Электрический самолет — концепция и технологии
Будем ли мы когда-нибудь летать без причинения экологического ущерба? Несколько фирм и регуляторов надеются, что электрическая революция в автомобилях также распространится и на небо, помогая отрасли справиться с ожидаемым бумом в полетах и сократить выбросы парниковых газов.
«Некоторые люди говорят, что нам нужно избавиться от воздушного транспорта, потому что мы никогда не сможем справиться с выбросами и шумом, но это устаревший подход», — сказал министр транспорта Норвегии Кетил Солвик-Олсен, который недавно организовал авиационную конференцию в Осло.
Норвегия, крупнейший производитель нефти и газа в Западной Европе, парадоксально является пионером в области электротранспорта. Северная нация стремится к тому, чтобы все новые зарегистрированные автомобили были с нулевой эмиссией к 2025 году и запустила первый электрический паром в начале 2015 года.
После земли и воды северное королевство теперь обращается к небу с целью электрификации всех коротких полетов за 20 лет.
«На мой взгляд, нет никаких сомнений: к 2040 году Норвегия будет работать полностью электрически», — сказал Даг Фальк-Петерсен, глава общественного оператора страны Авинор.
Тесла для неба?
Воздействие воздушного транспорта на глобальное потепление оценивается примерно в пять процентов за счет выбросов CO2 и других веществ, включая оксид азота и водяной пар.
Поскольку ожидается, что число авиапассажиров почти удвоится к 2036 году до 7,8 млрд. в год, согласно прогнозам Международной ассоциации воздушного транспорта (IATA), воздействие авиации будет существенно увеличиваться, если ничего не будет сделано.
Между тем, авиационная промышленность стремится сократить свои выбросы CO2 вдвое к 2050 году с уровня 2005 года. В то время как международная группа Climate Action Network (CAN) заявляет, что эти цели нереалистичны, некоторые авиакомпании начинают рассматривать электромобили в качестве возможного ответа.
Небольшая региональная авиакомпания Wideroe Airlines, действующая на севере Норвегии, планирует к 2030 году обновить свой парк двухмоторных самолетов Bombardier Dash 8 электрическими самолетами.«Производители самолетов видят, что им нужно это делать, потому что в противном случае появится новая Тесла, и займет их позиции», — сказал Фальк-Петерсен, имея в виду, как производитель электромобилей ворвался в США в традиционную автомобильную промышленность.
Оба основных производителя больших пассажирских самолетов, Airbus и Boeing изучают жизнеспособность электрических самолетов.
Airbus стремится разработать гибридную модель под названием E-Fan X и объединилась с британским производителем двигателей Rolls Royce и немецкой промышленной группой Siemens. Первый полет запланирован на 2020 год.
«Одна из самых больших проблем — это хранение электроэнергии», — сказал генеральный директор по электрификации Airbus Гленн Ллевеллин.
Как и в случае с автомобилями, производительность батарей является критическим элементом, с дополнительной проблемой, что они тяжелее топлива, и перенос их в воздух является наиболее энергоемкой частью полета.
«Но в то же время технология батарей, вероятно, является одной из самых популярных в мире, которая получает наибольшие инвестиции, поэтому она будет развиваться», — добавил Ллевеллин.
Гибридный электрический региональный самолет, финансируемый Боингом стартап.В любом месте в мире
Zunum Aero, стартап, частично финансируемый американской группой Boeing, планирует поставить на рынок 12-местный гибридный самолет к 2022 году.
«Цена, на которую мы нацеливаемся, в значительной степени соответствует обычному самолету, но стоимость эксплуатации составляет всего лишь часть, она буквально на 60-70 процентов ниже, чем эквивалентный самолет в эксплуатации прямо сейчас», — сказал основатель стартапа Мэтт Кнапп.
Ожидаемые более низкие эксплуатационные расходы на электрические самолеты, как из-за дешевой электроэнергии, так и из-за более простых двигателей, означают, что высококонкурентная авиационная промышленность может быстро их внедрить.
Airbus предложил несколько лет назад обновленные самолеты с 15-процентной экономией топлива, а поскольку реактивное топливо является основной статьей затрат для авиакомпаний, они быстро разместили заказы на самолеты, поскольку пытались опередить конкурентов.
Переход к электричеству также может обеспечить еще одно преимущество: они намного тише, что означает, что они могут выиграть от ограничений, вызванных шумом полета вблизи жилых районов.
В сочетании с тем, что электрическим самолетам не нужны такие длинные взлетно-посадочные полосы, их можно использовать в небольших аэропортах недалеко от городских центров.
Авинор сказал, что переход на электромобиль также поможет авиакомпаниям избежать любых санкций, связанных с изменением климата, которые могут налагать регулирующие органы, например, более высокие налоги и ограничения на полеты.
Норвегия считает себя хорошим испытательным стендом для электрических самолетов. «Существует множество проблем, связанных с холодными условиями, с сильными ветрами», — говорит генеральный директор Widero Штейн Нильсен.
«Но если мы сможем сделать это здесь, в Норвегии, я уверен, что электрический самолет справится с любыми условиями в любом месте в мире».
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
ab-news.ru
Технологии XXI века — «более электрический самолёт»
Не подумайте, что речь в статье пойдёт о летательном аппарате на аккумуляторах или солнечных батареях с электродвигателем. Концепция создания более или полностью электрического самолёта предусматривает переход от простой интеграции систем и агрегатов к кросс-системной интеграции, предусматривающей большее взаимодействие при разработке платформы, включающей такие системы, как гидравлическая, топливная, комплексная система кондиционирования воздуха, система электроснабжения, ВСУ, маршевый двигатель и другие.
Основное преимущество архитектуры «электрического» самолёта – это более широкие возможности управления энергией, поскольку работа электрогенераторов регулируется в точном соответствии с потребностями систем, минимизируя потери. При этом по сравнению с традиционной схемой экономия топлива может достигать 4%, а снижение эксплуатационных расходов — 18%.
В России технологии «более электрического самолёта» разрабатывает холдинг «Технодинамика». Сегодня холдинг работает над электрификацией ключевых систем воздушных судов в тесной координации и при помощи Минпромторга России, ОАК, Ростех, ЦАГИ и других интегрированных структур. В числе последних разработок – электроприводы реверса для двигателя ПД-14, электрические приводы топливной системы, электроприводы уборки-выпуска шасси и система передвижения воздушного судна с электроприводом колеса. Также холдинг разрабатывает новейшие агрегаты для обеспечения энергией электрических систем самолёта: в частности, генератор – ГСР – 90/120. Мощность генератора составляет 120 кВА, с перегрузкой до 180 кВА, что существенно увеличивает энерговооруженность летательного аппарата.
Крупнейшими потребителями энергии от двигателя на борту являются пневматическая система (50%), гидравлическая система (30%) и система электроснабжения (20%). Пример «виртуальной» электрификации отечественного Ту-204СМ и его зарубежных аналогов аналогичной пассажировместимости показывает, что электрические системы показывают большую эффективность практически на всех этапах полёта самолёта.
Развитие концепции «более электрического самолёта» – это будущее авиации, и, чтобы не допустить отставания от мировых лидеров, российская авиационная наука уверенно двигается в этом направлении. В ходе авиасалона МАКС-2015 на стенде холдинга «Технодинамика» прошла презентация системы наземного передвижения воздушных судов с электроприводом колёс.
Сейчас в мире уже существуют четыре самолёта, оснащенные такой системой, а Airbus планирует выпустить первый серийный самолёт в конце 2016 года. «Технодинамика» находится в ряду передовых разработчиков в этом направлении и может показать даже более интересный результат, чем существующий на мировом рынке. Уже на следующем авиасалоне МАКС планируется показать самолёт с системой наземного передвижения ВС с электроприводом колеса.
Система наземного передвижения ВС с электроприводом колеса на данный момент является одной из первых, созданных в рамках этой концепции. Она включает в себя электропривод, интегрированный в шасси. Использование электропривода позволит двигаться по перрону без использования основных двигателей и перронных тягачей, в том числе и хвостом вперед, что позволяет повысить экономию топлива, экологичность и сократить время ожидания в аэропорту. Экономия при использовании системы наземного передвижения ВС с электроприводом колеса может составить до 3,5 доллара на пассажира за полёт, а экономия топлива – до 200 литров за процедуру взлёта. Кроме того, она полностью меняет существующие правила эксплуатации аэродромов, сокращает взлётную дистанцию и дистанцию пробега после посадки.
По материалам корпорации Ростех
Загрузка…aviation21.ru
Электрические самолёты будущего | Журнал Популярная Механика
«У вас на даче пила какая — бензиновая или электрическая? — спрашивает меня Сергей Борисович Гальперин, директор проектного комплекса «Гражданские самолеты» НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского». «Была бензиновая, — отвечаю, — но так замучился с капризным двухтактным ДВС, что в этом году купил электрическую». «Вот! — иронично замечает мой собеседник. — И авиацию надо переводить на электричество!»
Современный газотурбинный (турбовентиляторный) двигатель, который приводит в движение лайнеры, — это, конечно, не двухтактная тарахтелка для садовых инструментов, а высокоэффективная и очень надежная машина. Однако, по мнению авиастроителей, она близка к исчерпанию резервов для дальнейшего совершенствования. Да что там двигатели — все строящиеся ныне авиалайнеры настолько похожи друг на друга, что лишь знаток авиации сходу отличит Boeing или Airbus от Bombardier или МС-21. И хотя нет ни малейшего сомнения в том, что лайнеры современного типа с двумя ГТД под крыльями будут еще десятилетиями катать нас по небу, большие надежды на новую компоновку и новую аэродинамику самолетов связывают с электрическим движением.
Быстро, но недолго
Еще недавно под термином «электросамолет» понимался «более электрический самолет» — летательный аппарат с фиксированным крылом, в котором механическая и гидравлическая трансмиссия по максимуму заменялась электрической. Никаких больше трубок и тросов — всю механическую работу, как, например, приведение в движение рулей и механизацию крыла, выполняют небольшие электродвигатели-актуаторы, к которым подводится электропитание и канал для управляющего сигнала. Теперь термин наполнился новым смыслом: истинный электросамолет должен и сам двигаться на электрической тяге.
Блок из 14 литий-ионных батарей дает возможность находиться Extra 330LE (масса около 1 т) в воздухе в течение примерно 20 минут.
Разумеется, перспективы электроавиации зависят не только (и даже не столько) от авиаконструкторов, сколько от прогресса в области электротехники. Ведь самолеты, что называется, «на батарейках», существуют. Вспомогательные электромоторы на планеры ставили еще несколько десятилетий назад. А самолет Extra 330LE, впервые поднявшийся в воздух в 2016 году, уже сам таскает за собой планеры и ставит рекорды скорости. Вот только его блок из 14 мощных литий-ионных батарей и электродвигатель от Siemens позволяют этому крохе брать на борт лишь двух человек, включая пилота, и находиться в воздухе не дольше 20 минут.
Extra 330LE Один из реально летающих электрических самолетов, существующих в мире. Впервые он оторвался от земли 4 июля 2016 года. Его единственный 50-килограммовый мотор от компании Siemens имеет мощность 260 кВт. Siemens ожидает, что к 2030 году реально появление региональных самолетов, перевозящих 100 пассажиров на расстояние до 1000 км полностью на электрической тяге.
Конечно, есть проекты, в которые заложены куда более впечатляющие показатели. В сентябре прошлого года британская авиакомпания-лоукостер EasyJet объявила, что через десять лет выведет на линии полностью электрический региональный лайнер (дальность 540 км, что для внутриевропейских рейсов весьма немало) вместимостью 180 пассажиров. Партнером по проекту стал американский стартап Wright Electric, который уже построил пока двухместный летающий демонстратор. Однако на сегодняшний день энергетическая плотность самых лучших литий-ионных батарей более чем на порядок уступает углеводородному топливу. Предполагается, что к 2030 году батареи улучшат свои показатели максимум в два раза.
Турбина, останься!
Намного выигрышней выглядит ситуация с топливными элементами, в которых химическая энергия топлива превращается в электрическую непосредственно, минуя процесс горения. Наиболее перспективным топливом для такого источника питания считается водород. Эксперименты с топливными элементами в качестве источника питания для электросамолета ведутся в разных странах мира (в России над проектами по созданию таких летательных аппаратов в первую очередь работает ЦИАМ, а топливные элементы для них создаются в ИПХФ РАН под руководством профессора Юрия Добровольского). Из летавших и пилотируемых концептов можно вспомнить европейский демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC — в нем использовались одновременно как электробатареи, так и топливные элементы. Но и эта технология нуждается еще в значительной доработке и дополнительных исследованиях.
Наиболее реальными на сегодня кажутся перспективы электросамолетов, построенных по гибридной схеме. Это означает, что движитель летательного аппарата (винт или винтовентилятор) будет приводиться в движение электромотором, а вот электричество он получит от генератора, вращаемого… газотурбинным двигателем (или другим ДВС). На первый взгляд такая схема кажется странной: от ГТД хотят отказаться в пользу электродвигателя, но не собираются этого делать.
Гибридных проектов в мире тоже уже немало, однако нас в первую очередь интересует Россия. Работы по электросамолету, в частности с гибридной схемой, велись в разных научных институтах авиационного профиля — таких, как ЦАГИ или ЦИАМ. Сегодня эти и некоторые другие учреждения объединены (с 2014 года) под эгидой Научно-исследовательского центра «Институт имени Н. Е. Жуковского», призванного стать единым мощным «мозговым трестом» отрасли. Задача комплексирования в рамках центра всех работ по электроавиации возложена на Сергея Гальперина, которого мы уже цитировали в начале статьи.
Эскиз одного из вариантов российского регионального самолета с гибридной силовой установкой (ГТД — электрогенератор — электромотор)
| 1. Вспомогательная силовая установка на топливных элементах |
|
| 2. Турбовальный газотрубный двигатель |
|
| 3. Электрогенератор |
|
| 4. Система передачи энергии |
|
| 5. Аккумуляторные батареи |
|
| 6. Электродвигатель |
|
Взлет на батарейке
«Переход на электродвигатели в авиации открывает немало интересных перспектив, — говорит Сергей Гальперин, — но рассчитывать на создание коммерческого электросамолета с приличной для российских условий дальностью на чисто химических источниках энергии (батареях или топливных элементах) в ближайшем будущем не приходится: слишком разнится энергетический потенциал килограмма керосина и килограмма аккумуляторов. Гибридная схема могла бы стать разумным компромиссом. Надо понимать, что ГТД, непосредственно создающий тягу, и ГТД, который будет приводить в движение вал генератора, — это совсем не одно и то же.
Дело в том, что у самолета в ходе полета значительно изменяются энергетические потребности. На взлете авиационный двигатель развивает мощность, близкую к максимальной, а при движении на крейсерском участке (то есть большую часть полета) энергопотребление самолета снижается в 5−6 раз. Таким образом, традиционная силовая установка должна уметь работать в широком диапазоне режимов (не всегда оптимальных с точки зрения экономики) и быстро переходить от одного к другому. Ничего подобного не потребуется от ГТД в гибридной установке. Он будет подобен газовым турбинам электростанций, которые работают всегда в одном и том же, самом экономически выгодном режиме. Работают годами, без остановки».
Ce-liner Концепт полностью электрического самолета, разработанный немецким исследовательским институтом Bauhaus Luftfahrt. Авторы полагают, что прогресс в области электробатарей позволит их детищу пролетать до 1300 км на одной зарядке уже к 2030 году, а к 2040-му — до 3000 км.
С помощью генератора ГТД сможет вырабатывать энергию для непосредственного питания электродвигателей, а также для создания запаса в аккумуляторах. Помощь аккумуляторов понадобится как раз на взлете. Но поскольку работа электромоторов на взлетном режиме продлится всего несколько минут, запас энергии не должен быть очень большим и батареи на борту могут быть вполне приемлемыми по размеру и весу. У ГТД при этом никакого взлетного режима не будет — его дело спокойно вырабатывать электричество. Таким образом, в отличие от авиадвигателя ГТД в гибридном электросамолете будет менее мощным, более надежным и экологичным, проще по конструкции, а значит, дешевле и, наконец, будет обладать большим ресурсом.
Дуем на крыло
При этом переход на электродвигатели открывает перспективы принципиальных новшеств в конструкции гражданских самолетов будущего. Одна из наиболее обсуждаемых тем — создание распределенных силовых установок. Сегодня классическая схема компоновки лайнера предполагает две точки приложения тяги, то есть два, редко четыре, мощных двигателя, висящих на пилонах под крылом. В электросамолетах рассматривается схема размещения большого числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Зачем это нужно?
Дело опять же в разнице взлетного и крейсерского режимов. На взлете при малой скорости набегающего потока летательному аппарату для создания подъемной силы необходимо крыло большой площади. На крейсерской скорости широкое крыло мешает, создавая избыточную подъемную силу. Проблема решается за счет сложной механизации — выдвижных закрылков и предкрылков. Самолеты меньшего размера, взлетающие с небольших аэродромов и имеющие для этого большие крылья, вынуждены идти на крейсерском участке с неоптимальным углом атаки, что приводит к дополнительному расходу топлива.
Но, если на взлете множество электромоторов, соединенных с винтами, будут дополнительно обдувать крыло, его не придется делать слишком широким. Самолет взлетит с коротким разбегом, а на крейсерском участке узкое крыло не создаст проблем. Машину будут тянуть вперед винты, вращаемые маршевыми электродвигателями, а пропеллеры вдоль крыла на этом этапе будут сложены или убраны до посадки.
В качестве примера можно привести проект NASA — X-57 Maxwell. Концепт-демонстратор оснащен 14 электромоторами, размещенными вдоль крыла и на законцовках консолей. Все они работают только во время взлета и посадки. На крейсерском участке задействованы только двигатели на концах крыла. Такое размещение моторов позволяет снизить негативное влияние вихрей, возникающих в этих местах. С другой стороны, силовая установка получается сложной, а значит, ее дороже обслуживать и вероятность отказов тоже выше. В общем, ученым и конструкторам есть над чем подумать.
X-57 Maxwell Разрабатываемый NASA прототип полностью электрического самолета воплощает в себе популярную идею распределенной электрической силовой установки. На крыле размещают 14 пропеллеров — из них 12 работают только на взлете и посадке, дополнительно обдувая крыло и увеличивая таким образом подъемную силу.
Выручит жидкий азот
«Электрический самолет предоставляет множество возможностей для оптимизации, — говорит Сергей Гальперин. — Можно экспериментировать, например, с комбинированием тянущего и толкающего винтов. Электродвигатели гораздо выигрышней по сравнению с ГТД в конвертопланах, так как безопасный поворот электромотора в горизонтальное положение не представляет такой сложной инженерной проблемы, как в случае с традиционными двигателями. В электросамолете можно обеспечить полную интеграцию всех систем, создать новую систему управления. Даже гибридные машины будут производить меньше шума и вредных выбросов».
Как и аккумуляторы, электромоторы по мере увеличения мощности наращивают массу, объем и тепловыделение. Требуются новые технологии, которые сделали бы их более мощными и легкими. Для отечественных разработчиков гибридных силовых установок настоящим прорывом стало сотрудничество с российской компанией «СуперОкс» — одним из пяти крупнейших в мире поставщиков материалов со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Сейчас «СуперОкс» разрабатывает электродвигатели со статором из сверхпроводящих материалов (охлаждаемых жидким азотом). Эти моторы с хорошими для авиации характеристиками станут основой гибридной силовой установки для регионального самолета, который, возможно, поднимется в небо в середине будущего десятилетия. В этом году на авиасалоне «МАКС» специалистами ЦИАМ был представлен демонстратор такой установки мощностью 10 кВт. Планируемый самолет будет оснащен гибридной силовой установкой с двумя двигателями мощностью 500 кВт каждый.
«Прежде чем говорить о гибридном электросамолете, — рассказывает Гальперин, — необходимо испытать нашу установку на земле, а затем в летающей лаборатории. Мы надеемся, что это будет Як-40. В нос машины вместо радара мы сможем поставить 500-киловаттный ВТСП-электродвигатель. В хвост вместо центрального двигателя установим турбогенератор. Двух оставшихся двигателей «Яка» будет вполне достаточно, чтобы испытать наше детище в большом диапазоне высот (до 8000 м) и скоростей (до 500 км/ч). И даже если гибридная установка откажет, самолет спокойно сможет завершить полет и приземлиться». Лаборатория-демонстратор по плану будет оборудована в 2019 году. Цикл испытаний предварительно назначен на 2020 год.
Умные небеса
Электрическая и гибридная тяга занимает значительное место в планах крупнейших мировых авиапроизводителей. Вот так выглядят основные черты пассажирской авиации середины нынешнего века согласно программе Smarter Skies компании AIRBUS.
«Зеленый» полет
Самолеты будущего сконструируют таким образом, чтобы максимально уменьшить углеводородный след в атмосфере. Распространение получат газотурбинные двигатели на водороде, гибридные схемы и полностью электрические самолеты на батареях. Предполагается, что батареи будут подзаряжаться от экологически чистых источников электричества. Возможно появление в районе аэродромов крупных ветропарков или солнечных электростанций.
Свобода в небе
Интеллектуальные лайнеры будут самостоятельно прокладывать маршруты исходя из параметров экологичности и топливной эффективности на основе анализа данных о погоде и состоянии атмосферы. Также они смогут собираться в формации наподобие птичьих стай, что позволит снизить лобовое сопротивление для отдельных входящих в формацию ЛА и уменьшить энергозатраты на полет.
Скорее от земли
Новые силовые установки и аэродинамика лайнеров позволят им взлетать по максимально возможной крутой траектории, чтобы уменьшить шум в районе аэропортов и как можно скорее достичь крейсерского эшелона, где самолет демонстрирует оптимальные экономические характеристики.
Посадка без двигателя
Самолеты будущего смогут заходить на посадку в планирующем режиме. Это сэкономит топливо, уменьшит уровень шума в районе аэропортов. Также снизится посадочная скорость. Это позволит сократить длину взлетно-посадочных полос.
Никакого выхлопа
Аэропорты будущего полностью откажутся от ДВС, сжигающих топливо. Для руления лайнеры будут оснащены электрическими мотор-колесами. Как альтернатива — скоростные беспилотные электротягачи, которые смогут быстро доставлять самолеты от перрона к ВПП и наоборот.
Статья «Вверх на электричестве» опубликована в журнале «Популярная механика» (№1, Январь 2018).www.popmech.ru
Более электрический самолёт | Кот Шрёдингера
Словосочетание, вынесенное в заголовок, наверняка смутит поклонников изящного стиля. И понятно почему: более или менее бывают качественные прилагательные (храбрый, добрый, скромный), но никак не относительные (стеклянный, оловянный, электрический). Ничего, однако, не поделаешь, именно так — более электрический самолёт — называют специалисты одну из главных тенденций в авиастроении. Ради этой задачи русский язык может пойти на компромисс. Основная идея — увеличить долю электричества в энергопотреблении самолёта. Сейчас около трети энергии двигателя тратится не на полёт, а на всевозможные вспомогательные функции: забор и фильтрацию воздуха, руление по взлётной полосе и т. д. Однако большую часть этих действий можно производить за счёт электричества. Так будет удобнее и экономичнее.
Полёт как чудо
Когда размышляешь о самолёте будущего, то образы возникают примерно такие: нечто похожее на летающую тарелку перемещается с гиперзвуковой скоростью, перевозя по тысяче человек вместе с автомобилями и домашними животными… Пока, понятное дело, это фантастика.
В ближайшие 5–15 лет самолёт вряд ли радикально изменится. Но его можно сделать ещё более комфортным. Мы хотим есть в полёте только что приготовленный ужин, подзаряжать ноутбук и планшет и вообще чувствовать себя как дома, а то и лучше.
При этом во всём мире ужесточают экологические требования: необходимо уменьшать шум и выбросы. Международное сообщество поставило задачу к 2050 году сократить выбросы СО2 на 75 %. Ну а компаниям-перевозчикам, естественно, хочется уменьшить расходы на полёт и обслуживание. Тогда билеты станут дешевле, а прибыль больше.
О будущем самолётов мне рассказывает директор Научно-технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации» Владимир Каргопольцев — «главный учёный ОАК», как его неофициально называют.
Владимир Каргопольцев. Выпускник МАИ. С 1969 года работал в Центральном аэрогидродинамическом институте им. профессора Н. Е. Жуковского. В 2006-м был избран директором института. С 2007 года — директор Научно-технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации».
Немного смущаюсь — этот человек причастен к тайнам самолётостроения, а я лишь любопытный пассажир. Честно признаюсь:
— Я, наверное, летал больше сотни раз. Но каждый полёт для меня по-прежнему чудо. Почему многотонная махина поднимается в воздух, я ещё могу понять. Но то, что она летит со скоростью пистолетной пули на высоте побольше Эвереста, а я почти ничего этого не чувствую… Магия — да и только!
— Вы в чём-то правы. Это похоже на чудо. В самолёте сотни тысяч элементов, образующих единую систему. Вероятность того, что один из них выйдет из строя, очень мала, но, складываясь по цепочке, становится большой. А надо не только поднять самолёт в воздух и заставить лететь, есть задачи посложнее — сделать полёты дешёвыми, тихими и экологичными. И что самое сложное, решать эти задачи нужно одновременно, хотя они противоречат друг другу. И здесь важную роль может сыграть использование электрической энергии.
«Это нож в спину двигателя…»
Рассматриваю схему самолёта в разрезе. Я сразу предупредил сотрудников ОАК, что пацифист и не интересуюсь военной авиацией. Поэтому мне показывают пассажирский Sukhoi Superjet 100 — один из первых самолётов, созданных в России после долгого перерыва.
Sukhoi Superjet. Российский ближнемагистральный пассажирский самолёт. Первый полёт совершил 19 мая 2008 года. На ноябрь 2017-го было построено 150 самолётов.
Вокруг картинки разбросаны аббревиатуры: СКВ, БРЭО, ПОС… Эти загадочные слова обозначают как раз то, что делает наш полёт комфортным и безопасным. Например, СКВ — это вовсе не свободно конвертируемая валюта, а система кондиционирования воздуха, БРЭО — бортовое радиоэлектронное оборудование, а ПОС — противообледенительная система.
Суммарная мощность этих устройств может доходить до 1,8 мегаватта, что эквивалентно затратам городского квартала или даже небольшого посёлка. Это без учёта расходов на сам полёт — речь только о вспомогательных системах.
Современный самолёт использует четыре вида энергии: пневматическую, гидравлическую, электрическую и механическую. Например, гидравлика обеспечивает работу шасси и дверей, механика — масляных и топливных насосов. Пневматика применяется для запуска двигателя и кондиционирования воздуха. В традиционном варианте на электрику приходится примерно одна восьмая всех затрат, а то и меньше.
— Это неправильно, ведь электричество — наиболее управляемый вид энергии, — говорит Каргопольцев и переходит на профессиональный язык: — Решение этой многомерной оптимизационной задачи основано на технологиях мехатронных систем, основу которых образует точное цифровое управление функциональными процессами всех систем самолёта. Управление полной энергией самолёта наиболее эффективно реализуется при переходе к одному типу энергии — электрическому. Сейчас это направление в развитии авиации рассматривается в качестве одного из главных.
Попробуем объяснить проще. Самый очевидный пример — шасси. Обычно самолёт рулит по аэродрому, используя основной двигатель в режиме малой тяги. Получается не очень эффективно. Много шума, грязи, большой расход горючего, низкая манёвренность. Инженеры ОАК предлагают не трогать двигатель, а превратить самолёт в подобие электромобиля.
— Мы разработали электрический привод для Superjet, — рассказывает Каргопольцев. — Сначала думали на носовое шасси установить, но на него приходится только 7–8 % массы — начинается пробуксовка. И мы вставили привод в основное шасси. Благодаря этому самолёт теперь разворачивается на месте, ездит задним ходом. Когда использовался двигатель, это было нереально. А сейчас он может хоть вальс танцевать! Я не шучу — вам показать?
На экране смартфона загружается видео. Действительно, манёвры самолёта на аэродроме напоминают танец.
— Шасси с электрическом приводом более проходимо. А значит, снижаются требования к взлётной полосе. К тому же это безопаснее. 75 % повреждений самолёт получает во время руления по земле: например, в работающий двигатель может залететь камешек, — продолжает Каргопольцев. — Наконец, экология. Самолёт сильнее всего загрязняет воздух не когда он в небе, а при взлёте и посадке, на аэродромах и возле них. Уверен, что те, у кого нет электрического шасси, скоро начнут платить штрафы. Это как с шумом. Когда на Западе собирались вводить ограничения по шуму, это казалось смешным. А сейчас это норма, с которой сталкивается каждая авиакомпания.
ОАК подсчитала выгоды от перехода на электроприводное шасси. За год можно будет сэкономить до 200 тысяч литров горючего (на один самолёт). Количество вредных выбросов возле аэродромов снизится на 75 %; шум в районе руления уменьшится на 90 %; вероятность попадания посторонних предметов в двигатель до взлёта сократится до нуля; парк наземных тягачей — на 40 %. В перспективе появляется возможность уменьшить взлётно-посадочную дистанцию и снизить требования к базированию самолёта.
Другой пример — кондиционирование воздуха. Сидя в салоне у окошка, сложно поверить, что в каких-то двадцати сантиметрах верхняя граница атмосферы, минус пятьдесят градусов и разрежённый воздух, от которого началась бы горная болезнь даже у опытного альпиниста. Мы дышим спокойно.
— Это нож в спину двигателя! — сокрушается Каргопольцев.
Он имеет в виду, что воздух, которым мы дышим, отбирается у основной турбины, что снижает её эффективность. Конечно, берут его не из камеры сгорания, а на первых стадиях компрессии. Но он всё равно горячий — до 500 градусов. Воздух нужно охладить, очистить и увлажнить, стабилизировать давление. На это требуется энергия, которую тоже отнимают у двигателя.
— В идеале воздух следует забирать отдельно. Но для этого нужна электрика — для компрессора, фильтров и всего остального, — продолжает учёный.
Летим дальше. Для запуска основных турбин самолёта обычно применяется устройство под названием ВСУ — вспомогательная силовая установка. Это газотурбинный двигатель, расположенный, как правило, в хвосте. Иногда его используют и как источник энергии для вспомогательных систем. Но большую часть времени эта увесистая штука простаивает и летит просто как багаж. ВСУ реально заменить электричеством, как в автомобилях.
Электрификация может коснуться и самого двигателя. В нём много чего работает на механике, пневматике и гидравлике — системы смазки, подачи топлива и т. д. Если их сделать электрическими, то масса двигателя уменьшится на 10–15 %, а стоимость обслуживания — в два-три раза.
Впрочем, учёные думают не только о выгодах, но и об угрозах. Не даст ли электроника сбой, когда вокруг столько электромагнитных полей? Не спровоцирует ли более электрический самолёт образование молний? Надо всё просчитывать и моделировать.
Отдельные вопросы — потеря энергии при передаче по проводам и пожарная безопасность. Здесь на помощь может прийти ещё одна технология — сверхпроводимость. Речь идёт о способности некоторых сплавов при очень низких температурах проводить ток с нулевым сопротивлением. Грубо говоря, провода погружают в жидкий азот, и электричество течёт по ним без потерь. Достоинство сверхпроводимости ещё и в том, что, случись вдруг короткое замыкание, цепь сразу разорвётся и пожара не будет.
Тяжёлое электричество
Использование электричества для перемещения по воздуху имеет давнюю историю. Сложно сказать, кто был первым. Наверное, отсчёт стоит вести с изобретателя Гастона Тиссандье, который в 1883 году совершил полёт на дирижабле La France, используя электрический двигатель.
Получается, электромоторы стали применять для полётов даже не в прошлом, а в позапрошлом веке, однако сейчас электрический привод шасси воспринимается как инновация. Что же пошло не так?
Для ответа на этот вопрос достаньте из кармана смартфон и взвесьте его в руке. Чуть ли не половину массы гаджета составляет аккумуляторная батарея. Сколько ни вкладывают в свои разработки гиганты хайтека, средства хранения энергии остаются всё такими же тяжёлыми. Кстати, на первом электрическом дирижабле была установлена батарея весом больше 400 килограмм — вместо неё можно было взять пятерых пассажиров.
В самолётах проще было использовать углеводороды: керосин и бензин. Только в 1973 году, то есть через девяносто лет после опыта с дирижаблем, состоялся полёт моторного планера Militky MB‑E1 на электродвигателе. Он продержался в воздухе чуть больше десяти минут, а разместиться внутри могли лишь пилот и один пассажир. Выглядело не очень серьёзно, учитывая, что обычные лайнеры летали через океан с тремя сотнями человек на борту.
Конечно, с тех пор технологии продвинулись вперёд. Например, стали активно использоваться солнечные батареи. С их помощью самолёты уже могут перемещаться на сотни километров. Пару лет назад Solar Impulse 2 даже совершил кругосветное путешествие — правда, с 12 промежуточными посадками.
Но всё это маленькие машины, для которых полёт — это эксперимент, вызов, приключение. А мы-то хотим просто пройти регистрацию в аэропорту, сесть в кресло, задремать и проснуться, допустим, в Сочи. Или в Берлине. Никакой площади крыла не хватит, чтобы собрать столько солнечной энергии: в случае пассажирского лайнера это несколько тысяч квадратных метров.
Юрий Добровольский. Доктор химических наук, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией в Институте проблем химической физики РАН. Сфера научных интересов — новые материалы, электрохимические источники энергии. Разработанный при его участии мультикоптер продержался в воздухе 3 часа 10 минут, установив мировой рекорд по продолжительности полёта среди таких устройств.
Увы, о полностью электрических самолётах, рассчитанных на массовые перевозки, речи пока не идёт. Зато вовсю обсуждается увеличение доли электричества в энергетическом обеспечении самолёта. Напомним, кроме собственно движения в воздухе самолёту нужно ещё очень много энергии — почти два мегаватта. Но получать дополнительные ватты можно, например, преобразуя энергию посадки самолёта в электричество. Однако на этом проблемы не заканчиваются.
— То, что электрическая энергия самая удобная и эффективная, вроде бы никто не оспаривает. Возникает вопрос, в чём её хранить, — начинает объяснять химик Юрий Добровольский.
Самый очевидный ответ — аккумуляторы. Да, на самолётах их тоже используют, но в очень ограниченных масштабах. Как уже говорилось, они слишком тяжёлые. Один килограмм запасает от 20 до 100 ватт энергии, а значит, для потребностей более электрического самолёта нужна аккумуляторная установка как минимум в несколько тонн.
Вторую проблему тоже легко понять, вспомнив о мобильнике. Если несколько веков назад каждый приличный человек должен был перед сном помолиться, то сейчас большинство совершает другой ритуал — ставит на зарядку гаджеты. Аккумуляторы не умеют быстро накапливать и отдавать энергию. Представьте, что самолёты будут часами стоять и заряжаться — авиаперевозчики тут же обанкротятся. Надо искать дополнительный способ хранения электричества.
Протоны, электроны и другие спутники пассажира
Когда лет через десять вы будете взмывать в небо, предвкушая свидание с тёплым морем или интересную встречу на конференции, не забудьте помянуть добрым словом две технологии: суперконденсаторы и топливные химические элементы. Именно их предлагают использовать для запасания энергии в более электрическом самолёте как дополнение к традиционным аккумуляторам.
Суперконденсатор (его ещё называют ионистором) представляет собой нечто среднее между традиционным конденсатором и химическим источником тока. Главная особенность — использование пористых материалов вроде активированного угля или вспененных металлов. Среди плюсов долговечность, а главное, большие токи зарядки и разрядки. В самолёте такое устройство можно использовать, например, для запуска маршевого двигателя — когда нужно много энергии, но на очень короткий срок. Есть у него и минусы: дорогой и довольно быстро теряет заряд.
Поэтому для остальных задач больше подойдёт вторая технология. Юрий Добровольский — один из немногих российских учёных, которые разрабатывают топливные химические элементы для самолётов:
— Они относительно небольшие и лёгкие, ведь вся энергия у них в водороде. Это важно для авиации. На один килограмм массы можно запасти не меньше 500 ватт.
Работа такого топливного элемента напоминает горение: на входе кислород и водород, на выходе энергия, только не тепловая, а электрическая.
Устроена эта штука так. С одной стороны катод (отрицательный полюс), с другой — анод (положительный). Оба электрода обычно представляют собой угольную пластину, на которую нанесён катализатор — платина или платиновый сплав.
Если вкратце, то на аноде молекулы водорода распадаются на ионы — отрицательные электроны отделяются от положительных протонов. Дальше в дело вступает специальная мембрана, которая пропускает протоны и задерживает электроны. Когда водородные протоны добираются до катода, они соединяются с другими электронами и молекулами кислорода. Итог реакции — обычная вода, электричество и немножко тепла. КПД устройства доходит до 70–80 %.
Сама идея не нова. Ещё в 1839 году английский учёный Уильям Гроув обнаружил, что водород и кислород можно превращать в воду без горения, получая при этом ток и тепло.
Но одно дело лабораторный эксперимент, другое — промышленное использование. Долгое время топливные элементы были очень капризными: плохо реагировали на тряску, перепады температуры и прочие вызовы окружающей среды. Технологию надо было доводить до ума, чем занимались и занимаются учёные во многих лабораториях мира.
Юрий Добровольский с коллегами достиг в этом деле немалых успехов.
— Наши топливные элементы могут работать даже при минус сорока. А западные аналоги рассчитаны только на плюсовые температуры.
Естественно, такие системы имеют и недостатки. Например, они достаточно дорогие.
— Это, наверное, из-за платины, которая используется как катализатор? — уточняю я.
— Не совсем. Стоимость платины всего 5 %. Самое затратное здесь мембраны, их очень сложно сделать. Правда, у нас это получается дешевле, чем у многих. Собственно, технология изготовления мембран и есть наше главное ноу-хау. К тому же эти затраты в любом случае окупятся, ведь топливные элементы живут очень долго. Мы проверяли: 50 тысяч часов непрерывной работы они выдерживают. Это столько, сколько живёт сам самолёт.
Следующий вопрос: где взять водород для заправки? С этой проблемой столкнулись, когда начали внедрять автомобили на водороде. Может, они и чище, и эффективнее, но бензин можно залить в бак на каждом углу, а заправку альтернативного типа ещё найти надо.
Добровольский уверен, что с самолётами таких трудностей не будет.
— Водород может обеспечить практически любой город с населением больше ста тысяч. Его же и так производят, например, для изготовления пластмасс, мыла, маргарина, удобрений.
Исследования Юрия Добровольского и его коллег — это уже не теория, не лабораторные опыты, а вполне применимая технология. Учёные активно сотрудничают с ОАК и другими производственными компаниями.
— Я думаю, электрики в самолёте с каждым годом будет всё больше. Когда-нибудь дело дойдёт и до маршевого двигателя — мы откажемся от тепловой машины в пользу электричества.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №11-12 (37-38) за ноябрь-декабрь 2017 г.
Подписаться на «Кота Шрёдингера»
kot.sh
Полностью электрический самолет E-Fan в 2020 году Россия построит своего конкурента
Высшую награду журнала Popular Science получил полностью электрический самолет E-Fan
Журнала Popular Science отметил премией Best of What’s New в аэрокосмической категории в 2014 году, не вырабатывающий углекислого газа, ПЭС — выпущенный компанией Airbus Group полностью электрический самолет. Это журнал – крупнейшее в мире издание о науке и технике, выбрало самолет E-Fan, предназначенный для тренировочных полетов, из тысячи аналогичных конструкций.
Фото самолета E-Fan
Награда у самолета не единственная: в августе он получил на американском автосалоне Oshkosh AirVenture приз и награду PADA. Призы этой организацией вручаются ежегодно инженерам и конструкторам лучших самолетов в мире.
Особености электрического самолета E-Fan
Этот самолет, несмотря на недолгую историю, уже совершил более шестидесяти тестовых полетов, в том числе демонстрационный, проходивший перед тысячной аудиторией авиасалона Фарнборо-2014. Чем же так замечательна новинка? Самолет ни в воздухе, ни на земле не производит выбросов углекислого газа, поскольку работа его осуществляется при помощи электродвигателя, что во много раз снижает еще и уровень шума.
Созданием полностью электрического инновационного самолета занимаются и специалисты NASA. Небольших пропеллеров у него будет восемнадцать, а разместить их планируют на крыльях экстремального самолета, размах которых достигнет 9,5 метров. Работа пропеллеров производиться будет за счет использования литий – железо – фосфатных аккумуляторов.
На разных скоростях функционировать каждый из них может самостоятельно, что поможет оптимизировать расход электроэнергии.
Во время полета возможно отключение некоторого количества двигателей, как и при взлете, нет необходимости запуска сразу восемнадцати моторов.
Скорость электрического самолета E-Fan
Основным отличием новой технологии, небольших пропеллеров, работающих от электричества, является то, что самолету конструкторы смогут «прикрепить» очень тонкие по ширине крылья. Для испытаний NASA планируют крылья установить на грузовик, который разогнаться самолет до 112 километров в час. Самолет будет иметь крейсерскую скорость 320 км/час. Пройдут испытания в Калифорнии, на авиабазе Военно-воздушных сил США «Эквадор». На предыдущих тестах, скорость установленных на крыльях двигателей, достигла 64 километров в час.
Если испытания пройдут успешно, то самолет сможет вывести на новый качественный уровень авиацию общего назначения в ближайшем будущем, а авиацию транспортную – в удаленной перспективе.
В кабине E-Fan
Технические характеристики E-Fan
Провел испытания ПЭС так же концерн Airbus. Его Airbus E-Fan очень похож на традиционный самолет. Рассчитан он на двух человек, а весит ЛА весит всего пятьсот килограмм, при размахе крыльев 9,5 метров и длине 6,67 м. Пока, работающий от электробатарей самолет, воздухе может находиться всего час, но в будущем время это, безусловно, будет большим, а стоимость полета составляет всего девятнадцать долларов.
Два двигателя в сумме обеспечивают мощность 60 кВт. Максимальная скорость, с которой двигается самолет – 200 км/ч, крейсерская – 160, а скорость отрыва – 100 км/ч. Понятно и то, что экономичный самолет еще и работает намного тише, обеспечивая более комфортный полет.
Кто занимается разработкой Электрического самолета в России
Работают в этом направлении и ученые российские. Многие компании заняты в настоящее время разработкой концепции силовой установки для самолета, оборудование которого будет полностью электрифицированным. Сегодня перевод самолетов на электричество является основным направлением развития мировой авиации.
Концепция, в случае ее успешной реализации, позволит уйти от пневмосистемы, отбирающей воздух от двигателя, а также минимизировать централизованную гидросистему ЛА.
По текущим проблемам, связанным с разработкой, проведен был научно-технический совет в «Авиадвигателе». Имеющаяся программа по созданию самолета нового поколения, рассчитана на восемь лет (2014-2022 г.г.). Для реализации проекта ПЭС привлечь планируется до сотни предприятий авиационной промышленности, электротехнической и радиоэлектронной и ряд АИРАН. Но уже сегодня известно, кому выпала почетная роль модернизировать для концепции ПЭС двигатель – Пермское КБ.
На каком этапе находится разарботка самолета в России
В настоящее время завершен цикл научно-исследовательских работ, целью которых было создание для ПЭС электроэнергетического комплекса. Параметры системы и тип подбирались к самолету, вместимость которого от ста тридцати человек до двухсот тридцати. Для инновационного воздушного лайнера этот комплекс будет ключевым. Генеральный директор концерна, занимающегося этими вопросами, надеется, что в будущем его концерн будет главным поставщиком для перспективных самолетов авионики.
Разработчиками учтены новейшие достижения в области силовой и микроэлектроники, нанотехнологий и материаловедении. Реализация разработки, как ожидается, позволит снизить вес бортового оборудования, по меньшей мере, на три с половиной тонны, а экономичность увеличить на 15-20%. Кроме этого, значительно уменьшится стоимость эксплуатации ЛА, увеличится надежность, а также ресурс конструкции, улучшатся экологически е показатели и летно-технические характеристики.
Первый такой самолет, возможно, появится уже в 2020 году.
motocarrello.ru
«Электрический самолет» — ОРУЖИЕ РОССИИ Информационное агентство
www.arms-expo.ru
В России создается полностью электрический самолет
31 марта в ОАО «Авиадвигатель» состоялся научно-технический совет, посвященный созданию силовой установки для будущего полностью электрического самолета. Концепции самолета с единой централизованной системой электроснабжения, которая обеспечивала бы все его энергетические потребности — сегодня одно из стратегических направлений развития мировой авиации. Первый российский полностью электрический самолет может быть создан к началу следующего десятилетия.
Достигнуть радикальных улучшений воздушных судов можно, повысив их надежность и ресурс, снизив стоимость разработки и эксплуатации, улучшив летно-технические и экологические характеристики. Все это достижимо в полностью электрическом самолете, лишенном гидравлических и пневматических энергосистем, и позволяющем построить авиационный двигатель без коробки приводов. Это в свою очередь приведет сразу к нескольким выигрышам: снижению взлетной массы, экономии топлива, снижению расходов на эксплуатацию летательного аппарата.
Участники вчерашнего научно-технического совета обсудили создание силовой установки для полностью электрического самолета и технологии ее электрификации, в том числе перспективные разработки в области системы автоматического управления и электромеханических приводов. Экспериментальную силовую установку было решено строить на базе двигателя ПС-90А. А для проведения летных испытаний нового оборудования предполагается создать летающую лабораторию на базе самолета Ту-214 (№ 64501) с дальнейшим его развитием до модернизированного Ту-214Э.
Всего к реализации программы ПЭС планируется привлечь более 100 предприятий авиационной, радиоэлектронной и электротехнической промышленностей, а также ряд ведущих академических институтов. Так, Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) принимает активное участие в проекте разработки электрического шасси, которое обеспечивало бы руление самолета без включения двигателя и использования специальных тягачей. Предполагается, что экспериментальный образец такого шасси будет продемонстрирован уже на МАКС-2015.
По сообщениям ОАО «Авиадвигатель» и ЦАГИ
www.popmech.ru