровки электрических машин;
Поглощение переднего слоя и ускорение его вентиляторами может привести к снижению потерь в импульсе, формирующем след, снизить лобовое сопротивление и повысить эффективность. В DEAP системах лучше распределение веса, что позволяет увеличить гибкость конструкции воздушных судов и уменьшить вертикальное оперение.
Лопатки статора к тому же имеют приспособленную внутреннюю маршрутизацию сверхпроводящих кабелей к ступице установленной сверхпроводящей электрической машины. Сверхпроводимость – квантово-механическое явление, при котором материал может обладать нулевым сопротивлением. Это явление возникает в некоторых материалах при охлаждении ниже критической температуры. Сверхпроводимость позволяет сделать некоторые элементы электрической системы меньше и легче, что очень важно в авиатранспорте. Для получения эффекта сверхпроводимости используют криогенные жидкости, такие как жидкий водород, жидкий гелий.
Rolls-Royce и Airbus Group Innovations совместно с Magnifye Ltd. и Cambridge University разрабатывают сверхпроводящий программируемый электродвигатель переменного тока — Programmable Alternating-Current Superconducting Machine (PSAM). PSAM представляет собой сверхпроводящий статор, создающий переменное вращающееся магнитное поле — частота которого связана непосредственно с частотой питающей сети. Электромагнитный момент будет создаваться путем регулирования магнитного поля статора. Сверхпроводящие магниты, используемые для генерации магнитного поля, выровнены в виде шайб и могут быть запрограммированы для создания различных магнитных сил. Данная электрическая машина, в конце концов, сможет заменить стандартные медные и железные статорные структуры.
Какие технологии требуется улучшить?
Литий-ионные батареи являются наилучшим выбором для гибридных систем. Тем не менее, все же для таких систем нужны батареи большей емкости для хранения и отдачи большей мощности. В течении следующих двух десятилетий плотность энергии превысит 1000 Вт*ч/кг (согласно Airbus), а это требует удвоение емкости самых эффективных на сегодняшний день аккумуляторных батарей. Предстоящий прорыв в батареях – литий-воздушные батареи. Они будут иметь высокую плотность энергии за счет кислорода, легкого катода и большого количества свободного ресурса. Тем не менее, в продаже таких батарей пока не существует.
Разработка НАСА Sceptor, которая является частью концепции E-Thrust Airbus, охватывает дорожную карту авиации в течении следующих 5 – 25 лет. ICAO надеется сократить выбросы вредных газов в атмосферу к 2040 году. К тому времени они надеются сократить выбросы по сравнению с 2000 – углекислого газа (СО2) на 75%, оксида азота на 90%, снизить уровень шума на 65%.
И для тех кто владеет английским: