Электросамолёты — вперёд в будущее

Почти сто пятьдесят лет человечество пользуется электричеством, но только в последние годы вплотную приблизилось к созданию самолета полностью на электрической тяге. После создания электромобиля, который уже может серьезно конкурировать с машинами на базе двигателей внутреннего сгорания, это одна из главных задач конструкторов современности.

Двигатель на углеводородном топливе близок к исчерпанию своего ресурса. Даже современные газотурбинные моторы, приводящие в движения громадные лайнеры, уже достигли потолка возможностей. Конструктивные решения самолетов, базирующиеся на их использовании, тоже не имеют больших перспектив. Все уже реализовано в металле, и дальнейших радикальных новшеств ожидать не приходится.

Смотрящие в будущее инженеры видят развитие авиатехники только в применении электротяги. Применение двигателей нового типа обещает дать импульс и новым решениям в аэродинамике и компоновке летательных аппаратов, как пассажирских, так и грузовых и военных. Переход на электрическую тягу должен полностью изменить конфигурацию самолета и стать новым качественным этапом развития авиации.

Как было раньше

До появления компактных и емких аккумуляторов, усовершенствование самолетов в плане электрификации двигалось в одном направлении — все механические и гидравлические двигатели по возможности заменялись электрическими. Сигналы от датчиков положения передавались на исполнительные электромоторы и рули, шасси, закрылки и другие механизмы приводились в движение, поворачиваясь на определенный угол.

Инкрементальные декодеры и другие устройства контролировали угол поворота до сотых долей градуса. Это позволило усовершенствовать управление и облегчить эксплуатацию самолета при выполнении всех задач, от погрузки багажа, до взлета, посадки и полета в любых условиях. Но такие самолеты электрическими назвать сложно, это максимально электрифицированные самолеты на ДВС, пусть и последнего поколения. В плане решения задачи создания полностью электрического самолета это, если не тупиковая, то боковая ветвь.

Конечно, все наработки в сфере управления полетом и обеспечения его безопасности будут сохранены, десятилетия исследований и разработок не прошли даром. Но в сфере силовых установок и принципиальной концепции электросамолета все еще продолжаются поиски.

Направления развития электроосамолетов

Главная задача конструкторов — создание полностью электрического аппарата, который движется под действием электродвигателей, управляется электричеством и запас энергии скрыт только в батареях.

Один из примеров перспективных конструкций — Extra 330LE. Это машина весом в одну тонну, оснащенная аккумуляторами литий-ионного типа, собранных в батарею из 14 секций. Запас энергии пока обеспечивает взлет, посадку и полет в течение 20 минут (от старта до остановки). Аккумуляторы и двигатель Siemens позволяют не только поднять в воздух аппарат с двумя членами экипажа, но и буксировать планер до стартовой скорости. Некоторое несовершенство самолета объясняется тем, что Extra 330LE создан еще в 2016 году и использует существующие на тот период технологии. В наше время они несколько устарели, но наработки конструкторов вполне успешные и будут активно использоваться.

Технические особенности Extra 330LE

Самолет на полной электрической тяге взлетел 4 июля 2016 года. Необходимо отметить, что двигатель Siemens вести всего 50 кг (5% от веса машины) обеспечивает не только взлетное и полетное усилие, но и динамический запас скорости. Это позволяет увидеть перспективу, по крайней мере, инженеры Siemens утверждают, что к 2030 году вполне реально создать коммерческие магистральные самолеты на базе электротяги. Пока расчеты конструкторов касаются пассажирских самолетов на 100 пассажиров и дальности полета до 1000 км.

Более многообещающие разработки инженеров компании EasyJet (Великобритания). Они представили свой самолет в прошлом году. Концептуальная конструкция направлена на создание машины, способной перевезти до 180 пассажиров на расстояние до 600 км. Для европейских расстояний, где в настоящее время работают достаточно затратные лоукостеры, это очень полезная разработка.

Энергетическую установку и общую концепцию электролета помогает разработать американская компания Wright Electric. Пока камень преткновения — емкость аккумуляторов. Литий-ионные отстают по энергонасыщенности от двигателей на углеводородах почти на порядок. Но последние разработки американских инженеров позволяют утверждать, что к 2000 году разрыв сократится вдвое.

Решение проблемы запаса энергии

Аккумуляторы на базе использования энергии физико-химических процессов не ограничиваются литий-ионными конструкциями. Одно из перспективных направлений — использование водорода, как источника электричества без сжигания. Такие исследования ведутся во многих странах мира, в России, например, в ЦИАМ, и ИПХФ РАН под научным руководством профессора Юрия Добровольского. Как пример условно-удачной разработки, использующей одновременно аккумуляторы и топливные элементы на базе водорода можно привести ENFICA-FC Rapid 200FC — успешно взлетевший самолет европейской разработки. Хотя далее демонстрационных полетов модель пока не продвинулась, как и во многих отраслях техники, определила основные пути развития, исключив явно тупиковые.

Пока еще не разработаны достаточно надежные аккумуляторы, обеспечивающие требуемую емкость и длительность поддержания заряда в процессе работы двигателя. Если это произойдет в ближайшее время — развитие авиации ждет стремительный прыжок вперед. Но пока эмоции конструкторов достаточно сдержаны. В наличии — мощные компактные двигатели, проверенные схемы электроуправления и практическое отсутствие надежных источников питания.

Решение, как и в большинстве случаев, выработано половинчатое — использование ДВС, в частности турбодвигателей на углеводородах, как источника электроэнергии, и электромоторов, как основных движителей. От винта и турбин пока решено не отказываться. Пока нет других способов, кроме реактивной тяги, привести самолет в движение в воздушной среде.

Такой подход оправдал себя при создании тяжелых карьерных грузовиков. Возможно, успех ждет его и в авиастроении. Разработки в этом направлении ведутся во многих странах мира, в том числе и в России. В структуре ЦАГИ и ЦИАМ созданы рабочие группы, которые координирует Сергей Гальперин (Институт имени Н. Е. Жуковского). В своем видении перспектив развития электроавиации, он исходит из реалий расстояний и потребностей России.

Нужны самолеты, которые способны преодолевать несколько тысяч километров расстояния при загрузке не менее 150 – 200 пассажиров. Близкие и средние маршруты могут вскоре перекрываться машинами на аккумуляторах и топливных элементах, но дальние путешествия — за гибридными машинами. Энергетический потенциал аккумуляторов и ДВС пока несопоставим. Но использование газотурбинных моторов в качестве приводов генераторов для электродвигателей — вполне реально. Это позволит не только сэкономить топливо, но и реализовать на практике много преимуществ электрической тяги.

Суть проблемы состоит в том, что нагрузка на двигатели отличается в разных режимах полета. При взлете, маневрировании и посадке она максимальна, при прямолинейном полете на дальне расстояния — минимальна. Разница в пиковых нагрузках может составлять до 90%. ГТД в таком режиме работают недолго и нуждаются в регулярной профилактике и ремонте, что увеличивает финансовую нагрузку на эксплуатацию машины.

В режиме электростанции ГТД работает в стабильном режима, продлевающим ресурс на порядок и сокращающий потребление горючего в несколько раз. Динамика электродвигателей дает возможность сохранить и улучшить летные характеристики любого самолета, как существующих, так и перспективных конструкций.

Удачные конструкции гибридных самолетов

Ce-liner — одна из лучших на сегодня машин такого класса. Создана пока еще в режиме концептуальной конструкции машина способна будет пролететь до 1300 км без дозаправки. Инженеры Bauhaus Luftfahrt (исследовательского института из Германии) намереваются запустить аппарат в полет уже в 2030 году, а к 2040-му году довести дальность полета до 3000 км. Сроки не такие уж и маленькие, но речь идет о совершенно новой конструкции. Практика показывает, что жизнеспособность даже наземных машин приходится доводить на протяжении десятилетий.

Суть конструктивного решения состоит в том, что аккумуляторы используются по максимуму только на этапе взлета и динамических маневров. В остальное время электродвигатели работают от генератора, сопряженного с газотурбинной установкой. Это позволяет резко уменьшить массу батарей (а, значит, и самолета в целом) и нивелировать пиковые нагрузки на ГТД. В результате получается двойной выигрыш.

Новая конфигурация крыла

Использование относительно легких и энерговооруженных электродвигателей позволяет изменить традиционную конфигурацию крыла. Суть задачи состоит в том, что для взлета и посадки требуется большая площадь крыла, определяющая значительную подъемную силу. В процессе крейсерского полета подъемная сила и сопротивление крыла становятся избыточными, что приводит к чрезмерному росту сопротивления. Это вызывает перерасход горючего и значительные нагрузки на фюзеляж и двигатели.

В серийных моделях задача изменения площади крыла на разных этапах полета решается различными путями, от создания крыла изменяемой стреловидности в истребителях и некоторых бомбардировщиках, до сложно системы закрылков и предкрылков и интерцепторов на гражданских и воднотранспортных самолетах. В концепции электросамолета NASA — X-57 Maxwell эти вопросы решаются путем монтажа дополнительных двигателей, вектор тяги которых направлен исключительно на обдув крыла.

Включаясь на этапе взлета, они создают дополнительную подъемную силу, затем отключаются и самолет летит только на маршевых моторах. В случае необходимости в увеличении несущих способностей крыла, моторы запускаются дополнительно. В отличие от ДВС, электродвигатели мгновенно выходят на рабочий режим, что является дополнительным плюсом в плане управляемости самолетом.

На этапе современного состояния конструкции существует рад проблем с управляемостью такой сложной системы. Но конструкторы уверяют, что схема вполне работоспособна и в скором времени самолет поднимется в небо.

В существующей конструкции X-57 Maxwell предусмотрено 14 двигателей, из которых 12 работает только режиме взлета и посадки. Это позволит сэкономить значительное количество энергии, независимо от того, будут они запитаны на аккумуляторы или газотурбинную установку. Рассматриваются варианты с тянущими и толкающими винтами, разной геометрией их расположения, мощностью и весом. Учитывая режим энергопотребления и уровень тепловыделения, прорабатываются варианты с двигателями разной мощности.

Один из вариантов решения представлен российской компанией «СуперОкс». В конструкции их двигателей используются сверхпроводящие материалы, допускающие значительное снижение массы мотора при сохранении и увеличении мощности. Реальный прототип представлен на авиасалоне «МАКС». Мощность демонстрационного образца составляет 10 кВт. Реальный авиационный гибридный двигатель будет вырабатывать до 500 кВт.

Первые испытания двигателя на самолете будут выполнены на реально летающей модели Як 40. Испытания планируется производить на высотах до 8 км и скоростях до 500 км/ч. Реальные испытания назначены на 2020 год.

Также рассматриваются другие методы снижения расходов на топливо, при использовании ДВС. Это установка подруливающих электромоторов, исключающих использование основных двигателей при подготовке к полету и заруливании на стоянку. Интеллектуальные системы управления позволят сократить время взлета, вырабатывая оптимальную траекторию, позволят производить посадку в режиме планера. Эти и другие новшества позволяют максимально быстро перейти к полетам на полностью электрических самолетах.