Международному авиационно-космическому салону крупно повезло, что дата его проведения не выпала на прошлый год, который запомнился жесточайшими антиковидными ограничениями и всеобщей самоизоляцией. И надо отметить, грядущий МАКС готовится продемонстрировать реальные новинки и продвинутые решения, которые случаются далеко не на каждом форуме.
Электродвигатель для авиации
В авиацию понемногу пробиваются маршевые электродвигатели. Или движители? Во всяком случае в Жуковском на МАКС‑2021 с 20 по 25 июля можно будет прикоснуться к будущему, и, скорее всего, недалёкому. Летающая лаборатория Як-40 с демонстратором гибридной силовой установки, в состав которой входит сверхпроводящий электрический авиадвигатель, вероятно, станет не только участником статичной экспозиции, но и будет участвовать в лётной программе. Прилетит уж точно своим ходом.
Как сообщает устроитель МАКС-2021 АО «Авиасалон», проект реализуется Национальным исследовательским центром «Институт имени Н.Е. Жуковского» в рамках комплексной научно-технической платформы «Электрический летательный аппарат». Новейшие технологические решения совместно создают все ведущие научно-исследовательские центры авиационной промышленности – ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ АС, СибНИА.
Демонстратор гибридной силовой установки разрабатывается Центральным институтом авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) в широкой кооперации отечественных предприятий в рамках госконтракта с Минпромторгом России. Инновационный электрический авиадвигатель на высокотемпературных сверхпроводниках мощностью 500 кВт (680 л.с.) создан компанией «СуперОкс» в рамках контракта с Фондом перспективных исследований. Уникальность двигателя в том, что он использует эффект высокотемпературной сверхпроводимости, что позволяет достичь рекордно высокого КПД.
Летающая лаборатория создана СибНИА им. С.А. Чаплыгина на базе регионального самолёта Як-40. Для испытаний электродвигатель с воздушным винтом установлен в носовую часть самолёта. На МАКС-2019 основные элементы будущей конструкции были представлены в виде макетов и моделей, в то время как на МАКС-2021 мы увидим летающую лабораторию со всеми установленными агрегатами. За неполные два года учёные отработали на наземных стендах ключевые узлы: электродвигатель, систему охлаждения, систему управления, генератор, затем смонтировали их на самолёте и провели наземную отработку совместной работы. Как ожидается, лётный этап испытаний начнётся уже в нынешнем году, а результатом работы, которая завершится в 2022 г., должны стать подтверждение правильности конструктивных подходов к созданию гибридных силовых установок и оценка эффективности применяемых технических решений.
Как это реализовать на практике
В идеале – как на электромобилях, электросамокатах и другой самодвижущейся электротехнике. Зарядили аккумуляторы и полетели. И вот первая проблема – аккумуляторы должны быть лёгкими и обладать огромной ёмкостью. Иначе летательный аппарат будет способен поднимать в воздух только самого себя с минимальной полезной нагрузкой. Как всем известные квадрокоптеры. Или лёгкий пилотажный самолёт Extra 330LE, один из немногих реально летающих полностью электрических самолётов. Впервые он оторвался от земли 4 июля 2016 года. В апреле 2017‑го на нём установили два мировых рекорда скорости для самолётов с питанием от аккумуляторов. Один из рекордов – 337 с половиной км/ч на дистанции 3 км и при весе самолёта до 1 тонны. Его единственный 50‑килограммовый мотор от компании «Сименс» (Siemens) очень лёгкий и достаточно мощный, 260 кВт, который берёт энергию от увесистого блока из 14 литий-ионных батарей. То есть лёгкость мотора убивается тяжестью аккумуляторов. И у самолёта есть ещё существенный недостаток – время полёта ограничено 20 минутами. Но на «Сименсе» не унывают и прогнозируют, что к 2030 г. реально появление региональных самолётов, перевозящих до 100 пассажиров на расстояние 1000 км полностью на электрической тяге.
Есть и другой, на первый взгляд очень даже революционный опыт молодой израильской фирмы Eviation Aircraft с электрическим самолётом Alicе. Эта компания участвовала в программах NASA и вынесла оттуда ряд технологий, пригодных для создания электросамолёта. Конструкция максимально облегчена, на 95% состоит из композиционных материалов, максимальный взлётный вес – 6 тыс. 350 кг. Но на аккумуляторы приходится, по разным источникам, от 3, 2 до 3, 8 тонны... Двигатели те же, от «Сименс», целых три. Они установлены соответственно на законцовках крыла и в хвосте – с толкающими винтами. Два члена экипажа и 9 пассажиров, по расчётам создателей, смогут улететь на расстояние до 1000 километров со скоростью около 450 км/ ч – достойный результат для региональных маршрутов тесной Европы. Спроектирован и бизнес-вариант самолёта с чуть большей скоростью и на треть увеличенной дальностью. Естественно, за счёт полезной нагрузки. На самолёт уже подвели инновационные батареи, то ли литий-ионные, то ли ещё более продвинутые и энергоёмкие – алюминий-воздушные ёмкостью 920 киловатт-час, точно сказать сложно, фирма свято хранит свои секреты и технологии. Факт остаётся фактом, в январе 2020 г. на аэродроме в американском штате Аризона – именно там планировали организовать серийное производство самолёта Alicе – аккумуляторный отсек сначала неожиданно разогрелся, затем возник пожар, батарея взорвалась. Как вы понимаете, прототипу был нанесён непоправимый ущерб с учётом того, что батарея – это свыше половины взлётной массы самолёта. Именно так порой горят продвинутые смартфоны и электросамокаты.
Поэтому доверять гигантским «батарейкам» как-то страшновато. Но создатели самолёта не сдаются и обещали поднять уже в этом году экземпляр для испытаний и сертификации – заказчики есть, выгода от электродвижения очевидная – экономия на топливе, до 80% затрат. Дальше начинают говорить о «зелёной», то бишь экологически чистой авиации, но тут надо быть реалистом – электроэнергия из ниоткуда не появляется, значит, потребуется наращивать традиционную генерацию на АЭС, тепловых электростанциях (уголь, газ), ГЭС. Солнечная и ветроэнергетика тоже для экологии не панацея – создание солнечных батарей и оборудования для ветряков также бьёт по природе. А уж производство и утилизация несметного количества аккумуляторов – вообще отдельная песня. Гибридная силовая установка, которой занимаются наши двигателестроительные научные силы, сегодня более практичное решение.
Лучше оседлать гибрид
В целом летающая лаборатория Як-40 с электродвигателем на эффекте высокотемпературной сверхпроводимости – решение разумное. Двигатель с тянущим винтом установлен в носу самолёта, его ротор охлаждается жидким азотом. А вертолётный турбовальный ТВ2-117 в связке с высокоэффективным генератором мощностью 400 кВт из хвостовой части самолёта призван обеспечить энергией электродвигатель. Две газотурбинные силовые установки гарантируют возможность взлететь и приземлиться при отказе экспериментального двигателя – на то и самолёт-лаборатория.
Чем интересна гибридная схема? Вроде бы для питания электродвигателя требуется источник энергии – тот же газотурбинный (или иной, допустим, поршневой) двигатель с приводом на генератор электроэнергии. Но есть один, но крайне принципиальный нюанс – все современные самолёты с традиционными силовыми установками имеют избыточную мощность. В пять-шесть раз превышающую необходимую для полёта на эшелоне, на крейсерской скорости. Но газотурбинный двигатель и на высоте любит «кушать» дорогой керосин. А на самом деле мощность нужна для взлёта, набора высоты крейсерского полёта и в меньшей степени маневрирования и изменения эшелона. А чем интересны электродвигатели? Их мощность и тягу легко изменять, оптимальные в полёте 2500 оборотов винта они держат легко. На взлёте и наборе высоты прибавил мощность, на эшелоне убавил. И газотурбинный двигатель значительно меньшей мощности в роли источника генерации электроэнергии, чем установленные на крыле или в хвосте самолёта, с этим прекрасно справится. А чтобы обеспечить запас мощности для взлёта, набора высоты и манёвров, нужны концентраторы энергии, те же батареи, способные на достаточно короткое время выдать накопленные киловатты. Но не весом в половину и больше максимально допустимой взлётной массы самолёта. Что и сделано на отечественном демонстраторе.
По некоторым данным, следующим экспериментальным самолётом с электродвигателями предстоит стать региональному Ил-114. Вполне логичный шаг, самолёт в отличие от Як‑40 изначально турбовинтовой. А там, глядишь, и до серийных электроверсий недалеко. Сразу вспоминается и двигатель большой мощности НК-93 с закапотированным винтовентилятором. Может быть, конструкторы создадут электродвигатель, способный выдать необходимую мощность и для этого монстра, винтовентилятора, созданного на подмосковной «Аэросиле», диаметром под три метра? И редуктор, сложнейший агрегат, как в НК-93, не надо будет городить. Тут возникает перспектива создания тяжёлых военно-транспортных самолётов и пассажирских лайнеров огромной дальности. С расходом топлива в разы меньшими, чем сегодня. Само собой, боевая авиация, особенно сверхзвуковая, летает на других режимах. Но есть самолёты, выполняющие патрулирование, стратегические ракетоносцы – им дальность, способность к многочасовому дежурству в небе никак не помешают.
Электродвижение – шанс для новичков
Масштабный кризис в мировой авиационной отрасли, спровоцированный пандемией коронавирусной инфекции, спутал все карты. Компании, которые ранее лидировали по объёму поставок авиатехники и получали колоссальную прибыль, теперь фиксируют рекордные убытки. На этом фоне шансы новичков возрастают. Главное – сделать ставки на новейшие технологии и подготовить кадры нового поколения. Одним из ключевых разделов МАКС-2021 станет Future Hub, где будет представлен взгляд в будущее, сообщают организаторы. И только электродвигателями взгляд в будущее не ограничится.