Сразу стоит отметить – в авиационном двигателестроении у России успехов пока немного. Пермский двигатель ПД-14 для надежды нашего авиапрома МС-21-300 пока не стал серийным вариантом, впереди долгая сертификация, первые заказчики получат лайнеры с американскими «Пратт-Уитни». У военных дела идут получше, «ОДК-Кузнецов» в Самаре восстановил производство и модернизировал движки для стратегического Ту-160М2. Вроде бы идёт дело к серийному выпуску «изделия 30» для истребителя 5-го поколения Су-57. Под вертолётные программы наладили производство под Санкт-Петербургом ВК-2500. На этом успехи заканчиваются. Всё остальное в разработке, от компактного ВК-650 для лёгких самолётов и вертолётов до сверхмощного ПД-35. Про двигатель, который Минпромторг определил для лёгкого турбовинтового военно-транспортного Ил-112В и пассажирского регионального лайнера Ил-114, говорить не хочется – тридцать лет мучений самолётчиков с отказами ТВ7-117СТ и его более ранних версий и августовская катастрофа самолёта с гибелью экипажа настраивают на минорный лад. Но у нас абсолютное большинство авиаконструкторов и авиакомпаний традиционно упираются в газотурбинные двигатели. А вот на Западе возникли десятки проектов пилотируемой и беспилотной техники с электрическими силовыми установками.
Электротяга до небес
Сначала несколько примеров. Один из крупнейших в мире производителей газотурбинных двигателей «Роллс-Ройс» (Rolls-Royce) из Великобритании создал самый быстрый на сегодняшний день электросамолёт «Дух инноваций» (Spirit of Innovation). В конце прошлого года самолёт достиг скорости 632 км/ч и сразу установил ряд мировых рекордов. Эта скорость вполне сопоставима со скоростью полёта турбовинтовых магистральных авиалайнеров. Энергетику самолёту обеспечивает аккумуляторная батарея из 6000 ячеек, которые выдают мощность 536 л.с. при напряжении 750 В через электрическую трансмиссию и могут достигать пиковой мощности 750 кВт (1000 л.с.) с радиатором охлаждения. Батарея питает три электромотора YASA 750R с приводом на один трёхлопастный пропеллер, вращающийся со скоростью 2400 об/мин. Конечно, это шоу-самолёт с небольшой дальностью полёта (290 км) и дорогущий демонстратор технологий. К слову, очень красивый, чем-то напоминает британские истребители «Спитфайр» времён Второй мировой и гоночные самолёты времён расцвета поршневой авиации из 30-х годов прошлого века. Он и на деле фактически гоночный, призван устанавливать рекорды.
А в 2019 г. на авиасалоне в Дубае был показан первый электросамолёт E-Racer для гонок и скоростного пилотажа на малых высотах. И тоже из Британии. Стоимость проекта – около 13 млн фунтов стерлингов. Его создатели в ближайшем будущем планируют организовать отдельную мировую спортивную лигу авиационных гонок на электрических самолётах. Источник питания – съёмная литий-ионная батарея весом в центнер. Тягу создают соосные воздушные винты (как у двигателя НК-12 стратегического турбовинтового ракетоносца Ту-95). Максимальная скорость этого самолётика – под 500 км/ч, заряда хватает на 10 минут гонки, взлёт и посадку.
«Элис? Кто такая Элис?»
«Да ну их всех, пойдёмте лучше к Элис!» – это из песни группы «Башаков BAND». На закуску совсем свежая информация – очень скоро, в ближайшие недели, должен состояться первый полёт настоящего коммерческого электросамолёта. Не прототипа беспилотного аэротакси вертикального взлёта и посадки с мизерной дальностью, а почти привычного самолёта. Почти – потому что электрический. Электросамолёт Alice разработан израильской компанией Aviation, он завершил испытания двигателей в аэропорту Арлингтона к северу от Сиэтла (США). В пассажирском варианте роскошный салон на девять мест плюс два пилота. Разработана шестиместная ВИП-версия, так называемая административная. Бизнесджетом его называть нельзя, «джет» – это относится к оснащению самолёта турбореактивным двигателем. Ждут и грузовую, с одним пилотом в кабине. Компания экспресс-доставки DHL уже заказала 12 электросамолётов. Налицо желание компании продемонстрировать заботу об экологии. Поставки заказчикам, как заявлено, начнутся через два года.
Собирались самолёт поднять в прошлом году, но помешали пандемия и погодные условия. До этого, в январе 2020 г., в аккумуляторном отсеке прототипа вспыхнул пожар, опытный образец сгорел дотла. Литий-ионные аккумуляторные батареи преподносят такие сюрпризы даже в смартфонах и электросамокатах, у автора статьи такая батарея взорвалась и загорелась в садовом опрыскивателе. Сейчас изрядно обновлённый (изменилось хвостовое оперение, было три двигателя стало два) самолёт уже совершает скоростные пробежки по взлётно-посадочной полосе, которые всегда предшествуют настоящему полёту.
А теперь немного о технических особенностях самолёта. В процессе работы над проектом «немного» упала заявленная дальность полёта, с 1367 до 815 км, скорость – почти на 40 км/ч, до 407 км/ч. Два часа полёта. Для местных воздушных линий в густонаселённой Европе и США, и этого достаточно, а над Сибирью и Дальним Востоком с такой дальностью летать страшновато. Два электродвигателя MagniХ-650 мощностью 850 л.с. (630 кВт) будут приводить в движение два винта, установленные в хвостовой части фюзеляжа. И всё же это настоящий прорыв. Электродвигатели требуют значительно меньшего внимания и обслуживания, чем газотурбинные. Они в десятки раз дешевле. Эксплуатационные расходы с учётом цен на электроэнергию ниже в 3–5 раз, чем для аналогичных по вместимости и стоимости самолётов с турбовинтовыми двигателями, работающими на авиационном керосине.
Энтузиасты электроавиации прогнозируют, что лет через десять появятся электросамолёты уже регионального класса на 20–40 пассажиров. Внимание многих государств к электрической авиации объясняется стремлением сократить выбросы СО2 в атмосферу при полётах, снизить шум самолётов, а также зависимость от углеводородного топлива. На авиаперелёты приходится 2, 5% выбросов СО2 в атмосферу, что вроде бы и немного, но рост авиаперевозок грозит умножить в разы эту цифру.
Недостатки, естественно, тоже имеются. Поэтому производители более крупных самолётов рассчитывают на прогресс в аккумуляторных технологиях, новых способах хранения электроэнергии. Их мечта, вероятно, гравицапа размером с яблоко из фильма «Кин-дза-дза», способная обеспечить энергией и перенести космический корабль из одной галактики в другую. Так вот, планер самолёта Alice состоит на 90% из композиционных материалов, то есть максимально облегчён. Аэродинамика явно на высшем уровне. Но вес аккумуляторной батареи небольшого самолёта – 3720 килограммов! А максимальный взлётный вес – 6350 килограммов. То есть почти 60% веса самолёта – увесистая «батарейка». Которую надо будет менять через 3000 часов налёта и выложить за новую четверть миллиона долларов.
Да и «заправка» небыстрая – полчаса на час полёта. Для сравнения: военно-транспортный Ил-76МД-90А с обычными газотурбинными двигателями принимает в баки до 85 тонн топлива, но имеет максимально разрешённую взлётную массу 210 тонн и везёт груз до 60 тонн. Перегоночная (без груза) дальность – почти 10 тыс. километров! А с грузом 40 тонн Ил‑76 способен совершить перелёт на 6500 км, что вполне достаточно для рейса из Мурманска в американский Сиэтл. Вывод просто напрашивается – трансконтинентальные коммерческие рейсы электросамолётов – дело будущего, до дальнемагистральных трасс они ещё не доросли.
Теперь про экологичность электротяги. Для производства батарей нужны энергия и редкоземельные элементы. Энергия вырабатывается на электростанциях, редкоземельные элементы добывают в карьерах, шахтах, очищают, обрабатывают и так далее – море отходов. Собственно зарядка аккумуляторной батареи самолёта – а откуда берётся энергия? Как правило, опять же на тепловых электростанциях. И самая большая проблема – непростая утилизация отработавших батарей. Так что сегодня что электросамолёты, что электромобили можно считать условно чистыми – сами они на климат и природу не влияют, а вот «грязную» энергию и не менее опасные отходы генерируют.
Электрополёты в России
На авиасалоне МАКС-2021 демонстрировали необычный самолёт – летающую лабораторию Як-40ЛЛ с гибридной силовой установкой. В носовой части самолёта установлен 500-киловаттный электродвигатель с применением в конструкции технологий высокотемпературной сверхпроводимости. Это мощность и снижение веса. И, само собой, воздушный винт. В хвостовой части лайнера установлены турбовальный газотурбинный вертолётный двигатель ТВ2-117, генератор, а блок литий-ионных батарей находится в центральной части фюзеляжа – здесь ничего необычного, всё, что нужно для работы электродвигателя.
Продвинутый электродвигатель создан компанией «СуперОкс» при финансовом участии Фонда перспективных исследований. В числе участников работы – ЦИАМ им. П.И. Баранова, ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», Уфимский государственный авиационный технический университет, Московский физико-технический институт, Московский авиационный институт. Заказчиком научно-исследовательской работы «Электролёт СУ-2020» выступил Минпромторг России. К созданию коммерческих самолётов с такими двигателями конструкторы и производственники подберутся, скорее всего, к концу десятилетия. Хорошо бы наши этой темой занимались и в других именитых компаниях.
Там же, на МАКСе, демонстрировали сверхлёгкий двухместный самолёт «Сигма‑4» с электродвигателем Сарапульского завода. Он передаёт на винт мощность 60 кВт (около 80 л.с.). Вес мотора – 22 кг, то есть для такой мощности лёгкий, он является бесконтактным двигателем постоянного тока с постоянными редкоземельными магнитами. Заряда двух литий-ионных батарей хватает на 40 минут полёта. До израильской Alice «Сигме-4», конечно, далеко.
Но в одном из ближайших номеров «Аргументов недели» попытаемся вселить оптимизм по теме электротяги и электроавиации – есть пророки в родном Отечестве! Правда, замечают их и пытаются заполучить результаты многолетних трудов всё больше европейские и заокеанские «партнёры».
Электродвижение как оно есть
Аккумуляторы и электродвигатели с пропеллерами использовали даже на дирижаблях в конце позапрошлого века. 8 октября 1883 г. французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье совершил первый полёт на дирижабле La France с использованием электрического двигателя Вернера фон Сименса, питавшегося от 435‑килограммовой аккумуляторной батареи. Это и есть чистая электротяга.
Сейчас часто используют гибридный вариант – на борту самолёта работает газотурбинный (или поршневой) двигатель, он крутит генератор, генератор отдаёт энергию в аккумулятор, а от того запитывается электродвигатель с высоким КПД. Большая мощность требуется на взлёте, при манёврах, в наборе высоты. Аккумулятор способен кратковременно выдать большую мощность, а дальше на экономичных крейсерских режимах подзарядиться, восполнить потери энергии. Экономия топлива у любого транспорта с гибридными двигателями существенная.
Самолёты на солнечных батареях есть, они устанавливали мировые рекорды высоты, совершали кругосветные полёты. Но это к авиации, которая переносит по всему миру миллионы пассажиров и тонны грузов, не имеет никакого отношения. Возможны применение в разведке или служба ретранслятором для связи или раздачи сигнала Интернет.