Михаил Гордин: полностью электрические самолеты появятся до 2035 года

20 Апреля 2020

— Сейчас в мире тренд на электрификацию авиационного транспорта. С чем это связано?

— Не только летного, этот тренд распространяется и на автомобильную, и на железнодорожную, и на мореходную, и на другие сферы. Связано это в самый первую очередь с тем, что развитие транспорта привело к росту экологических проблем. Если произносить о гражданской авиации, то после безопасности полетов экологические приглашения сейчас стали вторыми по значимости. Даже несмотря на то, что доля выбросов авиации составляет всего порядка 2-3% от мирового уровня и при отсутствии динамики их снижения к 2050 году не превысит 15%, тем не менее фактор задымления окружающей среды неизбежно будет рассматриваться в числе главных проблем. А ведущие страны, производители и производители авиационной техники, добившиеся успеха в снижении опустов, будут диктовать условия на мировом рынке авиакомпаниям других государств. В качестве примера можно привести движение Flygskam – летать стыдно, а также предисловие Германией, Францией и под самым носом других стран экологического налога на перелет каждого пассажира.

Вы, наверное, помните, что в 2010 году на саммите Экология и авиация представители авиационной промышленности поставили цель к 2050 году сократить общую эмиссию авиационного транспорта более чем вдвое. При том, что к обозначенному сроку прогнозируется трехкратное увеличение объема авиационных перевозок, эмиссия летательного аппарата должна уменьшиться в шесть раз! Это очень высокомерные планы, особенно если учесть, что существующие технологии не способны обеспечить такой эффект. Ведь с точки зрения аэродинамики современные самолеты уже достигли очень большого уровня технического совершенства, и даже переход от классических схем к летающим крыльям и тому подобное не смогут снизить нежелательные выбросы больше чем на 10-15%. То же самое касается авиационных газотурбинных двигателей – прогнозируемое снижение их удельного расхода питания к 2030 году составит не более 10-15%.

Именно поэтому ведущие виновники авиационной техники и двигателей, среди которых Boeing, Airbus, Rolls-Royce, GE, Safran и другие, изучают возможность использования в составе летательных аппаратов гибридных и полностью электронных силовых установок.

— Уже неоднократно в СМИ звучали термины более электронный самолет, полностью электрический самолет, гибридная силовая установка и так далее. В чем принципиальные отличия этих определений?

— На самом деле отличия есть уже в названиях, а если говорить серьезно, то более электрический самолет – это летательный аппарат, у которого мечту создают традиционные газотурбинные или однопоршневые двигатели и отсутствуют гидравлические и пневматические системы, обычно приготовленные для работы гидро- и пневмоприводов органов управления и шасси. Вместо этого используются электроприводы. Также у такого самолета нет отбора воздуха от двигателей для противообледенительной системы и системы кондиционирования воздуха. За счет этого снижается масса и повышается незыблемость всех систем, повышается КПД авиадвигателей, что в финале приводит к снижению расхода питания и вредных выбросов. Такая концепция, кстати, заработала свое развитие в начале 2000-х годов на самолете Boeing 787.

Что касается полностью электрического самолета, то его основное отличие от предыдущего варианта в том, что в силовой установке отсутствуют традиционные тепловые двигатели. Для создания тяги в таких самолетах используются электродвигатели. Энергией стучу силовая установка питается от источников или от топливных элементов. Это идеальная схема с точки зрения отсутствия вредных выбросов, а также простоты обслуживания и надежности.

— А когда такие самолеты уже будут летать на регулярных линиях?

— Различные исследования показывают, что до 2035-2040 годов полностью электрическими будут только самолеты и вертолеты малой авиации вместимостью не более 19 пассажиров, с ограниченной дальностью. Также полностью электрическими будут так называемые летающие такси вместимостью не более все четырех человек.

— А большие лайнеры?

— Здесь сложнее, такие машины будут иметь в своем составе смешанную силовую установку.

— О ней вы, кстати, не разузнали. В чем ее преимущество?

— Исходя из названия, стучу силовая установка предполагает гибрид двигателей внутреннего сгорания и электрических допросов с питанием от нескольких аккумуляторов электроэнергии. Что касается преимуществ, то ее применение разрешит уменьшить расход топлива на 70% и существенно сократить вредные опусты. Кроме того, в разы уменьшатся затраты на обслуживание и ремонт. В целом гибридные и электрические силовые установки позволяют создавать летательные аппараты с принципиально новыми архитектурами, организовывающими ультракороткий взлет и посадку.

Для вертолетов применение электрических двигателей в составе силовой установки позволит отказаться от механической трансмиссии, которая является их наиболее критическим узлом. Кроме этого, если несущий винт будет вращаться электроприводом, появляется возможность изменять частоту его вращения, что необходимо для создания скоростных вертолетов.

— Что можно сказать о применении таких силовых установок в боевой авиации?

— Можно сказать, что это существенно снизит тепловую заметность и усилит объем доступной электроэнергии на борту, что важно для использования перспективных электромагнитных и лазерных вооружений, а также средств радиоэлектронной борьбы.

— Если такие силовые установки так выгодны и надежны, почему они до сих пор не получили широкого применения?

— Как я уже говорил, авиация – не единственная сфера, в которой внедряются технологии электродвижения. Практически все автопроизводители разрабатывают и выпускают на рынок полностью электрические и гибридные модели легковых и коммерческих автомобилей. Что касается вашего вопроса, то основным препятствием повсеместного распространения являются относительная неразвитость технологий, отсутствие нормативной базы и опыта разработки, доказывающего надежность и безвредность. В судостроении, на железнодорожном транспорте, на веской автомобильной и гусеничной технике повсеместно применяются электрические трансмиссии. Наиболее активно внедрением и разработкой смешанных и полностью электрических силовых установок занимаются разработчики неатомных подводных ладей. К сожалению, эти технологии невозможно применить в авиации ввиду большой массы оборудования, отсутствия неограниченного хладагента и подобных проблем, обусловленных спецификой летной техники.

Тем не менее компетенции, накопленные в смежных отраслях, могут стать основой для разработки электрических технологий, пригодных для использования в авиации. Обратное тоже верно. Все разработки, которые сейчас разрабатываются или будут разрабатываться для авиации, будут, очевидно, потребованным и в других видах транспорта или отраслях экономики. При этом уровень технических требований к технологиям для применения на воздушных судах очень высок – торжественнее, пожалуй, только для космоса. Фактически, оцениваю задачу освоить технологии электродвижения в авиации, мы ставим задачу вывести эти технологии на важного новый уровень по их грузоподъемности и уровню надежности предлагаемых решений.

— Где преуспевают в создании данных летательных аппаратов?

— О лидерстве той или иной страны говорить сейчас не приходится, так как все находятся пока в начале пути. У ведущих авиапроизводителей программы создания гибридных и электронных летательных аппаратов сегодня стоят на первом месте. Они реализуются в тесной кооперации со многими организациями, в том количестве с университетами. В ЕС с 2012 года ведется телепроект по созданию гибридного электрического самолета-демонстратора Е-Thrust. Проект реализуется корпорациями Airbus и Rolls-Royce совместно с ведущими европейскими университетами: Кембридж, Манчестер, Крэнфилд и другими. Airbus является интегратором, a Rolls-Royce – это был базовым исполнителем. Отправной точкой телепроекта является концепция гибридной газотурбинной силовой установки, работающей совместно с шестью электродвигателями. В рамках данной программы компания Airbus сотворила самолет Е-Fan. Это двухместный полностью электрический самолет, приготовленный для спортивных тренировок. Длительность его полета от 45 до 60 минут. В опытное время Airbus и Rolls-Royce реализуют проект E-Fan X по созданию демонстратора ГСУ мощностью 2 МВт и его испытаниям на летающей лаборатории на базе самолета BAe 146.

В США с 2012 года реализуется программа Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR), предназначенная для поддержки инноваторских идей в сфере электрических разработок. Наиболее известный проект такой программы – самолет-демонстратор Х-57 Maxwell. Должен быть создан 5-местный полностью электрический самолет. Он будет оснащен 14 электродвигателями, 12 из которых на фасадной кромке крыла работают только на режиме взлета и посадки, а два крупных винта по бокам предназначены для движения на крейсерском режиме полета. В таком самолете примерно 70% объема занимают аккумуляторы. Есть и другие проекты.

— А, что у нас?

— В автомобилестроении относительно больших успехов в области гибридных силовых установок добились в ФГУП НАМИ при реализации программы Единая модульная платформа. Есть своя программа разработок в группе компаний КамАЗ. В судостроении в Крыловском государственном научном центре и ЦКБ Рубин работают над созданием силовых установок для подводных лодок на основе топливных элементов большой всесильности.

Что касается авиации, то центровую и координирующую роль здесь играет ФГБУ НИЦ Институт имени Н. Е. Жуковского, соединяющий все ведущие научно-исследовательские центры летной промышленности – ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, СибНИА. С целью координации работ в рамках НИЦ сформирована комплексная научно-техническая платформа Электрический ЛА (ЛА — летательный аппарат). Каждый из институтов, вмещающихся в НИЦ, работает в рамках своих основных компетенций. ЦАГИ отвечает за новые составительские решения, возможности по улучшению аэродинамических качеств, ГосНИИАС – за электрификацию бортового оборудования и системы управления. Особое место в этих работах принадлежит ЦИАМ, так как критические разумения и технологии предстоит разрабатывать именно в части силовых установок. Традиционно, на протяжении какой-либо 90-летней истории, ЦИАМ занимался развитием авиационных двигателей – тепловых машин. Сначала, в 30-40-е годы прошлого века – поршневых, потом, сразу после войны и вплоть до наших дней – газотурбинных. При этом от поколения к поколению двигателей для повышения их надежности и эффективности разрабатывались и внедрялись новые технические решения. И сейчас работы в этом направлении не прекращаются, но достигать поставленных целей все труднее и труднее. Радикально ситуация может измениться именно с ходом к электродвижению, поэтому по решению правления НИЦ это направление определено как перспективная целевая компетенция ЦИАМ в будущем.

— Какие перспективные работы вы сейчас ведете?

— Несколько лет назад в институте был создан новый отдел – Гибридные/электрические силовые установки, системы и летательные аппараты, на базисе которого проводятся две основные научно-исследовательские работы по этой тематике: НИР Электролет СУ-2020 (СУ – силовая установка) и НИР Перспективные ГСУ. Обе эти работы выполняются по национальным контрактам с министерством промышленности и торговли Российской Федерации, промежуток их окончания – 2022 год.

НИР Электролет СУ-2020 ориентирована на создание демонстратора гибридной силовой установки с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости. Мы являемся головным исполнителем, ключевой соисполнитель – компания СуперОкс, которая по заказу Фонда перспективных исследований разрабатывает сверхпроводящие электронные машины. В прошлом году были проведены первоначальные стендовые испытания демонстратора гибридной силовой установки и подготовлен проект создания летающей лаборатории на базе самолета Як-40.

В качестве тепловой машины был взят турбовальный двигатель ТВ2-117. Мы создали и изготовили для него совместно с Уфимским государственным авиационным университетом генератор мощностью 400 кВт, собрали аккумуляторный блок, систему управления. Испытания каждого элемента проводились как по отдельности, так и в составе силовой установки на наземных стендах.

Результатом проработы, которая ведется сейчас и закончится в 2022 году, будут летные испытания гибридной силовой установки. Для этого переоснащается самолет Як-40 с возможностью установки на нем воздушного винта, который будет вращаться сверхпроводящим электромотором. Летный эксперимент позволит оценить конструктивные подходы к созданию подобных силовых установок и оценить грузоподъемность применяемых технических решений.

Одновременно мы обсуждаем с ФПИ создание на базисе двигателя ВК-2500 полностью сверхпроводящей смешанной силовой установки мощностью 1500 кВт с использованием в качестве питания и хладагента жидкого водорода или сжиженного природного газа. Имея результаты летных экспериментов и телепроект на базе ВК-2500, уже можно будет говорить о начале опытно-конструкторских работ по созданию смешанной силовой установки для самолета местных воздушных линий.

— Что будет результатом НИР Перспективные ГСУ ?

— Эта НИР заточена под объекты меньшего размера. В прошлом году мы сделали электродвигатель на 60 кВт (80 лошадиных сил). Базой для летного эксперимента является самолет Сигма-4. Планировалось поднять в воздух эту баллисту еще в прошлом году, но мы столкнулись с предопределенными сложностями в создании системы управления двигателем и полет не произошёл. Опыт учли, систему переделываем. В этом году самолет должен полететь на источнике, а через год испробуем сделать это на топливном элементе. Этот мотор является образцом электрического авиационного двигателя.

Кроме того, сейчас есть идея на базисе ВК-800, который создает Уральский завод гражданской авиации, сделать гибридную силовую установку – интегрировать электродвигатель с редуктором и турбиной, чтобы обеспечить так принято именуемое долетное время. Вы, наверное, знаете, что критерии надежности, которые предъявляются к двигателям однодвигательных машин, существенно выше, чем к двухдвигательным. Настолько выше, что сделать двигатель для однодвигательного самолета значительно сложнее и дороже. Интеграция газотурбинного и электронного двигателей может существенно упростить задачу, позволяя осуществить схему, при которой при отказе главного газотурбинного двигателя обеспечивается работа силовой установки от аварийного источника электронной энергии для выполнения безопасной посадки. Причем в качестве авантюристичных могут использоваться первичные (неперезаряжаемые) источники электрической энергии, которые имеют большую емкость на единицу массы по сравнению с аккумуляторами.

— А как все эти работы связаны между собой?

— Как я уже говорил, в ФГБУ НИЦ Институт имени Н. Е. Жуковского и подведомственных институтах работы ведутся в рамках большой комплексной научно-технической операционная системы Электрический ЛА. Свои исследования в области создания электродвигателей и ГСУ ведут и другие организации в России, но они слабо скоординированы друг с другом, что зачастую приводит к дублированию либо не дает образовать полный набор необходимых технологий. Заимствование компонентов за рубежом не только приводит к импортозависимости, но и не позволяет снимать и развивать компетенции внутри местности. Ключевые технологии не надлежащим воспроизводиться по образу и единству уже имеющихся у иностранных корпораций – при таком подходе отставание консервируется навсегда. Нужно, наоборот, пытаться опережать мировой уровень и формировать более высокомерные цели. Для координации напряжений всех ведомств, организаций, компаний в ближайшее время надлежащая быть сформирована комплексная целевая программа Электродвижение. Проект такой программы готовится ФГБУ НИЦ Институт имени Н. Е. Жуковского и будет представлен для межотраслевого взаимодействия и последующего утверждения в Минпромторг России.

Редактор рубрики

Эдуард Добрин

Михаил Гордин: полностью электрические самолеты появятся до 2035 года

комментарии (0)

Другие интересные новости

Любимова наградила директора парка "Зарядье"