Концепт-проект тяжелого транспортного экранолета, в котором сочетаются достоинства самолета и экраноплана, привез на авиасалон Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ).
«Построенная по интегральной схеме машина, сможет базироваться на обычных аэродромах и перевозить грузы массой до 500 тонн со скоростью 500 км/ч на расстояние до 6 тысяч километров. Потолок в самолетном режиме составит 3 километра, тогда как режим экраноплана предусматривает полет на высоте от 3 до 12 метров, в качестве топлива планируется использовать сжиженный природный газ. Экипаж будет состоять всего из двух-трех человек», – пишет агентство со ссылкой на разработчиков.
Мы сделали несколько вариантов, выбрали наиболее перспективный. Начнем "продувать" модель в 2018 году, исследовать ее прочность и прочие характеристики,
рассказали в институте.По этой тематике у ЦАГИ заключен контракт с Минпромторгом, рассчитанный до 2019 года. К 2020 году специалисты должны разработать техническое задание на демонстратор с размахом крыла 23 метра и двигателями-имитаторами. На нем отработают системы управления и криогенную систему, необходимую для использования сжиженного природного газа. В случае успеха проект можно будет рекомендовать к реализации.
Работа над силовыми установками для электрического самолета идет сейчас Центральном институте авиационного моторостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ). На первом этапе рассматривается вариант гибридного двигателя, модель которого была показана на МАКС.
«Гибридная силовая установка предполагает, что винт вращает электромотор, который может питаться как от аккумулятора, так и от генератора, установленного на валу газотурбинного или поршневого двигателя» – пояснили в институте.
Сообщается, что «электромотор, генератор и провода этой гибридной установки работают с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, при создании электрооборудования применяется специальный материал, у которого при охлаждении жидким азотом (минус 196 градусов по Цельсию) отсутствует сопротивление».
Это позволяет добиться легкости и компактности, а также высокого КПД двигателя. При этом, отмечают специалисты, «жидкий азот совершенно безопасен и дешев в эксплуатации».
Конечная цель этой работы – летающая лаборатория с опытной гибридно-электрической силовой установкой мощностью 500 кВт. Сначала будут наземные испытания при разных температурах и давлении, а потом перейдем к созданию летающей лаборатории,
рассказал представитель ЦИАМ на авиасалоне.topwar.ru
Предполагаемый внешний вид самолета с двигателями с гибридной архитектурой.
NASA
Американская компания United Technologies и британская Rolls-Royce по заказу NASA занялись эскизным проектированием реактивных авиационных двигателей с гибридной архитектурой. Как пишет Aviation Week, в таких двухконтурных двигателях турбинная часть будет приводиться в движение выхлопными газами, в то время как вентилятор и компрессор низкого давления будут раскручиваться при помощи электромотора. По оценке разработчиков, такое решение позволит создать экономичную силовую установку.
Проектированием занимаются LibertyWorks, подразделение британской компании, и UTRC, исследовательский центр американской. По условиям соглашения с NASA, эскизное проектирование должно завершиться к октябрю 2016 года. По мере проектирования, разработчикам предстоит решить ряд технических и конструкторских задач, включая пересчет степени двухконтурности двигателей с учетом добавления в конструкцию электрической части, а также отвод тепла, расположение батарей и электромотора и развесовка элементов.
Разработчики полагают, что в существующем виде некоторые технологии не подходят для реализации гибридной архитектуры, поскольку выгода от ее использования на самолетах будет практически нулевой. В первую очередь из-за соотношения массы и емкости аккумуляторных батарей. По оценке UTRC, использование электропривода компрессора низкого давления и вентилятора на взлете и при наборе высоты, а также крейсерском полете позволит сэкономить около десяти процентов топлива. Расчет не учитывает горючее, потраченное на зарядку батарей.
Для нормальной работы двигателей с гибридной архитектурой на самолет придется установить системы охлаждения, проводку и аккумуляторные батареи общей массой 13,6 тонны, при массе самих батарей около 9,9 тонны. Это можно будет сделать либо уменьшив полезную нагрузку самолета, либо увеличив максимальную взлетную массу. По оценке UTRC, в любом случае это приведет к тому, что сэкономленное топливо все равно придется сжечь, чтобы самолет смог нести дополнительный груз в виде батарей.
Расчеты производились для текущей емкости батарей в 120-200 ватт-часов на килограмм массы. По данным разработчиков, об эффективности двигателей с гибридной архитектурой можно будет говорить в том случае, если емкость батарей достигнет по меньшей мере тысячи ватт-часов на килограмм массы. В таком случае масса аккумуляторных батарей составит всего 2,3 тонны, что позволит добиться пятипроцентной экономии топлива при взлете, наборе высоты и крейсерском полете. При этом батареи должны держать высокие токи разряда и температуру.
В свою очередь, по данным LibertyWorks, использование технологии плавающего цикла работы двигателей с гибридной архитектурой, при котором вклад электрической и топливной частей установки будет варьироваться в зависимости от условий полета, позволит добиться по меньше мере 15 процентной экономии топлива по сравнению с обычными турбовентиляторными реактивными двухконтурными двигателями. Такая экономия будет возможна при емкости батарей в 750 ватт-часов на килограмм.
В обычном турбовентиляторном двухконтурном двигателе истекающие из камеры сгорания газы раскручивают турбины высокого и низкого давления. В свою очередь турбины через редукторы приводят несколько вспомогательных агрегатов, включая генераторы, а также компрессоры низкого и высокого давления и вентилятор. Компрессоры сжимают воздух для подачи в камеру сгорания, в то время как вентилятор нагнетает воздух во внешний контур, по которому он минует компрессоры, камеру сгорания и турбины и поступает сразу в сопло.
В турбовентиляторных двигателях в зависимости от конструкции вклад вентилятора в формирование тяги составляет от 70 до 85 процентов. Именно благодаря переводу этой важной с точки зрения тяги части двигателя на электропривод конструкторы и рассчитывают добиться экономии топлива. От турбин не будет отбираться мощность на вентилятор и компрессор низкого давления, а значит потребуется сжигать меньше топлива для их раскрутки.
В начале февраля 2016 года немецкий проектный институт Bauhaus Luftfahrt объявил о намерении к 2022 году провести испытания «более электрического самолета» с гибридной тягой. В испытаниях примет участие уменьшенная беспилотная модель самолета, оснащенная двумя турбовентиляторными двигателями с ультравысокой степенью двухконтурности и одним электрическим вентиляторным двигателем. Реактивные двигатели будут частично формировать общую тягу силовых установок и обеспечивать электричеством вентиляторный движок.
Вклад электрического двигателя в формирование общей тяги всех силовых установок составит 23 процента. В сравнительном моделировании участвовал самолет проекта DISPURSAL пассажировместимостью 340 человек и с дальностью полета 8,9 тысячи километров. Его сравнивали с современным пассажирским самолетом Airbus A330-300. При моделировании самолеты совершали перелет на скорости 0,78 числа Маха (963 километра в час). Экономичность DISPURSAL по сравнению с A330-300 составила 38,3 процента.
Василий Сычёв
nplus1.ru
Компании Airbus и Siemens начинают совместную работу по созданию авиационных систем с гибридными электрическими двигателями. Руководства компании запланировали показать работоспособные гибридные системы уже к 2020 году. Электрификацией авиации будет заниматься специально созданная команда из более чем 200 специалистов.
«Полёты при помощи электрических и гибридных электрических систем – одна из самых сложных задач, стоящих перед современной авиацией, нацеленной на достижение задачи нулевых выбросов,- поделился в пресс-релизе директор Airbus Group Том Эндерс [Tom Enders]. – Мы уверены, что к 2030 году пассажирские самолёты вместимостью до 100 мест уже смогут летать при помощи гибридных двигателей, и мы будем стремиться к этому при помощи наших первоклассных партнёров, таких, как компания Siemens».
В обеих компаниях считают, что гибридные электрические системы помогут уменьшить как выбросы вредных веществ в атмосферу, так и уровень шума в салонах самолётов. К 2050 году Евросоюз планирует уменьшить выбросы CO2 на 75% по сравнению с 2000 годом. Компании будут разрабатывать двигатели различных классов, мощностями от 100 КВт до 10 МВт и более. Первый прототип подобной системы был представлен совместно с австрийской компанией Diamond Aircraft ещё в 2011 году.
В 2015 году компания Siemens представила авиационный электромотор с рекордными характеристиками — двигатель весом всего 50 кг развивает мощность в 260 КВт. Такие характеристики двигателя позволяют создавать воздушные суда со взлётной массой до двух тонн. При этом для работы воздушного винта не требуется трансмиссия, поскольку мотор выдаёт 2500 оборотов в минуту.
Двигатель представляет Фрэнк Энтон, глава исследовательского подразделения по авиационным разработкам eAircraft в компании Siemens
В свою очередь, Airbus Group в 2014 году представила двухместный электрический самолёт E-Fan, созданный при поддержке французского правительства. Довольно тихий электросамолёт из углеволокна весит около 500 кг, использует литий-ионные полимерные аккумуляторы и оснащён двумя моторами мощностью по 60 КВт. Час полёта стоит около £10, а батареи полностью заряжаются за 90 минут. В продажу он должен поступить в течение двух лет.
E-Fan от Airbus
Из конкурентных проектов можно отметить совместную работу НАСА и Boeing над гибридным электрическим самолётом SUGAR Volt («subsonic ultra-green aircraft research» – «исследование по созданию дозвукового весьма экологичного самолёта») – самолёта, работающего на комбинации запасённой в аккумуляторах электроэнергии и классического топлива. Проект впервые был предан огласке в 2012 году.
По плану обычное топливо будет использоваться в таких энергозатратных манёврах, как взлёт, а в полёте двигатели самолёта по большей части или почти полностью будут питаться от аккумуляторов. Точных сроков компании не назвали, и также планируют выдать готовый продукт примерно к 2030-2050 годам.
habr.com
Гибридные силовые установки с использованием электроэнергии позволят решить проблему недостаточной емкости аккумуляторных батарей. В ближайшей перспективе с их помощью можно будет экономить энергию и сокращать выбросы вредных веществ. Они позволят отказаться от традиционных схем и воспользоваться преимуществами электрификации. Вот несколько подобных проектов.
Флагманской программой Национального аэрокосмического агентства США (NASA), посвященной электродвигателям, является летный демонстратор X-57 Maxwell. Это модифицированный двухдвигательный поршневой самолет Tecnam P2006T с распределенной силовой установкой, использование которой должно в пять раз снизить расход энергии при полете в крейсерском режиме. В долгосрочной перспективе X-57 планируется эксплуатировать как летающую лабораторию, на которой будут испытывать разные концепции гибридных силовых установок.
Экономить энергию самолету позволяют три конструктивных особенности. Во-первых, это электрические двигатели мощностью 85 кВт, установленные вместо поршневых и используемые для полета в крейсерском режиме. Во-вторых, это винты для крейсерского режима полета. Ради усиления эффективности их установят на законцовках крыла в зоне возникновения завихрений. В-третьих, это винты, размещенные на передней кромке крыла. На небольшом крыле с низким уровнем аэродинамического сопротивления они позволят увеличить подъемную силу на низких скоростях.
NASA продемонстрирует эти особенности по очереди. Сначала X-57 полетит с электродвигателями. Их поставят вместо поршневых установок, оставив оригинальные мотогондолы и сохранив конструкцию крыла. Полет запланирован на начало 2018 г. Затем самолет полетит с небольшим крылом высокого удлинения. На его законцовки поставят моторы для крейсерского режима полета.
Вы прочитали 15% текста.Это материал из журнала "Авиатранспортное обозрение". Полный текст материала доступен только по платной подписке.
Полгода
(скидка 1782 р.)3564 р.1782 р.
Год
(скидка 4158 р.)7128 р.2970 р.
Приобретение бумажных и pdf-версий изданий ИД "А.Б.Е.Медиа", включая "Авиатранспортное обозрение" и Ежегодник АТО:
Я подписчик / Я активировал промокод.Если у вас есть неактивированный промокод, авторизуйтесь/зарегистрируйтесь на сайте и введите его в своем Личном кабинете на вкладке Подписка
www.ato.ru
Изобретение относится к авиационному машиностроению, а более точно касается гибридного турбореактивного авиационного двигателя.
Под «гибридностью» понимается схема, позволяющая совмещать в двигателе тягу двигателей разного типа.
Так, известен гибридный автомобиль, который использует для привода ведущих колес разнородную энергию (Автомобильные новости. Гибридные автомобили, 15 марта 2011: http://carnews.topinfomaster.com/post_1300194213.html). Для этого современными автопроизводителями используется схема, позволяющая совмещать тягу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Это позволяет избежать работы ДВС в режиме малых нагрузок, а также реализовывать рекуперацию кинетической энергии, что повышает топливную эффективность силовой установки. Этот тип двигателя в автомобильной индустрии (Toyota Prius, Lexus, BMW 5, 6 и 7 серий), а также в судоходстве (Mochi Craft Long Range 23M) сегодня является наиболее подходящим решением. Он основывается на сочетании традиционного дизеля и электромотора. Они не соединяются напрямую. Если они завязаны на единый передаточный вал, то могут работать отдельно друг от друга. Это значит, что в некоторых случаях можно идти только на электричестве. Преимущества - отсутствие загрязнения и шума. Недостатки - уменьшенные скорость и автономность.
Известен гибридный ракетный двигатель (ГРД) - химический ракетный двигатель, использующий компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях - жидком и твердом. В твердом состоянии может находиться как окислитель, так и горючее.
Известен гибридный ТРД/ПВРД фирмы Pratt&Whitney на самолете SR-71 blackbind (Сайт FreePapers.ru - 7 декабря 2010, http://freepapers.ru/85/istoriya-razvitiya-reaktivnogo-dvigatelya/3888.35649.list4.html), который работал как ТРД с форсажем до скорости M=2,4, а на более высоких скоростях воздух поступал в форсажную камеру, минуя компрессор, камеру сгорания и турбину, подача топлива в форсажную камеру увеличивалась и он работал как ПВРД. Такая схема позволяет расширить скоростной диапазон эффективности работ до M=3,2, но уступает ТРД и ПВРД по весовым характеристикам.
Известно использование топливных элементов во вспомогательных силовых установках самолета (Сайт - aviaport.ru. 29 марта 2007: http://www.aviaport.ru/digest/2007/03/29/118391.html).
Известен авиалайнер A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft), оснащенный двумя электродвигателями на переднем колесе, который продемонстрировал, что мощности электротяги достаточно, чтобы проехать от начальной позиции до взлетно-посадочной полосы, не включая реактивные двигатели. Электродвигатели получали питание от бортовых топливных элементов самолета (Сайт - ozemle. net. 18 августа 2011 г. http://www.ozemle.net/category/dostijeniya/page/12).
Известно, что Airbus и DLR экспериментально доказали, что топливные элементы могут быть использованы в качестве наземной вспомогательной силовой установки, которая, подключенная к самолету, обеспечивает подачу электричества на освещение, кондиционирование салона и для других нужд в то время, когда авиационные двигатели отключены (сайт - aero-news.ru, 18 июля 2011 г.: http://www.aero-news.ru/airbus-i-dlr-eksperimentiruyut-s-toplivnymi-elementami/).
Известен электрический самолет на топливных элементах (заявка США №2003/0075643), летающий на небольшой высоте со схемой силовой установки, которая включает электромотор, батарею твердополимерных топливных элементов, отдельный воздухозаборник из атмосферы для батареи твердополимерных топливных элементов, топливный бак с запасенным водородом либо с химическим реагентом, который в результате реакции выделяет водород, электрический преобразователь, контроллер, самолетное оборудование, солнечные батареи, аккумуляторные батареи.
Выработанная электрическая мощность поступает в преобразователь, далее в систему энергоснабжения и оборудования самолета и к двум электромоторам, которые приводят во вращение воздушные винты легкого самолета.
Кроме получения электроэнергии от батареи топливных элементов предусмотрено дополнительное получение электроэнергии от солнечных батарей и запас ее в аккумуляторных батареях.
Данное техническое решение касается электродвигателя для легких местных самолетов без камеры сгорания.
Известен двухконтурный двигатель с комбинированной камерой сгорания (заявка США №2008/001038). В камере сгорания дополнительно для улучшения характеристик ТРДД размещены топливные элементы, работающие одновременно с основной камерой сгорания. Двигатель снабжен системой управления - контроллером, одной из задач которого является управление расходами топлива через камеру сгорания и топливными элементами. Полученная в топливном элементе электроэнергия используется потребителями бортовой сети самолета, например системой кондиционирования или другими системами. Хотя двигатель имеет конструктивно комбинированную камеру сгорания, его нельзя отнести к гибридным турбореактивным двигателем, так как он обеспечивает электроэнергией вспомогательные нужды, а для привода вентилятора используется традиционная тепловая энергия камеры сгорания.
Гибридных авиационных турбореактивных двигателей, совмещающих для привода вентилятора разнородную энергию, продуктов сгорания и электрическую, в основной силовой установке в патентной литературе не выявлено.
В основу изобретения положена задача создания гибридного авиационного турбореактивного двигателя, позволяющего уменьшить выброс токсичных веществ, снизить шум, особенно в зоне аэропортов, повысить топливную экономичность.
Технический результат - уменьшение выбросов токсичных веществ за период полетного цикла, снижение шума, в том числе в зоне аэропортов, повышение топливной экономичности.
Поставленная задача решается тем, что гибридный турбореактивный авиационный двигатель (ГТРД) содержит камеру сгорания и расположенный вне камеры электрохимический генератор на топливных элементах, связанные входом с источником углеводородного топлива и потоком сжатого в двигателе воздуха, при этом выход камеры сгорания связан через турбину высокого давления с турбиной низкого давления, а выход электрохимического генератора - с электродвигателем, установленным на валу турбины низкого давления, и контроллер, связанный с регулирующими органами, расположенными в тракте топлива и потока воздуха, и выполненный с возможностью регулирования соотношения потоков воздуха и потоков топлива, поступающих в электрохимический генератор и камеру сгорания, и совмещения для привода вала разнородных энергий электрогенератора и турбины низкого давления в виде электроэнергии и энергии продуктов сгорания.
Целесообразно, чтобы контроллер был связан с регулирующими органами, один из которых расположен в тракте топлива от его источника к камере и электрохимического генератора и регулирует распределение углеводородного топлива между электрохимическим генератором и камерой сгорания, а другой расположен в тракте потока воздуха на отводящем канале воздушного потока за компрессором и регулирует распределение воздуха между электрохимическим генератором и камерой сгорания. Целесообразно также, чтобы электрохимический генератор содержал риформер и камеру дожигания, вход которой соединен с выходом батареи, а выход - с камерой смешения на выходе камеры сгорания.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежом, где показана принципиальная схема гибридного турбореактивного авиационного двигателя, согласно изобретению.
Гибридный турбореактивный авиационный двигатель (ГТРД) содержит камеру сгорания 4, электрохимический генератор (ЭХГ) 8, расположенный вне камеры сгорания 4, связанные входами с источником углеводородного топлива и потоком сжатого в двигателе воздуха.
ГТРД содержит также вентилятор 1, редуктор 2, компрессор 3, турбину 5 высокого давления, турбину 6 низкого давления, электродвигатель 7, связанный входом с электрохимическим генератором 8. Выход камеры сгорания 4 связан через турбину 5 высокого давления с турбиной 6 низкого давления, установленной на одном валу 16 с электродвигателем 7. На том же валу 16 установлен вентилятор 1, который через редуктор 2 приводится во вращение от турбины 6 и электродвигателя 7. На чертеже представлен двухвальный ГТРД, где компрессор 3 и турбина 5 установлены на другом валу 15. Однако возможен ГТРД одновального исполнения.
Кроме того, ГТРД содержит контроллер 20, выполненный с возможностью регулирования соотношения потоков воздуха и потоков топлива, поступающих в электрохимический генератор 8 и камеру сгорания 4.
Контроллер 20 связан с регулирующим органом 11, расположенным в тракте топлива от его источника к камере сгорания 4 и к ЭХГ 8 и регулирующим распределение углеводородного топлива между ЭХГ и камерой сгорания, и с регулирующим органом 9, расположенным в тракте потока воздуха на отводящем канале воздушного потока за компрессором 3 и регулирующим распределение сжатого воздуха между ЭХГ 8 и камерой сгорания 4.
Конструктивно регулирующие органы могут быть выполнены в виде заслонки и предварительно тарированы.
Контроллер 20 меняет положение заслонок в зависимости от режима полета и управляющих воздействий пилота, обеспечивая тем самым потребный расход топлива и воздуха между каналами ЭХГ и камеры сгорания.
Электрохимический генератор (ЭХГ) 8 содержит батарею 12 элементов, например, твердотопливных. Однако возможно применение и других топливных элементов.
ЭХГ 8 может включать риформер 13, преобразующий поступающее углеводородное топливо в синтез-газ. Риформер 13 снабжен входами для подачи воздуха и углеводородного топлива, а выход соединен с входом батареи 12 топливных элементов. ЭХГ 8 может включать также камеру дожигания 14 синтез-газа, выходящего из батареи топливных элементов, вход которой соединен с выходом батареи 12, а выход - с камерой смешения 10 на выходе камеры сгорания 4. Выработанный риформером 13 синтез-газ поступает в батарею 12 твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), работающих на выработанном синтез-газе, заслонка 17 связана с контроллером и разделяет воздушный поток на используемый для выработки синтез-газа в риформере 13 и на поступающий в качестве окислителя непосредственно в батареи 12 топливных элементов.
Электрохимический генератор 8 дополнительно может быть связан с внешними (бортовыми) потребителями электроэнергии.
Анализ вопросов согласования работы газодинамической и электрохимических составляющих ГТРД с ЭХГ на основе батареи топливных элементов на крейсерском и взлетном режиме показал целесообразность совмещения для привода вала 16 разнородных энергий - электроэнергии и тепловой энергии продуктов сгорания.
В канал ЭХГ 8 на крейсерском режиме идет основная часть воздуха, покидающего компрессор 3, а именно от 70% до 90% в зависимости от параметров конкретного двигателя. Под полученный на этом расчетном режиме физический расход воздуха проектируется ЭХГ.
Для обеспечения надежной и эффективной работы ЭХГ на других режимах расход воздуха через ЭХГ изменяется в ограниченных пределах. Для этих целей используется заслонка 9, регулирующая долю воздуха, идущего в каждый из каналов через традиционную камеру сгорания или ЭХГ.
Перед турбиной высокого давления расположена камера смешения 10, в которую поступает газ из двух каналов (канал 18 от ЭХГ и канал 19 от камеры сгорания). Из камеры смешения 10 весь газ поступает на турбину 5 компрессора.
В двухвальном ГТРД выработанная в ЭХГ электрическая мощность подводится к электродвигателю 7 на валу 16 с вентилятором 1 и редуктором 2, как дополнительная к мощности турбины 6 вентилятора.
Гибридный авиационный турбореактивный двигатель работает следующим образом.
При включении двигателя на аэродроме контроллер 20 устанавливает в соответствующее запуску положение заслонки 9 подачи воздуха и 11 подачи топлива.
В камеру сгорания 4 поступает сжатый воздух после компрессора 3 за вычетом расхода воздуха, подаваемого ЭХГ. При запуске примерно 10% воздуха поступает в ЭХГ, 90% - в камеру сгорания.
При переходе на другие режимы контроллер переключает заслонки в положение, соответствующее текущему режиму полета. Например, на крейсерском режиме контроллер переключает положение заслонок в положение, когда 70-90% воздуха поступает в ЭХГ, а 30-10% - в камеру сгорания.
От работы батареи 12 топливных элементов и камеры сгорания 4 включаются электродвигатель 7 и турбина 6, которые приводят во вращение валы 15 и 16. Работа привода валов от электродвигателя и турбины снижает нагрузку на камеру сгорания, что уменьшает токсичные выбросы и шум.
Особенностью предложенной схемы гибридного ТРД является то, что ЭХГ работает на протяжении всего полета с расходом воздуха через него, близким к расчетному, а согласование режимов дросселирования и регулирования происходят по топливовоздушным каналам, связанным с традиционной камерой сгорания.
Таким образом, предложенный ГТРД совмещает в силовой установке для привода вала разнородную энергию - электроэнергию и тепловую энергию продуктов сгорания.
Это сочетание повышает экономичность за счет более высокого КПД использования топлива в топливных элементах, уменьшает выбросы загрязняющих веществ, повышает надежность, упрощает задачи регулирования ГТРД на режимах полетного цикла магистрального самолета по сравнению с аналогами.
edrid.ru
Я сижу в кабине одного из самых удивительных самолётов в мире. Это двухместный лёгкий самолёт eFusion, произведённый компанией Magnus Aircraft, оснащённый мотором от Siemens – огромной компании, знаменитой не своим вкладом в авиацию. Я убираю свои ступни от педалей управления как раз перед тем, как пилот включает свою машину.
Воздушный винт мгновенно начинает крутиться и становится почти не виден. Но при этом стоит такая тишина, что мы легко можем общаться без гарнитур. Это первый признак того, что самолёт питается электричеством. Мы начинаем катиться по небольшой взлётной полосе на заросшем травой поле Будапешта. 10 утра, солнечное небо, вдалеке видны фермы. Внезапно мы подпрыгиваем в небо и начинаем круто карабкаться вверх, фермерские домики умильно сжимаются. Коровы внизу даже не смотрят вверх. Это быстрое ускорение, авиационный эквивалент режима работы Ludicrous автомобиля Tesla Model S – ещё один признак электродвигателя. Вы получаете все возможности мотора, и сразу.
Затем мы ныряем, отклоняемся в сторону и поднимаемся снова, оставляя где-то позади мой желудок. Неплохо для простого самолёта, способного на немногие фигуры высшего пилотажа, как описал его мне Гергель Джорджи Балаш [Gergely György Balázs], глава будапештского исследовательского офиса Siemens, будто бы извиняясь, перед тем, как я забрался в самолёт. К счастью для меня, пилот модели, способной на все фигуры высшего пилотажа, был в отъезде по делам.
После 15 бодрящих минут аккумуляторы сели наполовину, до значения менее 10 кВт*ч, и уже настала пора приземляться. Это последний признак электрического двигателя. Хотя сегодня литий-ионные батареи, стойки с которыми упрятаны в корпус перед кабиной, хранят гораздо больше энергии, чем они могли всего несколько лет назад, они и близко не подбираются к баку бензина. Так что в ближайшие годы возможности всех электросамолётов будут ограничены короткими прыжками, в основном между соседними населёнными пунктами, а не между городами.
Авиация отвечает за 2-3% общемирового выброса парниковых газов. Но её эффективность на единицу объёма считается очень высокой, поскольку довольно много газов выбрасывается в стратосфере. Ожидается, что доля авиации в выбросах будет быстро расти в следующие пару десятилетий, с увеличением количества полётов и уменьшением выбросов из других источников – в частности, от генерации электричества и автомобилей.
В 2016 году 23 страны подписали соглашение об ограничении выбросов углерода, совершаемых воздушными судами, которое должно начаться в 2020, согласно стандартам, разработанным Международной организацией гражданской авиации, ИКАО (ICAO — International Civil Aviation Organization), агентством ООН. Поэтому исследователи всего мира работают над поисками способов удовлетворить этим ограничениям.
Но чем могут помочь электросамолёты, ограниченные до смешного малым расстоянием? Их считают критическим шагом технологической эволюции в авиации, которая повторит миграцию, начинающуюся только сейчас, автомобильной индустрии от двигателей внутреннего сгорания к электромоторам. Лет через 15 гибридные пассажирские самолёты, комбинирующие электричество и горючее, возможно, начнут работать на коротких и средних перелётах. Гибриды будут сжигать горючее, но делать это экономно.
Концепт Blue Sky. Способная на фигуры высшего пилотажа версия Extra 330LE, лёгкого самолёта, модифицированного компанией Siemens для работы от электричества. На ранних испытаниях конца 2016 года он установил рекорд высоты электрополётов, забравшись на 3000 метров за 4 минуты 22 секунды.
«Мы можем серьёзно изменить ситуацию на масштабах малых тренировочных самолётов, питающихся электричеством, поскольку там физика не работает против нас», — говорит Джордж Бай, директор Bye Aerospace, совместно с Siemens поставляющий электрические тренировочные самолёты. «Но для увеличения скоростей и масс, требующихся для лайнеров, необходимо переходить на гибридную установку. Индустрия активно работает над этим».
Пока что гибриды нужны потому, что, хотя авиационное горючее даёт 12 500 Вт*ч энергии на килограмм, литий-ионные батареи дают всего лишь 160 Вт*ч/кг, учитывая вес батарей и всего остального оборудования, обеспечивающего их безопасность.
Для поднятия гибридов в воздух потребуется множество технологических прорывов. Они, естественно, появятся в результате работы программ по исследованиям и разработке. Но также они появятся и благодаря попыткам, таким, какую делает Siemens, ввести в строй электрические тренировочные самолёты, и, что, вероятно, наиболее важно – попыткам создать индустрию городских авиатакси в чём-то вроде дронов-переростков. Сама Siemens работает с Airbus Helicopters над одним из таких полностью электрических проектов, CityAirbus. Параллельно Airbus работает над проектом Vahana, который разрабатывает его филиал в Кремниевой долине. Есть и множество других стартапов, включая китайский Ehang, первые демонстрации пассажирских полётов у которого прошли в этом году, когда инженера унёс в небо октокоптер компании.
В авиации большинство гибридов основано на последовательной архитектуре, в которой двигатель, сжигающий топливо – либо ДВС, либо турбина – питает генератор, питающий электромоторы, вращающие винты и заряжающие батарей. В такой схеме аккумуляторы обеспечивают краткосрочные всплески энергии, необходимые для взлёта, что позволяет техникам подстроить сжигающие топливо двигатели так, чтобы они работали на идеальных скоростях. Массивные реактивные двигатели, свисающие с крыльев вашего самолёта, работают на полную мощность только во время взлёта; всё остальное время они, грубо говоря, работают вхолостую и лишь увеличивают вес самолёта.Есть и другие преимущества. Раздавая питание по проводу, при гибридном дизайне можно расположить винты ровно там, где нужно, не обустраивая всё, исходя только из местоположения огромных двигателей. Некоторые гибридные схемы пробуют располагать винты сзади самолёта или даже на вертикальном стабилизаторе.
Над гибридами работают два основных консорциума. В Европе Airbus скооперировался с Siemens и Rolls-Royce в альянсе, отдельном от проекта CityAirbus. В США Boeing и JetBlue являются частью конкурирующего проекта, управляемого стартапом Zunum Aero, расположенном в Киркланде, Вашингтон. Оба консорциума рассчитывают поднять гибриды в воздух к началу 2020-х.
Airbus планирует начать с изменённой версии существующего самолёта, British Aerospace 146 на 100 сидений, у которого одна из четырёх гондол на крыльях будет держать не двигатель, а двухмегаваттный электромотор. Он будет получать энергию от генератора, вращаемого небольшой газовой турбиной, расположенной в фюзеляже (благодаря чему она не испытывает сопротивления воздуха). Если электрическая система отказывает, самолёт сможет лететь на трёх винтах, движимых обычными моторами. Airbus готовит гибрид к демонстрации на следующей Международной Парижской авиавыставке.
Консорциум США практически ничего не сообщил о своих планах. В августе 2017 GE Aviation выдала описание концепции и огромной работы, которая, как она утверждает, проводится над созданием гибридных генераторов. В одном из наземных экспериментов GE Aviation использовала мотор мощностью в 1 МВт для вращения винта диаметром 3,3 м. В другом она использовала компрессор с двигателя GE F110 для питания генератора на 1 МВт, при этом двигатель продолжал выдавать тягу.
Батарейки вставлять сюда: этот Magnus eFusion покатал пилота Януша Б. и автора статьи в манёврах над полем близ Будапешта.
Хотя информации по работе обоих консорциумов крайне мало, из интервью явно следует, что они концентрируются на улучшениях в четырёх технологических категориях: ёмкость аккумуляторов, вес мотора и генератора, эффективность питающей электроники, материалы и дизайн рамы. В Европейском консорциуме Siemens занимается мотором, генератором и электроникой. Кроме этого компания модифицировала несколько малых самолётов, создав полностью электрические модели, считая, что по-настоящему оптимизировать все части можно, лишь используя их все вместе на самолёте.
«Мы приобретаем опыт использования всей системы электрической силовой установки, всего, что находится между пилотом и винтом», — говорит Фрэнк Энтон, глава департамента eAircraft компании Siemens. «Единственный способ обучиться этому – отправлять технологии в полёт».
Электромоторы могут быть относительно маленькими и лёгкими, что открывает много возможностей. Можно установить кучу малых винтов на крыльях, и поворачивать их для облегчения взлёта. НАСА даже изучает схему с кучей маленьких винтов, размещенных по всей длине крыла, которые нужным образом направляют поток воздуха по поверхности, и увеличивают отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению. В результате крылья можно делать короче и тоньше.
«Отделите генерацию от двигателя, — говорит Энтон, — и внезапно у вас появляется куча разных возможностей векторизации тяги».
Ключевая задача уменьшения веса электрической силовой установки зависит от двух вещей. Первое – необходимо повышать энергетическую плотность аккумуляторов, которая будет расти плавно, по крайней мере, пока современные литий-ионные аккумуляторы не уступят место совершенно новой технологии, вроде железо-воздушных аккумуляторов. Во-вторых, энергетическая плотность системы из мотора и генератора также должна расти. Это дело Siemens.
В носу самолёта от Siemens, способного на выполнение фигур высшего пилотажа, сидит их авиамотор SP260D, который при весе 50 кг и мощности в 260 КВт имеет удивительное соотношение КВт/кг в 5,2. У другого самолёта, не способного на все фигуры высшего пилотажа, мотор имеет то же соотношение, правда, его размер в полтора раза больше. Впервые Extra летал перед публикой в 2016 году в Германии. В 2017 он установил рекорд для электрических полётов, преодолев планку скорости в 340 км/ч. Инженеры Siemens активно работают над дальнейшим увеличением энергетической плотности мотора.
В исследовательском центре в Будапеште Балаш подводит меня к верстаку в лаборатории и вручает мне часть мотора, разрезанную пополам. Это часть статора – неподвижной части, вокруг которой вращается ротор – и в её разрезе видно перпендикулярные сечения медной обмотки, совпадающие друг с другом, как кирпичики. Такая прямолинейность – ключевой метод достижения высоких уровней энергии. Она не оставляет воздушной прослойки, которая могла бы помешать отводить тепло от проводов к корпусу с жидкостным охлаждением. Это тепло необходимо отводить от изоляции проводов, или она расплавится и произойдёт замыкание.
«Нам нужен более гомогенный теплообмен, который может обеспечить круглый провод, а ещё мы надеемся на улучшение электрической изоляции – всё это имеет значение для авиационного мотора», — заявляет Балаш. Siemens специально заказывает этот кабель у Furukawa Electric Co., японского поставщика.
Здесь инженеры осуществляют повседневные исследования, срезая лишний вес грамм за граммом. Такой трудоёмкий подход делает эти сделанные вручную «драгоценные камни» дороже любого Rolex. Когда я поднимаю запчасть, чтобы оценить её вес, Балаш ощутимо вздрагивает. Я осторожно кладу её обратно.
Он говорит, что через несколько лет тысячи этих моторов будут изготавливаться ежегодно для использования в воздушных такси, которые, как предсказывает Siemens и все его конкуренты по области, заполонят наши города на манер саранчи. Именно тогда стоимость производства моторов упадёт, возможно, даже ниже стоимости сравнимых сегодняшних ДВС, состоящих из сотен частей и осуществляющих бесчисленное количество сложных механических взаимодействий.
Но работа по устранению лишнего веса грамм за граммом в итоге уступает место революционным улучшениям. Одно из таких случилось в начале 1980-х, когда General Motors и Sumitomo Special Metals независимо представили сверхмощные неодимовые магниты в моторах. Следующая революция будет связана с электромагнитами, обмотка которых будет состоять из сверхпроводящих проводов.
С такой обмоткой мотор-генератор практически не будет терять энергии в виде паразитного тепла – но эту мечту удастся осуществить только после появления высокотемпературных сверхпроводников. Сейчас керамические материалы достигают сверхпроводимости при температурах в -135 °C, что на 100 °C теплее изначальных металлических. Так что, вместо охлаждения проводов жидким гелием, не сильно превышающим абсолютный ноль, дизайнеры могут полагаться на жидкий азот.
Siemens работает над этой концепцией почти два десятилетия. Изначально компания планировала помещать сверхпроводящие моторы на морские суда, где пространство и вес особо важны. И всё равно, текущая версия их двигателя (используемого в качестве генератора) – это такой шкаф, по высоте больше роста человека. Поэтому инженеры компании занимаются его миниатюризацией для использования в авиации. Цель плотности мощности – 10 Вт на грамм. Siemens не показала мне этих разработок – только изображение большей машины с охлаждением, и диаграммой будущей авиационной версии.
Другие компании тоже нацеливаются на это. GE Aviation работает над моторами с криогенным охлаждением для НАСА, но подробностей не разглашает. Все эти компании играют в молчанку; возможно, не хотят раскрывать карт, или же им просто нечего пока показать. В любом случае, НАСА оценивает, что пассажирские самолёты с криогенными системами мощностью от 30 ВМт не появятся по крайней мере до середины 2030-х.
Чтобы сполна воспользоваться преимуществами сверхпроводящего мотора – и генератора, в гибридной системе – необходимо создать и сверхпроводящие инверторы. НАСА работает с GE над производством такого, способного работать с 19 кВт/кг с эффективностью в 99%.
Интегрирование мотора в схему гибрида – вероятно, используя газовую турбину для вращения генератора – пока ещё находится в процессе. Инженеры Siemens сначала моделируют всё в компьютере, в интерактивной симуляции, из которой мне показали лишь пару кадров на экране. Это была часть симуляции обычным образом охлаждаемой машины. «Это последовательный гибрид, и симуляция показывает нам распределение мощностей», — говорит Балаш.
В настоящее время газотурбинные установки в основном используются в качестве запасного питания для электросетей, где вес компонентов не имеет значения. Однако множество современных военных самолётов берут электроэнергию от турбин, питаемых либо компрессорами реактивных двигателей, либо потоком воздуха.
Может показаться, что слишком много усилий тратится на то, чтобы сэкономить несколько килограмм – но тут имеет значение каждая мелочь. Килограмм, сэкономленный на весе мотора, даёт драгоценные лишние килограммы для аккумуляторов. Когда United Airlines недавно начала распечатывать свой журнал для пассажиров на бумаге, весящей меньше обычной, экономя по 28 грамм на номер, или примерно по 5 кг на полёт, то по расчётам это должно сэкономить компании по 640 000 литров топлива ежегодно, или $290 000.
Именно поэтому новые авиалайнеры, например Boeing 787, используют такое количество полимеров, усиленных углеродным волокном. То же делает и Magnus eFusion – чтобы выкатить самолёт из ангара, достаточно усилий одного человека.
Давайте же перенесёмся к конечному продукту. Он появится лет через десять, и авиалинии будут использовать настолько тихие гибридные самолёты, что они смогут летать ночью над городом. Благодаря вращающимся винтам, они смогут взлетать с более коротких полос, возможно, расположенных прямо в годе. Они будут экономить энергию за счёт эффективности и малого веса. Это значит, их обслуживание и владение будет стоить дешевле – у сегодняшних самолётов ситуация обратная, поскольку стоимость их обслуживания многократно превышает стоимость покупки.
Один подвох: в ближайшие лет десять простые гибриды будут лишь немного экологичнее обычных самолётов. Ощутимое улучшение наступит в результате экономии на масштабе, когда гибриды позволят индустрии перейти на полностью электрические самолёты, возможно, уже в 2030-х. «Гибридизация позволит нам экономить от 4% до 20% энергии, — говорит Отто Олаф, глава отдела продаж и бизнес-развития мюнхенского офиса Siemens. – Если мы полностью электрифицируем самолёт, экономия будет ещё больше».
Точно так же авиаперевозчики заинтересованы в уменьшении выбросов парниковых газов. «Инициатива Евросоюза Flight Path 2050 пытается уменьшить выбросы более чем в 2 раза, — говорит Энтон из Siemens, — но к тому времени пассажиропоток должен будет удвоиться, поэтому нам нужно по меньшей мере четырёхкратное улучшение».
Неясно, как именно получаются эти цифры. Легче всего сравнивать выбросы с пассажиро-милями. Честнее будет учитывать ожидаемый источник электричества, которое можно будет генерировать на земле и хранить в аккумуляторах для последующего использования в воздухе. В подсчётах также необходимо учесть, сколько энергии используется на изготовление аккумуляторов, моторов, сверхлёгких углеродно-композитных частей самолёта и всего остального.
Та же инициатива Евросоюза нацелена на уменьшение шума работы самолётов в два раза к 2050 году. Оказывается, что сейчас это наибольшая мотивация для авиаиндустрии. Для того, чтобы удовлетворить ограничениям на ночные полёты, авиаперевозчики иногда тратятся на работы по приглушению старых, громких самолётов.
«Большим сюрпризом стал момент, когда Siemens начала общаться с авиаперевозчиками, — говорит Энтон. – Я всегда считал, что тихая работа двигателей по приоритету располагается на третьем месте, после энергии и выбросов. А теперь это первостепенное дело».
Это будет не первая технология, успешно внедрённая по причинам, не связанным с глобальным потеплением. Люди покупают гибридный Prius, чтобы сэкономить на бензине; они покупают Tesla, чтобы обгонять Porsche. Авиаперевозчики будут покупать гибридные самолёты из-за их тихой работы, а уменьшение выбросов парниковых газов окажется практически побочным эффектом. Но оно всё равно будет.
habr.com
Запасы углеводородов на нашей планете подходят к концу, максимум ещё 100 лет и они будут исчерпаны. Самолёты с газотурбинными двигателями, использующие энергию углеводородного топлива, будут трудиться ещё несколько десятилетий, но уже сейчас можно сказать, что наступает эра электрических самолётов. На данный момент находятся в разработке несколько проектов воздушных судов, использующих электрическую энергию для их движителей.
Идея полностью электрического самолёта, конечно, заманчивая, но в ближайшей перспективе трудноисполнимая. Дело в том, что современные ионно-литиевые батареи по энергетической плотности уступают углеводородному топливу на порядок и выход из этого положения видится в использовании на первых порах гибридных двигателей, где газотурбинный мотор приводит в движение электрогенератор, вырабатывающий энергию для винтового или вентиляторного движителя.
Первый в истории авиации самолёт с электрическим двигателем Mauro Solar RiserНо идея полностью электрического самолёта не оставляет изобретателей, впервые в воздух в 1979 году поднялся электросамолёт Mauro Solar Riser c «бошевским» электромотором мощностью всего 3.5 л.с, который питался от никеле-кадмиевой батареи, взятой с вертолёта. Через два месяца англичане опробовали в воздухе свой Solar-Powered Aircraft Developments, затем в воздушном океане электросамолёты испытали французы и немцы.
Многие известные фирмы начали создавать свои проекты электросамолётов, технологии изготовления с каждым годом улучшались, увеличивалась грузоподъёмность, повышались показатели скорости и дальности полёта. Всего шесть лет назад китайцы создали полноценный электроcамолёт Yuneec International E430. Это был двухместный аппарат весом 430 кг. с 54-сильным мотором, батарея которого заряжалась от обычной розетки. Он был запущен в серию с 2012 года.
Китайцы организовали серийное производство своих электросамолётовНо больше всего в создании электросамолётов продвинулась компания Airbus, разработавшая и воплотившая в жизнь проект летательного электрического аппарата Airbus E-FAN с электромотором, питающимся от двадцати полимерно-литиевых аккумуляторов общей ёмкостью 40 ампер-часов. Электросамолёт развивает скорость 220 км/час и может находиться в воздухе около часа. Стоит, однако, заметить, что все эти аппараты одно или двухместные самолёты и в ближайшем будущем пока не предвидится создание мощных и лёгких аккумуляторов, чтобы сконструировать многоместный пассажирский самолёт на электрической тяге.
Airbus дальше всех продвинулась в разработке самолётов с электродвигателямиСозданием гибридных двигателей в России занимается коллектив сотрудников проектного комплекса «Гражданские самолёты» научно-исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского» под руководством С.Б. Гальперина. Учёные предполагают, что лишь в 2030 году ионно-литиевые батареи улучшат показатели в два раза, а гибридные двигатели возможно создавать уже сейчас и это самый перспективный вариант на данный момент.
Есть, конечно, идея создания помимо гибридных двигателей, моторов на водородном топливе, но эта концепция нуждается в дополнительных исследованиях и значительной доработке.
Энергетические потребности у самолёта на каждом этапе полёта разные, на взлёте ему нужен максимальный режим работы двигателя, на крейсерском участке другой он меньше по энергопотреблению в 5-6 раз, на посадке – это совершенно другой расход энергии. Таким образом, обычный ГТД должен работать на разных режимах и не всегда оптимальных, с точки зрения экономики.
Гибридный самолёт будущегоГибридный двигатель подразумевает использование ГТД и электрогенератора, питающего электромотор движителя. В гибридной схеме газотурбинный двигатель работает в постоянном наиболее экономичном режиме, подобно газовым турбинам электростанций, работающих в таком режиме годами. Его задача вырабатывать энергию для электродвигателя и подзарядки аккумуляторных батарей.
Аккумуляторы будут нужны на взлёте в течение нескольких минут и расход энергии не будет таким большим, поэтому вес и размер батарей будет вполне приемлемый. В этом случае ГТД нужен менее мощный и простой по конструкции, но более экономичный и экологичный, а значит более дешёвый и с большим ресурсом.
Совместно с российской компанией «СуперОкс» разработан электромотор со статором из материалов с большой степенью сверхпроводимости, охлаждаемых жидким азотом. Ведь электродвижки большой мощности требуют большого веса, объёма и тепловыделения. Такой мотор с нужными авиационными характеристиками станет гибридной силовой установкой для российских самолётов регионального назначения и его поднимут в воздух уже, возможно, в будущем десятилетии.
В 2020 году предполагаются испытания такой силовой установки на переоборудованном Як-40. 500-киловаттный высокотемпературный со сверхпроводимостью электродвигатель будет размещён в носу самолёта вместо РЛС, в хвостовой части на месте центрального двигателя Як-40 будет размещён турбогенератор. Пара оставшихся моторов самолёта вполне обеспечат испытания на высотах до 8 тыс. метров и скорости 500 км/час и безопасную посадку при возможном отказе гибридного двигателя. Летающую лабораторию Як-40 оборудуют уже в конце 2019 года.
Совершенно очевидно, что в настоящее время самым разумным будет продвижение гибридной версии таких летательных аппаратов, поскольку вполне реален экономический эффект и безопасность от сочетания ГТД и электромоторов в таких самолётах. Самый объективный судья — это время которое и расставит всё по местам, но уже сейчас ясно, что электрический самолёт – это экологически чистый и гораздо экономичный воздушный транспорт.
The following two tabs change content below.
Информация об авторе
aviarf.ru
