Содержание
Более электрический самолёт
Название заголовка противоречит правилам русского языка так как содержит в себе стилистическую ошибку: «более» применимо к качественным прилагательным (спокойный, веселый, добрый), но никак не к относительным (стеклянный, магнитный, металлический). Однако ситуация обстоит именно так: «более электрический самолет», иначе не скажешь. Суть идеи в том, чтобы в самолете использовалась большая доля механизмов, систем и агрегатов, работающих на электрической тяге. В современном самолете более 30% КПД силовой установки тратится на вспомогательные функции: руление на взлетной полосе, фильтрация и охлаждение воздуха для подачи в салон и кабину пилотов. Все эти функции можно запитать от электричества, это будет гораздо удобнее, экономичнее и проще.
Что такое полет?
Фантасты представляют авиационные машины будущего как некие модули похожие на тарелки НЛО с огромной грузоподъемностью и сверхзвуковыми скоростями.
К сожалению, в ближайшие 20-30 лет — это неосуществимо, хотя прогресс движется и предпосылки есть уже сейчас. Однако сделать перелеты более комфортными и дешевыми реально уже на данной стадии развития технического прогресса. Введение дополнительных элементов электрификации в системы авиационных машин это первый шаг на пути достижения этой цели. При этом существенно улучшится и экологическая составляющая, так как снизятся шумы при маневрах на взлетно-посадочной полосе и выбросы углекислого газа при работе основных двигателей в качестве маневровых. Силовые установки будут потреблять меньше топлива, увеличится ресурс турбин, что положительно скажется на стоимости билетов (по предварительным оценкам цена билета может снизиться на 40-50%). Прибыли авиакомпаний получат положительную динамику так как двигатели станут дешевле в обслуживании, ремонт реже, а затраты на покупку, транспортировку и логистику распределения топлива меньше.
Владимир Каргопольцев, директор Научно-технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации» видит будущее самолетостроения именно в данном направлении.
Не так давно он давал интервью, в котором приоткрыл завесу над «магией полета».
«…в самолете 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 полеты дешевыми, 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…».
В качестве примера мы рассмотрим ближнемагистральный пассажирский самолет Sukhoi Superjet 100 – первый пассажирский самолет, созданный после распада СССР. На февраль 2019 года эксплуатируется 182 единицы.
В самолете есть ряд определенных систем, отвечающих за безопасность и жизнеобеспечение пассажиров, например:
1.
Система кондиционирования воздуха (СКВ).
2. Бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО).
3. Противообледенительная система (ПОС).
Общая мощность энергии, потребляемая этими системами примерно 1.7 – 1.9 МВт что в целом эквивалентно потреблению энергии городского квартала или относительно небольшого поселка. Причем надо учесть еще то, что энергия рассчитывается без учета расхода на, собственно, сам полет: это всего лишь вспомогательные системы.
Системы самолета можно разделить на четыре типа: пневматика (пуск турбин, кондиционирование салона), гидравлика (выпуск и подъем шасси, открытие-закрытие дверей и люков), механика (работа гидравлических и топливных насосов) и электрика (системы пилотирования самолета, навигация, маневровые и габаритные огни, освещение в салоне, связь). При традиционной компоновке электрика потребляет около 12% от всех энергозатрат.
Это достаточно небольшая доля, считает Владимир Каргопольцев и нерациональное распределение энергоресурсов.
Электричество – это самый управляемый вид энергии, поэтому оптимизация авиационных систем должна идти с применением именно этого вида энергии. Иначе говоря, многие из систем самолета необходимо перевести на электропотребление – в этом случае увеличится КПД силовой установки, повысится эффективность распределения энергии самолета и снизятся потери. Это перспективное направление для модернизации рассматривается в качестве основного в современной авиации.
В качестве наглядного примера можно рассмотреть следующую систему – шасси. Самолет совершает наземные маневры и передвижение по полосе при работающих на малой тяге маршевых двигателях. Это малоэффективно по следующим причинам: несоразмерно высокий расход топлива и ГСМ при довольно низкой маневренности, а также большой выброс в атмосферу отработанных газов, ухудшающих экологическую обстановку в районе аэропорта.
Плюс ко всему высокий уровень шума от постоянно работающих турбин. В ОАК предлагают следующее решение данной проблемы: установка электропривода на шасси.
Изначально привод планировали установить на носовое шасси, однако это было признано неэффективным так как расчеты показали, что площадь контакта самолета с поверхностью в точке приложения усилия маленькая, а вес, распределяемый на нос самолета невысок (около 7%). В результате шасси будет буксовать. Поэтому систему решили перенести на основное шасси. После такой модернизации самолет будет подобен электромобилю. Причем становятся возможны недоступные ранее маневры, например, борт легко разворачивается вокруг своей оси и даже может ехать задним ходом, что вообще нонсенс в авиации. При использовании маршевого двигателя доступно только движение вперед с поворотами, которые позволяет угол разворота носового шасси и габариты самолета. Если борт слишком велик, то используют тягач, поскольку сам он в принципе не может развернуться в ограниченном пространстве небольшого или загруженного аэродрома.
По словам Владимира Каргопольцева шасси на электроприводе более проходимо и устойчиво так как возможна плавная регулировка скорости движения по земле. Также стоит отметить, что использование данной системы более безопасно так как исключает риск затягивания посторонних предметов или птиц в турбину при перемещении по аэродрому (при взлете и посадке это маловероятно, ¾ повреждений самолет получает, находясь на земле). И наконец экологичность. Если представить выбросы в атмосферу углекислого газа и отработанной авиационной смеси в виде графика, то пик придется как раз на наземные маневры. Каргопольцев уверен, что в скором времени за отсутствие электропривода в шасси будут вводится штрафы и ограничения, как это уже происходит с нормами по шуму в аэропортах Западных стран.
В ОАК рассчитали экономичность электрического шасси. В год каждый самолет будет экономить примерно 150-160 тонн топлива (около 200 тыс. литров), расход на парк тягачей сократится примерно на 35-40%, также существенно снизятся ежегодные расходы на транспортировку топлива, и работу заправщиков.
Выгода очевидна. Помимо этого, выбросы в атмосферу сократятся на 75%, шум в маневровой зоне снизится на 90%, а также исключается вероятность попадания постороннего предмета в воздухозаборник турбины до взлета. В перспективе это дает возможность уменьшения длины взлетно-посадочной полосы, и упрощению требований к стоянке и хранению авиационных бортов.
Можно привести и другой пример эффективного применения электрических систем – подача и кондиционирование воздуха в салон самолета. По словам Каргопольцева это «нож в спину двигателя». Имеется ввиду то, что воздухозабор для салона происходит в турбине, в камере компрессора низкого давления. Это конечно не камера сгорания, однако воздух там уже нагрет до температуры 400-500 градусов по Цельсию. Перед поступлением в салон, воздух охлаждают, очищают и увлажняют, и на это на все также тратится довольно много энергии силовой установки самолета. Самым оптимальный вариант для решения данной проблемы — забор воздуха напрямую из атмосферы, однако для этого необходимо чтобы компрессор и фильтры имели независимое электропитание.
Отдельно хочется остановиться на системе пуска турбин. Для того чтобы турбина «завелась» используют ВСУ – вспомогательную силовую установку. Это двигатель газотурбинного типа, чаще всего расположенный в хвостовом отсеке и помимо пуска маршевых двигателей не несет никаких дополнительных функций (в авариных случаях может использоваться как как электрогенератор). По факту летает как балласт и занимает много пространства. Есть смысл переработать систему пуска по подобию автомобильной – аккумулятор для этого потребуется гораздо меньше, к тому же система будет надежнее.
По такому же принципу можно модернизировать и сами турбины, так как в них много пневматических и гидравлических систем: подача смазки, топлива. Ели сделать их электрическими, как во многих современных авто, то можно добиться сразу двух целей – сократить вес (первостепенный параметр в авиации) каждой турбины минимум на 10-15% и снизить стоимость обслуживания так как хорошо отлаженные электронные системы ломаются в три раза реже нежели механические или гидравлические.
Однако несмотря на столь радужные перспективы ученые в ОАК думают и о возможных угрозах. Ведь ни для кого не секрет что из-за электромагнитных полей навигация может сбоит и отключаться, да и к тому же возможен риск образования молнии от самолета в грозу при таком обилии электронных систем на борту. Поэтому система нуждается в тщательных расчетах, моделировании и тестировании в различных условиях эксплуатации.
Отдельной строкой стоят два нюанса: пожарная безопасность и энергопотери. Впрочем, последнее можно частично нивелировать применением сверхпроводников. Некоторые сплавы при низких температурах обладают почти нулевым сопротивлением. Возможно, инженеры найдут решение с применением жидкого азота, однако сейчас никакие разработки в этой области не разглашаются. Сверхпроводники хороши еще и тем, что при коротком замыкании происходит, обрыв цепи без воспламенения.
Тяжёлое электричество
На самом деле попытки применения электрической силовой установки в воздухоплавании предпринимались еще в 19 веке.
Первым был изобретатель Гастон Тиссандье, который в 1883 году совершил полет на дирижабле с электродвигателем. Из этого можно сделать вывод что идея электродвигателя в авиации уже довольно-таки стара, однако технического прорыва таки не произошло. Причина тривиальна – вес. Для наглядного примера достаньте из кармана смартфон и взвесьте в руке. Около 60% мобильного устройства будет приходиться на аккумулятор. И это при том что сейчас технологии аккумуляторных батарей исчерпали лимит модернизации, разработчики выжали из них все что можно, и легче они уже не станут. Для прорыва в этой области необходим совершенно новый вид энергохранилищ.
Разумеется, прогресс не стоит на месте и попытки предпринимаются. Самыми запоминающимися были две: в 1973 году состоялся полет планера Militky MB‑E1. В общей сложности время нахождения в воздухе составляло около 10 минут. Это был первый успешный полет на электродвигателе. Второй состоялся в 2014 году: кругосветное путешествие на планере Solar Impulse 2, который заряжался от солнечных батарей.
Во время кругосветного путешествия было совершено 12 посадок. Однако это все экспериментальные или единичные модели, причем сверхлегкой авиации. В массовых перевозках это неосуществимо ввиду низкого КПД солнечных панелей – для пассажирского лайнера их потребуется несколько тысяч квадратных метров.
К сожалению, полностью электрический самолет, предназначенный для массовой перевозки пассажиров, пока остается недостижимой мечтой. Зато часто рассматриваются проекты увеличения доли электрической энергии в системах самолетов. Юрий Добровольский, химик Научно-технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации» говорит следующее «…То, что электрическая энергия самая удобная и эффективная, вроде бы никто не оспаривает. Возникает вопрос, в чём её хранить…».
Самое простое решение – аккумуляторы. Но тут есть свои нюансы. Во-первых, как мы уже говорили несмотря на технические достижения это довольно тяжелые устройства.
Разумеется, их используют в авиации, но они достаточно компактны и имеют маленький объем. Инженеры вывели пропорцию что в идеальных условиях 1 килограмм АКБ (причем абсолютно новой со 100% ресурсом) запасает в среднем 80-100 ватт электроэнергии. Нетрудно рассчитать, что для небольшого пассажирского самолета потребуется батарея весом в несколько тонн. Понятно, что это направление бесперспективно пока не изобретут какие-либо новые сверхлегкие материалы для производства аккумуляторов.
Во-вторых, опять вспомним мобильник. Все пользователи знают, что зарядка — это дело долгое, поэтому чаще всего ставят устройства заряжаться на ночь. Причем чем больше объем, тем дольше время подзарядки батареи. Аккумуляторы не могут быстро накапливать энергию, поэтому даже если удастся компенсировать вес батареи ее все равно придется долго заряжать. В случае с объемами необходимыми для пассажирского лайнера время заряда может измеряться сутками. Худший кошмар авиаперевозчика: самолеты неделями заряжаются чтобы сделать один перелет, а пассажиры аналогично будут ждать пока самолет будет готов к перелету.
Это будет абсолютно невыгодно. Поэтому здесь необходима совершенно иная технология накопления и хранения электричества
Электричество из протонов и электронов
Возможно, лет через 10-15 самолеты будут на электричестве. Это будет достигнуто благодаря двум вещам – суперконденсаторам и топливным химическим элементам. Именно за ними будущее в развитии авиационной и автомобильной промышленности на электрической тяге.
Суперконденсаторы или ионисторы это промежуточное звено между конденсатором и химической аккумуляторной батареей. Главная особенность этого элемента – малый удельный вес. Ионистор состоит из пористых материалов и обладает долгим сроком эксплуатации – при тестировании после 100 000 циклов зарядки-разрядки уровень деградации объема составил около 1%. Еще одним неоспоримым преимуществом является большой ток. В авиационных двигателях такое устройство может применятся в системе пуска турбин. Но у суперконденсатора есть и минусы – высокая стоимость производства и относительно быстрая потеря заряда.
Поэтому для длительного хранения энергии необходима вторая технология – топливные химические элементы. Именно эту задачу и решает команда под руководством Юрия Добровольского. «…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…».
Данный элемент также использует в своей работе химическую реакцию, однако это не окисление как в свинцовых аккумуляторах и не ионизация как в литиевых, а скорее горение. На входе поступают кислород и водород, а на выходе электрическая энергия.
Работает это так: есть катод (-) и анод (+), оба расположены с разных концов условной «батареи». Сами электроды, это угольные пластины, покрытые платиновым катализатором. При подаче водорода на анод молекулы распадаются на протоны и электроны, которые затем направляются на специальную мембрану.
Она предназначена для улавливания электронов, и до катода доходят только протоны водорода. Затем они соединяются с молекулами кислорода образуя воду и высвобождая значительное количество энергии, которое преобразуется в электричество. Процесс протекает с небольшим образованием тепла. На выходе КПД достигает 75-80%.
Принцип получения электричества из водорода был открыт в 1839 году Уильямом Гроувом, однако идея не нашла практического применения. Попутки воспроизвести топливные элементы предпринимались в 70-80 годы в СССР, однако элементы были нестабильными и плохо реагировали на изменение температуры, вибрацию и тряску.
Но благодаря работе Добровольского и его коллегами были достигнуты немалые успехи в этом направлении. «…Наши топливные элементы могут работать даже при минус сорока. А западные аналоги рассчитаны только на плюсовые температуры…».
Само собой разумеется, что у таких систем есть и недостатки.
В первую очередь это стоимость. В элементе используется платина, в качестве катализатора, но самым дорогим является именно мембрана. Отчасти прорыв связан с тем, что ученые смогли найти относительно дешевый способ производства этих мембран. Что же качается сырья то тут проблем не возникнет. Любой промышленный город в состоянии произвести необходимое количество водорода так как он используется при изготовлении мыла, полимеров, удобрений, в пищевой отрасли.
Исследования Добровольского и его команды — это вполне применимая технология, а не только экспериментальные опыты и тестовые образцы. Учёные активно сотрудничают с ОАК и другими производственными компаниями. Как говорит сам Юрий «…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…».
Электросамолеты: как авиация готовится к революции
Не так давно мир скептически относился к электромобилям, но Tesla заставила в них поверить.
Теперь на электричество переводят и авиацию. Рассказываем, как появляются электросамолеты и почему мы еще на них не летаем
Как устроены электросамолеты
Под термином «электросамолет» понимают электрифицированный летательный аппарат. Специалисты в области авиации различают три уровня электрификации самолетов: «более электрический», «полностью электрический» и «гибридный».
«Более электрический», или самолет с повышенной электрификацией
Этот аппарат, как и обычный самолет, оснащен двигателем внутреннего сгорания. Мотор преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую и создает тягу — силу, которая толкает его сквозь поток воздуха. Но большую часть работы оборудования (регулировку крыла, выпуск шасси и так далее) выполняют электроприводы. Они питаются от системы электроснабжения и преобразуют электрическую энергию в механическую.
Советский бомбардировщик Пе-2 считается первым в мире электрифицированным самолетом.
В 1930-х годах на нем установили около 50 электроприводов
(Фото: avia.pro)
«Полностью электрический самолет»
Летательный аппарат, у которого отсутствуют двигатели внутреннего сгорания, а все оборудование работает на электроэнергии. Для создания тяги в таких самолетах используют электродвигатели, которые питаются от аккумуляторов.
В начале 2000-х годов начался бум создания «полностью электрических самолетов», где основным источником энергии были литий-ионные аккумуляторные батареи.
Самолет Yuneec International E430 китайского производства с электрическим двигателем, который питается от литий-полимерных аккумуляторов
(Фото: avia.pro)
Применение батарей в качестве основных источников энергии ограничивало возможности летательных аппаратов — дальность, время полета, грузоподъемность.
Поэтому специалисты в области авиации стали рассматривать альтернативные варианты получения энергии. Среди них:
- солнечные батареи — преобразуют энергию излучения в электроэнергию;
- топливные элементы — преобразуют химическую энергию топлива в электрическую без процессов горения; чаще всего в качестве топлива используется водород.
Сергей Кравченко, руководитель проекта «Контур» Фонда перспективных исследований:
«Применение водорода обусловлено его высокими энергетическими свойствами как топлива и отсутствием загрязнения окружающей среды. Поэтому он имеет большой потенциал в области развития полностью электрических технологий».
«Гибридный самолет»
Оснащен гибридной силовой установкой. Она преобразует энергию дважды: сначала в механическую с помощью двигателей внутреннего сгорания, затем в электрическую с помощью генераторов.
Сергей Кравченко:
«Гибридный двигатель состоит из электрической части (электромотор, генератор, аккумуляторная батарея) и двигателя внутреннего сгорания, который использует химическое топливо.
И если сейчас это керосин, то в будущем это будет водород, что открывает огромные перспективы для авиационной техники, разрабатываемой по технологии «полностью электрического самолета».
Кто создает и тестирует электросамолеты сегодня
Разработчики по всему миру, включая Россию, работают над созданием электросамолетов. Мы собрали примеры нескольких успешных проектов.
Стартап Kitty Hawk — персональный электросамолет
В 2017 году стартап Kitty Hawk, в который инвестирует сооснователь Google Ларри Пейдж, показал прототип первого персонального электросамолета Heaviside. Одноместный аппарат может вертикально взлетать и садиться, причем для этого ему достаточно площадки размером примерно 10х10 м.
Heaviside может преодолеть на одном заряде батареи до 160 км — примерно как от Москвы до Твери
(Фото: Kitty Hawk)
Pipistrel — двухместный электросамолет
Компания Pipistrel представила двухместный электрический самолет Velis Electro, который прошел сертификацию Европейского агентства авиационной безопасности EASA.
Аппарат получает энергию от двух аккумуляторов, развивает скорость до 181 км/ч и может находиться в воздухе до 50 мин.
Pipistrel уже запустила серийное производство Velis Electro: сертификат типа EASA позволяет эксплуатировать самолет в коммерческих целях
(Фото: Pipistrel)
MagniX и AeroTEC — самый крупный коммерческий самолет
В 2020 году компании MagniX и AeroTEC испытали самый большой коммерческий самолет Cessna Caravan 208B с электрическим двигателем. По словам исполнительного директора Роя Ганзарски, самолет может перевозить 4–5 пассажиров на расстояние до 160 км.
Разработчики рассчитывают, что когда электродвигатель Cessna Caravan 208B пройдет сертификацию, самолет сможет выполнять рейсы с полной загрузкой из девяти пассажиров
(Фото: MagniX)
Siemens — электросамолет с максимальной скоростью
Компания Siemens запустила самолет Extra 330LE с электродвигателем на аккумуляторных батареях.
Аппарат побил рекорд среди аналогов: во время полета в 2017 году он достиг максимальной скорости 340 км/ч.
Siemens планируют использовать разработки Extra 330LE для производства (в партнерстве с компанией Airbus) региональных авиалайнеров, работающих на гибридных двигательных установках
(Фото: Siemens)
ЦИАМ — первый пилотируемый российский электросамолет
На международной авиационной выставке МАКС-2021 Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова (ЦИАМ) представил первый полностью электрический пилотируемый российский самолет «Сигма-4». Он развивает максимальную скорость до 100 км/ч и рассчитан на полеты дальностью 100 км — это примерная протяженность МКАД.
Электродвигатель «Сигма-4» питается от аккумуляторных литий-ионных батарей. По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, летные испытания самолета запланированы на вторую половину 2021 года
(Фото: N+1)
ЦИАМ — летающая лаборатория с уникальной гибридной силовой установкой
На МАКС-2021 ЦИАМ также представил летающую лабораторию Як-40ЛЛ.
В носовой части аппарата установлен воздушный винт, который приводится в движение электродвигателем. А электроэнергию он получает от генератора, который вращается двигателем внутреннего сгорания.
Электродвигатель создан по уникальной технологии — на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). При определенной температуре ВТСП проводят электрический ток без сопротивления и потери энергии. Это позволит увеличивать КПД двигателей: наращивать мощность и при этом снижать их массу и габариты, что важно при строительстве самолетов. Разработку двигателя проводили в рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований и ЗАО «СуперОкс». Во время выставки МАКС-2021 летающая лаборатория совершила первый полет, в процессе которого был включен электродвигатель.
Ученые надеются, что к 2030 году технологии позволят создать региональный самолет на гибридной схеме, как у Як-40ЛЛ
(Фото: НИЦ «Институт имени Н.
Е. Жуковского»)
Зачем переводить авиацию на электричество
Очевидная причина повышенного спроса на электрификацию — экология. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2–3% выбросов углекислого газа. Причем за один короткий перелет, например из Лондона в Рим, образуется 234 кг углекислого газа на одного человека — больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год.
Переход на электричество поможет решить экологические и другие проблемы современной авиации.
Сокращение количества выбросов в атмосферу
«Полностью электрический самолет» не создает выхлопа. Но его пока не считают абсолютно экологичными, так как производство аккумуляторов загрязняет окружающую среду, а из-за структуры и химического состава их сложно утилизировать.
Авиакомпания Airbus представила проект развития авиации будущего «Умное небо». По ее прогнозам, к 2050 году будут распространены самолеты с гибридными силовыми установками и электродвигателями.
Аэропорты откажутся от двигателей внутреннего сгорания даже на земле: беспилотные электротягачи будут доставлять самолеты на взлетно-посадочную полосу и обратно. Все это поможет снизить количество выбросов в атмосферу.
Снижение затрат на топливо
Именно эта перспектива мотивирует многие крупные авиакомпании вкладывать средства в разработку электросамолетов. Расходы на топливо составляют до 30% их затрат и значительно влияют на прибыль.
В 2020 году электросамолет компаний MagniX и AeroTEC Cessna 208B совершил успешный 30-минутный полет. Исполнительный директор Рой Ганзарски отметил, что цена полета составила всего $6. А если бы они использовали обычное моторное топливо, полет обошелся бы в $300-400.
По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, применение гибридных силовых установок позволит в будущем уменьшить расход топлива на 70%.
Снижение количества шума
Электрические и гибридные летательные аппараты гораздо тише обычных с ДВС. Например, вертолет на высоте 500 м создает звук в 60 дБ, который по громкости можно сравнить с проезжающим мимо мотоциклом.
А электросамолет Heaviside (разработка компании Kitty Hawk) во время полета на той же высоте создает звук в 38 дБ — примерно тот же уровень громкости, что и во время разговора людей.
В результате переход авиации на электричество позволит бороться с шумовым загрязнением и строить аэропорты ближе к черте города.
Снижение затрат на эксплуатацию
Электрические двигатели устроены проще двигателей внутреннего сгорания. У них меньше движущихся и соприкасающихся частей, а значит, они менее подвержены износу. Специалисты авиационной промышленности предполагают, что электрические самолеты будут реже нуждаться в техобслуживании, что снизит эксплуатационные расходы.
«Полностью электрический самолет»: в чем сложность
Первые «полностью электрические самолеты» уже существуют и проходят успешные испытания. Но говорить о том, что они станут альтернативой пассажирским лайнерам, рано. Причина в аккумуляторных батареях, которые нуждаются в улучшении.
Даже самые современные батареи уступают топливу в удельной энергоемкости — количестве энергии, которую они могут накопить.
Реактивное топливо содержит примерно в 30 раз больше энергии, чем литий-ионная батарея.
Самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 может пролететь 15 000 километров за один рейс и перевезти до 700 пассажиров. По подсчетам преподавателя кафедры прикладной аэродинамики университета Лафборо Дункана Уолкера, тот же самолет сможет преодолеть максимум 1 000 км с батареями в качестве источника энергии. Чтобы Airbus A380 пролетел на аккумуляторах свой максимум, ему понадобится комплект батарей весом в 30 раз больше, чем его текущий расход топлива. То есть из-за веса он просто не сможет оторваться от земли.
Даже если заменить всех пассажиров и груз на батареи, дальность полета Airbus A380 все равно была бы меньше 2 000 км по сравнению с обычными 15 000 км на топливе
(Фото: Airbus)
Кроме того, самолет с традиционными двигателями во время полета сбрасывает топливо.
Так судно становится легче, поэтому расход топлива, которое необходимо для полета, уменьшается. А вес аккумуляторов остается постоянным на протяжении всего полета, даже когда заряд израсходован.
По оценкам экспертов в области авиации, для безопасных и рентабельных полетов можно будет использовать батареи с энергоемкостью 2 000 Вт·ч/кг. Сейчас это показатель не превышает 250 Вт·ч/кг, а за год энергоемкость батарей растет примерно на 3%.
Сергей Кравченко:
«По мнению специалистов, батареи как источник энергии станут коммерчески привлекательными при достижении удельной мощности 600 кВт/кг (удельная мощность — количество тока, которое может выдавать аккумулятор на единицу веса. Показатели современных батарей находятся в пределах 10 кВт/кг. — РБК Тренды).
На текущий момент 100%-го решения указанных проблем не существует. Фонд перспективных исследований в том числе работает над созданием новых аккумуляторов, систем электроснабжения и электродвижения для транспортных средств».
Какие перспективы у электрических самолетов
Очевидно, что перспективы электрифицированных самолетов напрямую зависят от прогресса в области электротехники. По мнению директора проектного комплекса «Гражданские самолеты» НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского» Сергея Гальперина, коммерческий электросамолет, который мог бы летать на приличные для России расстояния только на батареях или топливных элементах, появится нескоро.
Сергей Кравченко:
«Полностью электрические самолеты вышли из стадии диковинок и в ряде стран уже успешно используются в коммерческих задачах. Ожидается, что и в России данные разработки в ближайшие годы достигнут стадии перехода от экспериментов к опытным технологиям и коммерческому использованию. Однако объем вопросов, которые мешают скорейшему массовому использованию данных типов авиационной техники, еще существенный. И это в большинстве случаев задачи по обеспечению безопасности пассажиров и окружающих объектов».
Глава ЦИАМ Михаил Гордин отметил, что в ближайшем будущем крупные пассажирские лайнеры будут использовать именно гибридные силовые установки.
А полностью электрические самолеты, вероятно, найдут применение только в малой авиации из-за ограниченной дальности и вместимости пассажиров.
Сергей Кравченко:
«В среднесрочной перспективе ожидается широкое распространение летательных аппаратов с гибридной силовой установкой. Появление полностью электрических систем будет связано с успехами электрохимии. Однако текущие достижения не позволяют ожидать существенного прогресса в этой области в ближайшее время.
Рассматриваются технические решения, в которых источник электрической энергии — топливный элемент, а потребитель — электромотор. Расчеты показывают, что данная компоновка реализуема для широкого класса региональных самолетов. Именно такое решение может составить конкуренцию газотурбинному двигателю, но требуется создать и испытать данную технологию, чтобы подтвердить расчеты».
Более электрический самолет — чище, экологичнее и надежнее
Коммерческие самолеты исторически полагались на гидравлические и пневматические системы для выполнения многих важных функций.
Но использование отбираемого воздуха для привода этих систем приводит к снижению эффективности. Замена таких систем электрическими альтернативами может снизить расход топлива, а также повысить надежность детали. Компания Simple Flying связалась с ведущим поставщиком систем More Electric, компанией Collins Aerospace, чтобы узнать больше.
Чемодан для более электрического самолета
Исторически сложилось так, что многие функции самолета зависят от отбора воздуха для обеспечения необходимой мощности. Такие вещи, как системы контроля окружающей среды, системы противообледенительной защиты крыльев и поверхности управления полетом, обычно полагаются на гидравлику или пневматику, которые приводятся в действие отбираемым воздухом. Это логично — это горячо, уже сжато и доступно.
Однако системы, отводящие высокоскоростной воздух от двигателей, лишают обычные самолеты некоторой тяги и увеличивают расход топлива двигателем. Collins Aerospace лидирует в замене многих из этих систем электрическими альтернативами, проект, известный как «Больше электричества».
системы. Он сказал,
«Сегодня сжатый воздух является самой крупной вторичной нагрузкой на самолет. Более 90% топлива используется для фактического движения самолета, но около 6% топлива используется для предоставления этих услуг. И создание сжатого воздуха является одним из самых больших преимуществ этого. Сжатый воздух является удобным источником, но он не очень эффективен. Переходя от пневматики к электричеству, мы можем повысить эффективность использования этой части топлива самолета.
«Около 6% используемого вами топлива или 6% выбрасываемого вами углерода приходится на эти вторичные системы. Если мы сможем внедрить больше электроэнергии и сократить это потребление вдвое, если мы сможем сэкономить 2-3% топлива за счет этого внедрения, это будет означать экономию миллионов галлонов реактивного топлива и сокращение выбросов углерода на десятки миллионов тонн каждый год».
Помимо повышения эффективности самолета, переход на большее количество электрических систем имеет еще одно преимущество, заключающееся в том, что эти системы могут быть более надежными и требуют меньшего обслуживания, чем альтернативные варианты.
Системы, использующие пневматические или гидравлические компоненты, являются механическими, с движущимися частями. Замена их электроникой может снизить затраты на техническое обслуживание и одновременно повысить надежность оборудования.
Здесь также следует учитывать экономию веса, хотя этот вопрос, возможно, не так прост, как вы думаете. Электрический привод, например, на самом деле весит больше, чем гидравлический привод. Однако, если принять во внимание все остальное оборудование, которое идет вместе с гидравликой, все распределение жидкостей, перемещаемых по самолету, конечным результатом является немного более легкая операция.
Где сейчас используется больше электрических систем?
Одной из крупнейших реализаций более электрических систем стал флагманский широкофюзеляжный самолет Boeing 787. Примером может служить его электрическая система контроля окружающей среды (ECS), предоставленная Collins. коммерческий самолет таким образом.
Вместо того, чтобы отнимать у двигателей сжатый воздух для питания ECS, компрессоры с электрическим приводом обеспечивают функцию наддува кабины, при этом свежий воздух подается на борт через специальные воздухозаборники кабины.
Кроме того, 787 использует электрические системы Collins для защиты крыла от обледенения и для запуска двигателя. В целом, по прогнозам Boeing, экономия топлива составляет около 3% за счет отказа от традиционных гидравлических и пневматических компонентов.
В 787 используется более электрическая система контроля окружающей среды (ECS). Фото: Collins Aerospace
Помимо экономии топлива, пассажиры также получают дополнительные преимущества. Спирлинг отметил,
«Электрокомпрессорное оборудование позволяет значительно улучшить впечатления от салона по сравнению с традиционными пассажирскими самолетами. Часть того, что мы сделали с 787 ECS, заключалась в том, чтобы эксплуатировать его при более высоком давлении, чтобы имитировать более низкую высоту кабины и уменьшить эффект «джетлага» на дальнемагистральных рейсах. Электрический компрессор подает свежий воздух прямо в салон, отделяя его от системы двигателя и улучшая качество воздуха в салоне, чтобы пассажиры чувствовали себя лучше».
В то время как Boeing стремился заменить пневматические системы более электрическими альтернативами на 787, Airbus применил другой подход. На A380 и A350 европейский производитель самолетов работал с Коллинзом над заменой гидравлических систем. В частности, эти самолеты перешли на электрическое управление полетом с использованием электрического привода, такого как на F35 вооруженных сил США.
Какое будущее у большего количества электрических самолетов?
Как и в случае с любой новой технологией, необходимо извлечь уроки и внести улучшения. Collins постоянно совершенствуется и инвестирует в улучшение своих электрических систем. Примечательно, что компания сталкивается с проблемами при разработке систем генерации электроэнергии, которые меньше и легче, чтобы реально использовать преимущества снижения веса за счет замены пневматических и гидравлических систем.
В настоящее время ни один самолет не реализовал в полной мере потенциальные преимущества полностью электрической архитектуры.
Боинг 787 был близок к этому, но все еще не полностью электрифицированный самолет. A350 и A380 использовали некоторые электрические системы, но также сохранили некоторые пневматические системы для резервирования. Когда что-то новое, может быть трудно отпустить то, что старое и знакомое.
Тем не менее, будущее для большего количества электрических самолетов имеет большие перспективы, и Коллинз руководит этим сейсмическим сдвигом. От электрического шасси до большего количества электрических тормозов и многого другого команда постоянно оценивает, развивает и совершенствует продукты, которые будут использовать меньше гидравлических и пневматических компонентов на самолетах будущего.
Challenges in More Electric Aircraft (MEA)
Хао Хуанг, научный сотрудник IEEE, научный сотрудник SAE
Более высокая энергоэффективность, более низкие выбросы NOx и более низкий слышимый шум для самолетов стали критическими проблемами, которые необходимо решить из-за угроз качеству жизни и даже выживания наших будущих поколений.
В последнее время были предприняты значительные усилия для решения этих экологических и ресурсосберегающих проблем. В следующей таблице показаны цели, поставленные Федеральным авиационным управлением США (FAA) и Европейской комиссией на период до 2020 года:
1. Где мы находимся с MEA?
Характер подхода More Electric Aircraft (MEA) стал неотъемлемой частью решения для достижения целей, перечисленных в таблице выше. Хорошо известно, что на обычных самолетах есть два источника энергии: первичный источник — это двигатели самолета, и вторичные источники — электрические, пневматические и гидравлические системы, питаемые от основного источника. За последние пятнадцать лет в MEA был достигнут огромный прогресс, наиболее выдающимся из которых является развитие Boeing 787, Airbus 380 и Lockheed F35. Эти усилия были в основном сосредоточены в области вторичных источников энергии, то есть замены пневматической или гидравлической системы на электрическую.
Традиционно пневматическая система используется для питания системы контроля окружающей среды (ECS) и противообледенительной системы, а гидравлическая система используется для приведения в действие управления полетом, приведения в действие общего назначения, шасси и т. д. Недавние исследования и разработки показывают, что МЭА будет развиваться значительно дальше и будет продвигаться вперед в области инноваций в области первичного источника энергии. Вскоре закон Брайтона, закон физики, управляющий первичным источником энергии, будет нарушен. Двигатели с турбонаддувом станут гибридом турбо и электродвигателя, открывая новый канал для радикального улучшения топливной экономичности двигателя. Кроме того, появляются небольшие самолеты с электрическим приводом, и количество посадочных мест со временем будет постоянно увеличиваться. AIRBUS начал говорить о 100 пассажирских электрических самолетах. Перспективы МЭА очень многообещающие. Однако все еще существуют проблемы, которые мешают аэрокосмической отрасли использовать преимущества МЭА.
2. Какие проблемы?
Одной из основных проблем является вес. Многочисленные исследования показали, что MEA может значительно сократить расход топлива, вероятно, в отношении широкофюзеляжных (WB), узкофюзеляжных (NB) и даже гораздо меньших самолетов. Тем не менее, МЭА в целом тяжелее с технологиями, которые мы имеем сегодня. Отчасти это связано с более тяжелым, чем ожидалось, блоком силовой электроники, где ошеломляющий вес фильтров электромагнитных помех составляет ~25-40%.
MEA предполагает замену пневматических и/или гидравлических систем электрическими, и, следовательно, потребность в электроэнергии намного выше, чем при традиционном подходе. Например, общая выработка электроэнергии на Боинге 787 превышает 1 МВт, в то время как соответствующий обычный самолет использует менее ¼ мощности. Значительно более высокий спрос на электроэнергию создает проблемы для охлаждения и динамического управления производством и преобразованием электроэнергии.
Следует отметить, что постоянное совершенствование силовой электроники и связанных с ней систем охлаждения и управления будет постоянно снижать вес этих электрических компонентов. Однако в некоторых областях, таких как приведение в действие гидравлического управления полетом, плотность силы, генерируемая гидравликой, может более чем в 15 раз превышать плотность силы, генерируемая электричеством. В этом случае проблема не может быть решена на уровне компонентов и блоков.
Новая силовая электроника, новое охлаждение, новые элементы управления и новый дизайн системного уровня бросают вызов безопасности, прочности, надежности и сертификации нового MEA. Это добавляет огромные технические, стоимостные, ресурсные и временные риски к разработке и инвестированию MEA.
Учитывая вышеизложенное, в ближайшие десятилетия будут очевидны две параллельные тенденции. Во-первых, MEA неизбежен и необратим, а во-вторых, производители самолетов будут выжимать и собирать все, что они могут, для получения доходов, не продвигаясь слишком быстро и слишком далеко в MEA.
Хотя это понятно, нам необходимо преодолеть трудности, чтобы двигаться вперед с MEA.
3. Как преодолеть трудности?
Широкополосные устройства (WBG), такие как SiC или GaN, являются частью решения проблемы веса из-за их высокой температуры, низких потерь и высокой способности переключения.
Уменьшение веса и размера фильтров электромагнитных помех имеет решающее значение для успеха MEA. Оптимизация конструкции синфазных и дифференциальных фильтров, возможно, не уведет нас слишком далеко от того, что мы имеем сегодня. Новые топологии силовой электроники могут быть необходимы, чтобы иметь существенное влияние на вес в этой области.
В тех областях, где электрическое оборудование практически не конкурирует с пневматическим и гидравлическим, решением является системная интеграция, а также интеграция нескольких физических дисциплин. Многочисленные исследования показали, что оптимизация на уровне самолета сделает MEA гораздо более привлекательным, чем другие подходы, с точки зрения веса, размера, экономии топлива, чистого воздуха и снижения шума.
Высокоточные «виртуальные медные птицы» и/или «железные птицы» в режиме реального времени и с аппаратным обеспечением в контуре очень важны для решения проблем безопасности, надежности и зрелости для MEA. Однако эти усилия никогда полностью не заменят реальное тестирование, отладку и повышение надежности. Основные фактические лаборатории медных птиц и железных птиц были созданы основными производителями воздушных конструкций и поставщиками систем первого уровня. Необходимо постоянно проводить серьезное тестирование компонентов, подсистем и систем, чтобы совершенствовать технологии МЭА. Мы не можем избежать фактического тестирования, поэтому, расширяя сотрудничество, мы можем снизить стоимость разработки.
4. Как выглядит дорожная карта?
Мы с нетерпением ждем будущего MEA. В следующие пару десятилетий аэрокосмическая промышленность может столкнуться с тремя основными волнами: временной интервал первой волны сейчас до 2023 года, и речь идет о сборе урожая текущих технологий и их дополнительных достижений как в двигателях, так и в системах.
Большинство программ новых самолетов могут быть программами по переоборудованию двигателей. Временной интервал второй волны — с 2023 по 2030 год, и речь идет об основных технологических эволюциях двигателей и систем. Могут появиться некоторые новые программы MEA, но в этот период будет много неопределенностей, требующих от нас разработки гибких стратегий, чтобы справиться с ними. Временной интервал третьей волны находится выше 2030 года, и ожидается, что произойдет технологический прорыв революционного типа, такой как разрыв цикла Брайтона. В это время МЭА будет находиться не только в районе вторичных источников, но и в районе первоисточника. В каждой из трех волн будут большие возможности, а также изменение ландшафта.
Доктор Хао Хуанг — технический директор GE Aviation Electric Power. Он отвечает за технические направления, инновационные стратегии, дорожные карты продуктов для нескольких поколений подразделения авиационной электроэнергетики, а также постоянно возглавляет и внедряет изобретения и инновации в области технологий авиационной электроэнергетики.