Как устроены электросамолеты будущего

Еще недавно под термином «электросамолет» понимался «более электрический самолет» – летательный аппарат с фиксированным крылом, в котором механическая и гидравлическая трансмиссия по максимуму заменялась электрической. Никаких больше трубок и тросов – всю механическую работу, как, например, приведение в движение рулей и механизацию крыла, выполняют небольшие электродвигатели-актуаторы, к которым подводится электропитание и канал для управляющего сигнала. Теперь термин наполнился новым смыслом: истинный электросамолет должен и сам двигаться на электрической тяге.

Разумеется, перспективы электроавиации зависят не только (и даже не столько) от авиаконструкторов, сколько от прогресса в области электротехники. Ведь самолеты, что называется, «на батарейках», существуют. Вспомогательные электромоторы на планеры ставили еще несколько десятилетий назад. А самолет Extra 330LE, впервые поднявшийся в воздух в 2016 году, уже сам таскает за собой планеры и ставит рекорды скорости. Вот только его блок из 14 мощных литий-ионных батарей и электродвигатель от Siemens позволяют этому крохе брать на борт лишь двух человек, включая пилота, и находиться в воздухе не дольше 20 минут.

Конечно, есть проекты, в которые заложены куда более впечатляющие показатели. В сентябре прошлого года британская авиакомпания-лоукостер EasyJet объявила, что через десять лет выведет на линии полностью электрический региональный лайнер (дальность 540 км, что для внутриевропейских рейсов весьма немало) вместимостью 180 пассажиров. Партнером по проекту стал американский стартап Wright Electric, который уже построил пока двухместный летающий демонстратор. Однако на сегодняшний день энергетическая плотность самых лучших литий-ионных батарей более чем на порядок уступает углеводородному топливу. Предполагается, что к 2030 году батареи улучшат свои показатели максимум в два раза.

Намного выигрышней выглядит ситуация с топливными элементами, в которых химическая энергия топлива превращается в электрическую непосредственно, минуя процесс горения. Наиболее перспективным топливом для такого источника питания считается водород. Эксперименты с топливными элементами в качестве источника питания для электросамолета ведутся в разных странах мира (в России над проектами по созданию таких летательных аппаратов в первую очередь работает ЦИАМ, а топливные элементы для них создаются в ИПХФ РАН под руководством профессора Юрия Добровольского). Из летавших и пилотируемых концептов можно вспомнить европейский демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC – в нем использовались одновременно как электробатареи, так и топливные элементы. Но и эта технология нуждается еще в значительной доработке и дополнительных исследованиях.

Наиболее реальными на сегодня кажутся перспективы электросамолетов, построенных по гибридной схеме. Это означает, что движитель летательного аппарата (винт или винтовентилятор) будет приводиться в движение электромотором, а вот электричество он получит от генератора, вращаемого... газотурбинным двигателем (или другим ДВС). На первый взгляд такая схема кажется странной: от ГТД хотят отказаться в пользу электродвигателя, но не собираются этого делать.

Гибридных проектов в мире тоже уже немало, однако нас в первую очередь интересует Россия. Работы по электросамолету, в частности с гибридной схемой, велись в разных научных институтах авиационного профиля – таких, как ЦАГИ или ЦИАМ. Сегодня эти и некоторые другие учреждения объединены (с 2014 года) под эгидой Научно-исследовательского центра «Институт имени Н. Е. Жуковского», призванного стать единым мощным «мозговым трестом» отрасли. Задача комплексирования в рамках центра всех работ по электроавиации возложена на Сергея Гальперина, которого мы уже цитировали в начале статьи.

«Переход на электродвигатели в авиации открывает немало интересных перспектив, – говорит Сергей Гальперин, – но рассчитывать на создание коммерческого электросамолета с приличной для российских условий дальностью на чисто химических источниках энергии (батареях или топливных элементах) в ближайшем будущем не приходится: слишком разнится энергетический потенциал килограмма керосина и килограмма аккумуляторов. Гибридная схема могла бы стать разумным компромиссом. Надо понимать, что ГТД, непосредственно создающий тягу, и ГТД, который будет приводить в движение вал генератора, – это совсем не одно и то же.

Дело в том, что у самолета в ходе полета значительно изменяются энергетические потребности. На взлете авиационный двигатель развивает мощность, близкую к максимальной, а при движении на крейсерском участке (то есть большую часть полета) энергопотребление самолета снижается в 5–6 раз. Таким образом, традиционная силовая установка должна уметь работать в широком диапазоне режимов (не всегда оптимальных с точки зрения экономики) и быстро переходить от одного к другому. Ничего подобного не потребуется от ГТД в гибридной установке. Он будет подобен газовым турбинам электростанций, которые работают всегда в одном и том же, самом экономически выгодном режиме. Работают годами, без остановки».

С помощью генератора ГТД сможет вырабатывать энергию для непосредственного питания электродвигателей, а также для создания запаса в аккумуляторах. Помощь аккумуляторов понадобится как раз на взлете. Но поскольку работа электромоторов на взлетном режиме продлится всего несколько минут, запас энергии не должен быть очень большим и батареи на борту могут быть вполне приемлемыми по размеру и весу. У ГТД при этом никакого взлетного режима не будет – его дело спокойно вырабатывать электричество. Таким образом, в отличие от авиадвигателя ГТД в гибридном электросамолете будет менее мощным, более надежным и экологичным, проще по конструкции, а значит, дешевле и, наконец, будет обладать большим ресурсом.

При этом переход на электродвигатели открывает перспективы принципиальных новшеств в конструкции гражданских самолетов будущего. Одна из наиболее обсуждаемых тем – создание распределенных силовых установок. Сегодня классическая схема компоновки лайнера предполагает две точки приложения тяги, то есть два, редко четыре, мощных двигателя, висящих на пилонах под крылом. В электросамолетах рассматривается схема размещения большого числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Зачем это нужно?

Дело опять же в разнице взлетного и крейсерского режимов. На взлете при малой скорости набегающего потока летательному аппарату для создания подъемной силы необходимо крыло большой площади. На крейсерской скорости широкое крыло мешает, создавая избыточную подъемную силу. Проблема решается за счет сложной механизации – выдвижных закрылков и предкрылков. Самолеты меньшего размера, взлетающие с небольших аэродромов и имеющие для этого большие крылья, вынуждены идти на крейсерском участке с неоптимальным углом атаки, что приводит к дополнительному расходу топлива.

Но, если на взлете множество электромоторов, соединенных с винтами, будут дополнительно обдувать крыло, его не придется делать слишком широким. Самолет взлетит с коротким разбегом, а на крейсерском участке узкое крыло не создаст проблем. Машину будут тянуть вперед винты, вращаемые маршевыми электродвигателями, а пропеллеры вдоль крыла на этом этапе будут сложены или убраны до посадки.

В качестве примера можно привести проект NASA – X-57 Maxwell. Концепт-демонстратор оснащен 14 электромоторами, размещенными вдоль крыла и на законцовках консолей. Все они работают только во время взлета и посадки. На крейсерском участке задействованы только двигатели на концах крыла. Такое размещение моторов позволяет снизить негативное влияние вихрей, возникающих в этих местах. С другой стороны, силовая установка получается сложной, а значит, ее дороже обслуживать и вероятность отказов тоже выше. В общем, ученым и конструкторам есть над чем подумать.

«Электрический самолет предоставляет множество возможностей для оптимизации, – говорит Сергей Гальперин. – Можно экспериментировать, например, с комбинированием тянущего и толкающего винтов. Электродвигатели гораздо выигрышней по сравнению с ГТД в конвертопланах, так как безопасный поворот электромотора в горизонтальное положение не представляет такой сложной инженерной проблемы, как в случае с традиционными двигателями. В электросамолете можно обеспечить полную интеграцию всех систем, создать новую систему управления. Даже гибридные машины будут производить меньше шума и вредных выбросов».

Как и аккумуляторы, электромоторы по мере увеличения мощности наращивают массу, объем и тепловыделение. Требуются новые технологии, которые сделали бы их более мощными и легкими. Для отечественных разработчиков гибридных силовых установок настоящим прорывом стало сотрудничество с российской компанией «СуперОкс» – одним из пяти крупнейших в мире поставщиков материалов со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Сейчас «СуперОкс» разрабатывает электродвигатели со статором из сверхпроводящих материалов (охлаждаемых жидким азотом). Эти моторы с хорошими для авиации характеристиками станут основой гибридной силовой установки для регионального самолета, который, возможно, поднимется в небо в середине будущего десятилетия. В этом году на авиасалоне «МАКС» специалистами ЦИАМ был представлен демонстратор такой установки мощностью 10 кВт. Планируемый самолет будет оснащен гибридной силовой установкой с двумя двигателями мощностью 500 кВт каждый.

«Прежде чем говорить о гибридном электросамолете, – рассказывает Гальперин, – необходимо испытать нашу установку на земле, а затем в летающей лаборатории. Мы надеемся, что это будет Як-40. В нос машины вместо радара мы сможем поставить 500-киловаттный ВТСП-электродвигатель. В хвост вместо центрального двигателя установим турбогенератор. Двух оставшихся двигателей "Яка" будет вполне достаточно, чтобы испытать наше детище в большом диапазоне высот (до 8000 м) и скоростей (до 500 км/ч). И даже если гибридная установка откажет, самолет спокойно сможет завершить полет и приземлиться». Лаборатория-демонстратор по плану будет оборудована в 2019 году. Цикл испытаний предварительно назначен на 2020 год.

Электрическая и гибридная тяга занимает значительное место в планах крупнейших мировых авиапроизводителей. Вот так выглядят основные черты пассажирской авиации середины нынешнего века согласно программе Smarter Skies компании AIRBUS.

«Зеленый» полет

Самолеты будущего сконструируют таким образом, чтобы максимально уменьшить углеводородный след в атмосфере. Распространение получат газотурбинные двигатели на водороде, гибридные схемы и полностью электрические самолеты на батареях. Предполагается, что батареи будут подзаряжаться от экологически чистых источников электричества. Возможно появление в районе аэродромов крупных ветропарков или солнечных электростанций.

Свобода в небе

Интеллектуальные лайнеры будут самостоятельно прокладывать маршруты исходя из параметров экологичности и топливной эффективности на основе анализа данных о погоде и состоянии атмосферы. Также они смогут собираться в формации наподобие птичьих стай, что позволит снизить лобовое сопротивление для отдельных входящих в формацию ЛА и уменьшить энергозатраты на полет.

Скорее от земли

Новые силовые установки и аэродинамика лайнеров позволят им взлетать по максимально возможной крутой траектории, чтобы уменьшить шум в районе аэропортов и как можно скорее достичь крейсерского эшелона, где самолет демонстрирует оптимальные экономические характеристики.

Посадка без двигателя

Самолеты будущего смогут заходить на посадку в планирующем режиме. Это сэкономит топливо, уменьшит уровень шума в районе аэропортов. Также снизится посадочная скорость. Это позволит сократить длину взлетно-посадочных полос.

Никакого выхлопа

Аэропорты будущего полностью откажутся от ДВС, сжигающих топливо. Для руления лайнеры будут оснащены электрическими мотор-колесами. Как альтернатива – скоростные беспилотные электротягачи, которые смогут быстро доставлять самолеты от перрона к ВПП и наоборот.