1. Швидко, але недовго
2. Турбіна, залишся!
3. Зліт на батарейці
4. Дуємо на крило
5. Виручить рідкий азот
6. розумні небеса

У вас на дачі пила яка - бензинова або електрична? - питає мене Сергій Борисович Гальперін, директор проектного комплексу «Цивільні літаки» НДЦ «Інститут імені М. Є. Жуковського». «Була бензинова, - відповідаю, - але так замучився з примхливим двотактним ДВС, що в цьому році купив електричну». «Ось! - іронічно зауважує мій співрозмовник. - І авіацію треба переводити на електрику! »

Сучасний газотурбінний (турбовентиляторний) двигун, який приводить в рух лайнери, - це, звичайно, не двухтактная тарахтелка для садових інструментів, а високоефективна і дуже надійна машина. Однак, на думку авіабудівників, вона близька до вичерпання резервів для подальшого вдосконалення. Так що там двигуни - все будуються нині авіалайнери настільки схожі один на одного, що лише знавець авіації відразу відрізнить Boeing або Airbus від Bombardier або МС-21. І хоча немає ні найменшого сумніву в тому, що лайнери сучасного типу з двома ВМД під крилами будуть ще десятиліттями катати нас по небу, великі надії на нову компоновку і нову аеродинаміку літаків пов'язують з електричним рухом.

Швидко, але недовго

Ще недавно під терміном «електросамолет» розумівся «більш електричний літак» - літальний апарат з фіксованим крилом, в якому механічна і гідравлічна трансмісія по максимуму замінювалося електричної. Ніяких більше трубок і тросів - всю механічну роботу, як, наприклад, приведення в рух керма і механізацію крила, виконують невеликі електродвигуни-актуатори, до яких підводиться електричний струм і канал для керуючого сигналу. Тепер термін наповнився новим змістом: істинний електросамолет повинен і сам рухатися на електричній тязі.

Блок з 14 літій-іонних батарей дає можливість перебувати Extra 330LE (маса близько 1 т) в повітрі протягом приблизно 20 хвилин.

Зрозуміло, перспективи електроавіаціі залежать не тільки (і навіть не стільки) від авіаконструкторів, скільки від прогресу в області електротехніки. Адже літаки, що називається, «на батарейках», існують. Допоміжні електромотори на планери ставили ще кілька десятиліть тому. А літак Extra 330LE, що вперше піднявся в повітря в 2016 році, вже сам тягає за собою планери і ставить рекорди швидкості. Ось тільки його блок з 14 потужних літій-іонних батарей і електродвигун від Siemens дозволяють цьому малюку брати на борт лише двох осіб, включаючи пілота, і перебувати в повітрі не довше 20 хвилин.

Extra 330LE Один з реально літаючих електричних літаків, що існують в світі. Вперше він відірвався від землі 4 липня 2016 року. Його єдиний 50-кілограмовий мотор від компанії Siemens має потужність 260 кВт. Siemens очікує, що до 2030 року реально поява регіональних літаків, що перевозять 100 пасажирів на відстань до 1000 км повністю на електричній тязі.

Звичайно, є проекти, в які закладені куди більш вражаючі показники. У вересні минулого року британська авіакомпанія-лоукостер EasyJet оголосила, що через десять років виведе на лінії повністю електричний регіональний лайнер (дальність 540 км, що для внутрішньоєвропейських рейсів вельми немало) місткістю 180 пасажирів. Партнером по проекту став американський стартап Wright Electric, який вже побудував поки двомісний літаючий демонстратор. Однак на сьогоднішній день енергетична щільність найкращих літій-іонних батарей більш ніж на порядок поступається вуглеводневому паливу. Передбачається, що до 2030 року батареї поліпшать свої показники максимум в два рази.

Турбіна, залишся!

Набагато виїгришней виглядає ситуація з паливними елементами, в яких хімічна енергія палива перетворюється в електричну безпосередньо, минаючи процес горіння. Найбільш перспективним паливом для такого джерела живлення вважається водень. Експерименти з паливними елементами в якості джерела живлення для електросамолета ведуться в різних країнах світу (в Росії над проектами зі створення таких літальних апаратів в першу чергу працює ЦИАМ, а паливні елементи для них створюються в ІПХФ РАН під керівництвом професора Юрія Добровольського). З літали і пілотованих концептів можна згадати європейський демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC - в ньому використовувалися одночасно як електробатареї, так і паливні елементи. Але і ця технологія потребує ще значного доопрацювання і додаткових дослідженнях.

Найбільш реальними на сьогодні видаються перспективи електросамолетов, побудованих по гібридної схемою. Це означає, що рушій літального апарату (гвинт або вінтовентілятор) буде приводитися в рух електромотором, а ось електрику він отримає від генератора, що обертається ... газотурбінним двигуном (або іншим ДВС). На перший погляд така схема здається дивною: від ВМД хочуть відмовитися на користь електродвигуна, але не збираються цього робити.

Гібридних проектів в світі теж уже чимало, проте нас в першу чергу цікавить Росія. Роботи по електросамолету, зокрема з гібридною схемою, велися в різних наукових інститутах авіаційного профілю - таких, як ЦАГІ або ЦИАМ. Сьогодні ці та деякі інші установи об'єднані (з 2014 року) під егідою Науково-дослідного центру «Інститут імені М. Є. Жуковського», покликаного стати єдиним потужним «мозковим трестом» галузі. Завдання комплексування в рамках центру всіх робіт по електроавіаціі покладено на Сергія Гальперіна, якого ми вже цитували на початку статті.

Ескіз одного з варіантів російського регіонального літака з гібридною силовою установкою (ВМД - електрогенератор - електромотор)

1. Допоміжна силова установка на паливних елементах

• Водневі паливні елементи
• Турбокомпресор для забезпечення висотності

2. турбовальних газотрубний двигун

• Для обертання генератора
• Допоміжне або основне енергоживлення

3. Електрогенератор

• На основі високотмпературной надпровідності при потужностях вище 500-800 кВт

4. Система передачі енергії

• На основі високотемпературної надпровідності або кабель з рідинним охолодженням

5. Акумуляторні батареї

• буфер енергії
• Допоміжне або основне енергозабезпечення

6. Електродвигун

• На основі високотемпературної надпровідності при потужностях вище 500-800 кВт

Зліт на батарейці

«Перехід на електродвигуни в авіації відкриває чимало цікавих перспектив, - каже Сергій Гальперін, - але розраховувати на створення комерційного електросамолета з пристойною для російських умов дальністю на чисто хімічні джерела енергії (батареях або паливних елементах) в найближчому майбутньому не доводиться: надто різниться енергетичний потенціал кілограма гасу і кілограма акумуляторів. Гібридна схема могла б стати розумним компромісом. Треба розуміти, що ВМД, безпосередньо створює тягу, і ВМД, який буде приводити в рух вал генератора, - це зовсім не одне і те ж.

Справа в тому, що у літака в ході польоту значно змінюються енергетичні потреби. На зльоті авіаційний двигун розвиває потужність, близьку до максимальної, а при русі на крейсерському ділянці (тобто більшу частину польоту) енергоспоживання літака знижується в 5-6 разів. Таким чином, традиційна силова установка повинна вміти працювати в широкому діапазоні режимів (не завжди оптимальних з точки зору економіки) і швидко переходити від одного до іншого. Нічого подібного не буде потрібно від ВМД в гібридній установці. Він буде подібний до газових турбін електростанцій, які працюють завжди в одному і тому ж, самому економічно вигідному режимі. Працюють роками, без зупинки ».

Ce-liner Концепт повністю електричного літака, розроблений німецьким дослідницьким інститутом Bauhaus Luftfahrt. Автори вважають, що прогрес в області електробатарей дозволить їх дітищу пролітати до 1300 км на одній зарядці вже до 2030 року, а до 2040-го - до 3000 км.

За допомогою генератора ВМД зможе виробляти енергію для безпосереднього живлення електродвигунів, а також для створення запасу в акумуляторах. Допомога акумуляторів знадобиться як раз на зльоті. Але оскільки робота електромоторів на злітній режимі триватиме лише кілька хвилин, запас енергії не повинен бути дуже великим і батареї на борту можуть бути цілком прийнятними за розміром і вагою. У ВМД при цьому ніякого злітної режиму не буде - його справа спокійно виробляти електрику. Таким чином, на відміну від авіадвигуна ВМД в гібридному електросамолете буде менш потужним, більш надійним і екологічним, простіше по конструкції, а значить, дешевше і, нарешті, буде мати більший ресурс.

Дуємо на крило

При цьому перехід на електродвигуни відкриває перспективи принципових нововведень в конструкції цивільних літаків майбутнього. Одна з найбільш обговорюваних тем - створення розподілених силових установок. Сьогодні класична схема компонування лайнера передбачає дві точки прикладання тяги, тобто два, рідко чотири, потужні двигуни, що висять на пілонах під крилом. У електросамолетах розглядається схема розміщення великої кількості електродвигунів уздовж крила, а також на його кінцях. Навіщо це потрібно?

Справа знову ж в різниці злітної і крейсерського режимів. На зльоті при малій швидкості потоку, що набігає літальному апарату для створення підйомної сили необхідно крило великої площі. На крейсерській швидкості широке крило заважає, створюючи надлишкову підйомну силу. Проблема вирішується за рахунок комплексної механізації - висувних закрилків і предкрилков. Літаки меншого розміру, що злітають з невеликих аеродромів і мають для цього великі крила, змушені йти на крейсерському ділянці з неоптимальним кутом атаки, що призводить до додаткової витрати палива.

Але, якщо на зльоті безліч електромоторів, з'єднаних з гвинтами, будуть додатково обдувати крило, його не доведеться робити занадто широким. Літак злетить з коротким розгоном, а на крейсерському ділянці вузьке крило не створить проблем. Машину будуть тягнути вперед гвинти, що обертаються маршовими електродвигунами, а пропелери уздовж крила на цьому етапі будуть складені або прибрані до посадки.

Як приклад можна привести проект NASA - X-57 Maxwell. Концепт-демонстратор оснащений 14 електромоторами, розміщеними вздовж крила і на закінцівках консолей. Всі вони працюють тільки під час зльоту і посадки. На крейсерському ділянці задіяні тільки двигуни на кінцях крила. Таке розміщення моторів дозволяє знизити негативний вплив вихорів, що виникають в цих місцях. З іншого боку, силова установка виходить складною, а значить, її дорожче обслуговувати і ймовірність відмов теж вище. Загалом, вченим і конструкторам є над чим подумати.

X-57 Maxwell Розроблюваний NASA прототип повністю електричного літака втілює в собі популярну ідею розподіленої електричної силової установки. На крилі розміщують 14 пропелерів - з них 12 працюють тільки на злеті і посадці, додатково обдуваючи крило і збільшуючи таким чином підйомну силу.

Виручить рідкий азот

«Електричний літак надає безліч можливостей для оптимізації, - говорить Сергій Гальперін. - Можна експериментувати, наприклад, з комбінуванням тягне і штовхає гвинтів. Електродвигуни набагато виїгришней в порівнянні з ВМД в конвертопланів, так як безпечний поворот електромотора в горизонтальне положення не становить такої складної інженерної проблеми, як у випадку з традиційними двигунами. У електросамолете можна забезпечити повну інтеграцію всіх систем, створити нову систему управління. Навіть гібридні машини будуть виробляти менше шуму і шкідливих викидів ».

Як і акумулятори, електромотори в міру збільшення потужності нарощують масу, об'єм і тепловиділення. Потрібні нові технології, які зробили б їх більш потужними і легкими. Для вітчизняних розробників гібридних силових установок справжнім проривом стала співпраця з російською компанією «СуперОкс» - одним з п'яти найбільших в світі постачальників матеріалів з властивостями високотемпературної надпровідності (ВТНП). Зараз «СуперОкс» розробляє електродвигуни зі статором з надпровідних матеріалів (охолоджуваних рідким азотом). Ці мотори з хорошими для авіації характеристиками стануть основою гібридної силової установки для регіонального літака, який, можливо, підніметься в небо в середині майбутнього десятиліття. У цьому році на авіасалоні «МАКС» фахівцями ЦИАМ був представлений демонстратор такої установки потужністю 10 кВт. Запланований літак буде оснащений гібридною силовою установкою з двома двигунами потужністю 500 кВт кожен.

«Перш ніж говорити про гібридному електросамолете, - розповідає Гальперін, - необхідно випробувати нашу установку на землі, а потім в лабораторії, що літає. Ми сподіваємося, що це буде Як-40. У ніс машини замість радара ми зможемо поставити 500-кіловатний ВТНП-електродвигун. У хвіст замість центрального двигуна встановимо турбогенератор. Двох, що залишилися двигунів «Яка» буде цілком достатньо, щоб випробувати наше дітище в великому діапазоні висот (до 8000 м) і швидкостей (до 500 км / ч). І навіть якщо гібридна установка відмовить, літак спокійно зможе завершити політ і приземлитися ». Лабораторія-демонстратор за планом буде обладнана в 2019 році. Цикл випробувань попередньо призначений на 2020 рік.

розумні небеса

Електрична і гібридна тяга займає значне місце в планах найбільших світових авіавиробників. Ось так виглядають основні риси пасажирської авіації середини нинішнього століття згідно з програмою Smarter Skies компанії AIRBUS.

«Зелений» політ

Літаки майбутнього сконструюють таким чином, щоб максимально зменшити вуглеводневий слід в атмосфері. Поширення отримають газотурбінні двигуни на водні, гібридні схеми і повністю електричні літаки на батареях. Передбачається, що батареї будуть заряджатися від екологічно чистих джерел електрики. Можлива поява в районі аеродромів великих вітропарків або сонячних електростанцій.

Свобода в небі

Інтелектуальні лайнери будуть самостійно прокладати маршрути виходячи з параметрів екологічності і паливної ефективності на основі аналізу даних про погоду і стан атмосфери. Також вони зможуть збиратися в формації на кшталт пташиних зграй, що дозволить знизити лобове опір для окремих входять до формацію ЛА і зменшити енерговитрати на політ.

Швидше від землі

Нові силові установки та аеродинаміка лайнерів дозволять їм злітати за максимально можливою крутій траєкторії, щоб зменшити шум в районі аеропортів і як можна швидше досягти крейсерського ешелону, де літак демонструє оптимальні економічні характеристики.

Посадка без двигуна

Літаки майбутнього зможуть заходити на посадку в режимі планування. Це заощадить паливо, зменшить рівень шуму в районі аеропортів. Також знизиться посадкова швидкість. Це дозволить скоротити довжину злітно-посадкових смуг.

ніякого вихлопу

Аеропорти майбутнього повністю відмовляться від ДВС, що спалюють паливо. Для рулювання лайнери будуть оснащені електричними мотор-колесами. Як альтернатива - швидкісні безпілотні електротягачі, які зможуть швидко доставляти літаки від перону до ЗПС і навпаки.

Стаття «Вгору на електриці» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2018 ).