Горе на електричество: електрически самолети на бъдещето

Модерният газотурбинен (турбофан) двигател, който задвижва лайнерите, разбира се, не е двутактова дрънкалка за градински инструменти, а високоефективна и много надеждна машина. Според производителите на самолети обаче е близо до изчерпване на резервите за по-нататъшно усъвършенстване. Какви двигатели има там - всички авиолинии, които се строят в момента, са толкова сходни помежду си, че само ценител на авиацията веднага ще разграничи Boeing или Airbus от Bombardier или MC-21. И въпреки че няма и най-малкото съмнение, че модерните лайнери с два газотурбинни двигателя под крилата ще ни търкалят през небето от десетилетия, има големи надежди за ново оформление и нова аеродинамика на самолета с електрическо движение.

Бързо, но кратко

Съвсем наскоро терминът „електрически самолет“ се разбираше като „по-електрически самолет“ - самолет с неподвижно крило, в който механичната и хидравличната трансмисия е заменена максимално с електрическа. Повече няма тръби и кабели - цялата механична работа, като задвижване на кормилото и механизация на крилата, се извършва от малки двигатели на задвижването, които се доставят с мощност и канал за контролния сигнал. Сега терминът е изпълнен с ново значение: истински електрически самолет трябва сам да се движи с електрическо сцепление.

Блок от 14 литиево-йонни батерии позволява на Extra 330LE (тегло около 1 тон) да остане във въздуха за около 20 минути.

Разбира се, перспективите за електрическа авиация зависят не само (и дори не толкова) от конструкторите на самолети, но и от напредъка в областта на електротехниката. В крайна сметка самолетите, както се казва, "на батерии" съществуват. Преди няколко десетилетия бяха инсталирани спомагателни електрически двигатели на планери. А Extra 330LE, който за пръв път излетя през 2016 г., вече носи планери и поставя рекорди за скорост. Точно неговият блок от 14 мощни литиево-йонни батерии и електрически мотор от Siemens позволяват на тези трохи да вземат на борда само двама души, включително и пилота, и да останат във въздуха не повече от 20 минути.

Extra 330LE Един от истинските летящи електрически самолети в света. За първи път излетя на 4 юли 2016 г. Единственият му 50-килограмов двигател от Siemens е с мощност 260 кВт. Siemens очаква, че до 2030 г. появата на регионални самолети е реална, превозвайки 100 пътници на разстояние до 1000 км, напълно електрически.

Разбира се, има проекти, които съдържат много по-впечатляващи показатели. През септември миналата година британската авиокомпания нискотарифна авиокомпания EasyJet обяви, че след десет години ще пусне изцяло електрически регионален лайнер (с обхват от 540 км, което е доста за вътрешноевропейски полети) с капацитет 180 пътници. Американски стартиращ компания Райт Електрик, който вече е построил двуместен летящ демонстратор, стана партньор на проекта. Към днешна дата обаче енергийната плътност на най-добрите литиево-йонни батерии е повече от порядък по-ниска от въглеводородното гориво. Смята се, че до 2030 г. батериите ще подобрят работата си с фактор два.

Патриарх на малката авиация: Ан-2 "царевица"

Турбина, остани!

Ситуацията с горивните клетки, при която химическата енергия на горивото се преобразува директно в електрическа енергия, заобикаляйки процеса на горене, изглежда много по-изгодна. Най-обещаващото гориво за такъв източник на енергия е водородът. Експерименти с горивни клетки като източник на енергия за електрически самолет се провеждат в различни страни по света (в Русия ЦИАМ работи предимно по проекти за създаване на такива самолети, а горивните клетки за тях се създават в Института по химическа физика под ръководството на проф. Юрий Доброволски). От летящите и пилотирани концепции можем да си припомним европейския демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC - той използва едновременно електрически батерии и горивни клетки. Но тази технология също се нуждае от значително усъвършенстване и допълнителни изследвания.

Най-реалистичните днес изглеждат перспективите за електрически самолети, изградени по хибридна схема. Това означава, че задвижващото устройство на въздухоплавателното средство (витло или витлов вентилатор) ще се задвижва от електродвигател, но то ще получава електричество от генератор, въртян от ... газотурбинен двигател (или друг двигател с вътрешно горене). На пръв поглед подобна схема изглежда странна: те искат да изоставят газовия турбинен двигател в полза на електродвигател, но не смятат да го правят.

В света вече има много хибридни проекти, но ние се интересуваме преди всичко от Русия. Работата на електрическия самолет, по-специално с хибридна верига, се провеждаше в различни научни институти в областта на авиацията, като ЦАГИ или ЦИАМ. Днес тези и някои други институции са обединени (от 2014 г.) под егидата на Научноизследователския център „Институт на Н. Е. Жуковски“, създаден да се превърне в едно мощно „мозъчно доверие“ на индустрията. Задачата за интегриране в рамките на центъра на цялата работа по електрическата авиация беше поверена на Сергей Халперин, когото вече цитирахме в началото на статията.

Скица на една от опциите за руски регионален самолет с хибридна електроцентрала (GTE - електрически генератор - електромотор)

1. Спомагателна централа за горивни клетки
  • Водородни горивни клетки
  • Турбокомпресор с висока надморска височина
2. газов двигател с турбовален вал
  • За да завъртите генератора
  • Спомагателно или основно захранване
3. Генератор на мощност
  • Въз основа на високотемпературната свръхпроводимост при мощност над 500-800 kW
4. Система за предаване на мощност
  • Въз основа на свръхпроводимост на висока температура или кабел с течно охлаждане
5. Акумулаторни батерии
  • Енергиен буфер
  • Спомагателно или основно снабдяване с енергия
6. Електрически мотор
  • Въз основа на високотемпературната свръхпроводимост при мощност над 500-800 kW

Изваждане на батерията

„Преходът към електродвигатели в авиацията отваря много интересни перспективи“, казва Сергей Халперин, „но в близко бъдеще няма причина да разчитаме на създаването на търговски електрически самолет с обхват, приличен за руските условия за чисто химически източници на енергия (батерии или горивни клетки): енергийният потенциал е твърде различен килограм керосин и килограм батерии. Хибридната схема може да бъде разумен компромис. Трябва да се разбере, че газотурбинният двигател, който директно генерира сцепление, и газотурбинният двигател, който ще задвижва генераторния вал, не са едно и също нещо.

Факт е, че енергийните нужди на самолета значително се променят по време на полета. При излитане двигателят на самолета развива мощност, близка до максимална, а при движение по круизната част (тоест по-голямата част от полета) консумацията на енергия на самолета се намалява 5-6 пъти. По този начин традиционната електроцентрала трябва да може да работи в широк диапазон от режими (не винаги оптимални от гледна точка на икономиката) и бързо да се движи от един в друг. Нищо подобно не се изисква от газотурбинен двигател в хибридна инсталация. Тя ще бъде подобна на газовите турбини на електроцентралите, които винаги работят в един и същ, най-икономичен режим. Те работят от години, без да спират. "

Ce-liner Концепцията за изцяло електрически самолет, разработена от германския изследователски институт Bauhaus Luftfahrt. Авторите смятат, че напредъкът в областта на електрическите батерии ще позволи на техните деца да прелетят до 1300 км с едно зареждане до 2030 г. и до 2040 г. до 3000 км.

С помощта на генератор, газотурбинният двигател може да генерира енергия за директно захранване на електродвигатели, както и да създава резерв в батерии. Помощта на батериите ще е необходима точно при излитане. Но тъй като работата на електродвигатели в режим на излитане ще продължи само няколко минути, захранването с енергия не трябва да бъде много голямо и батериите на борда могат да бъдат с доста приемливи размери и тегло. В този случай газовият турбинен двигател няма да има никакъв режим на излитане - негова работа е тихо да произвежда електричество. По този начин, за разлика от двигателя на самолета, газотурбинният двигател в хибриден електрически самолет ще бъде по-малко мощен, по-надежден и екологичен, по-опростен в дизайна и следователно по-евтин и накрая ще има по-дълъг ресурс.

Удар по крилото

В същото време преходът към електродвигатели отваря перспективи за фундаментални иновации в дизайна на гражданските самолети на бъдещето. Една от най-обсъжданите теми е създаването на разпределени електроцентрали. Днес класическото разположение на лайнера включва две точки на сцепление, тоест два, рядко четири, мощни двигателя, висящи на пилони под крилото. В електрическите самолети се разглежда оформлението на голям брой електродвигатели по крилото, както и в неговите краища. Защо е необходимо това?

Нещото отново е разликата между режимите на излитане и пътуване. При излитане при ниска скорост на входящия поток самолетът се нуждае от крило с голяма площ, за да създаде повдигане. С крейсерска скорост широкото крило се намесва, създавайки излишен подем. Проблемът се решава чрез сложна механизация - прибиращи се капаци и летви. По-малките самолети, които излитат от малки летища и имат големи крила за това, са принудени да преминат на круизна секция с оптимален ъгъл на атака, което води до допълнителен разход на гориво.

Но ако при излитане много електрически двигатели, свързани към витлата, допълнително ще издуха крилото, няма да е необходимо да се прави твърде широко. Самолетът излита с кратко излитане, а на круизния участък тясното крило няма да създаде проблеми. Машината ще бъде изтеглена напред от витлата, завъртени от маршируемите електродвигатели, а витлата по протежение на крилото на този етап ще бъдат сгънати или отстранени преди кацане.

Пример е проектът на НАСА X-57 Maxwell. Концептуалният демонстратор е оборудван с 14 електрически мотора, разположени по крилото и по върховете на конзолите. Всички те работят само по време на излитане и кацане. В круизната секция участват само двигателите в краищата на крилото. Това подреждане на двигатели може да намали отрицателното въздействие на вихри, възникващи на тези места. От друга страна, електроцентралата се оказва сложна, което означава, че е по-скъпо да се поддържа и вероятността за повреда също е по-висока. Като цяло учените и дизайнерите имат какво да мислят.

X-57 Maxwell Прототип на изцяло електрически самолет, разработен от НАСА, въплъщава популярната идея за разпределена система за електрическо задвижване. 14 крила са поставени на крилото - 12 от тях работят само при излитане и кацане, като допълнително издухват крилото и по този начин увеличават повдигането.

Течният азот ще помогне

„Електрическият самолет предоставя много възможности за оптимизация“, казва Сергей Халперин. - Можете да експериментирате например с комбинация от дърпане и натискане на винтове. Електродвигателите са много по-изгодни в сравнение с газотурбинните двигатели в конвертируеми равнини, тъй като безопасното въртене на електродвигателя в хоризонтално положение не представлява толкова труден инженерен проблем, както в случая с традиционните двигатели. В електрически самолет е възможно да се осигури пълната интеграция на всички системи и да се създаде нова система за управление. Дори хибридните автомобили ще произвеждат по-малко шум и емисии. “

Подобно на батериите, електродвигателите увеличават масата, обема и топлината с увеличаване на мощността. Необходими са нови технологии, които биха ги направили по-мощни и леки. За местните разработчици на хибридни задвижващи системи истински пробив беше сътрудничеството с руската компания SuperOx, един от петте най-големи доставчици на материали със свойствата на високотемпературна свръхпроводимост (HTSC) в света. Сега SuperOx разработва електрически двигатели със статор, изработен от свръхпроводящи материали (охладени с течен азот). Тези двигатели с добри експлоатационни характеристики на самолета ще бъдат основата на хибридна задвижваща система за регионален самолет, който вероятно ще излети в небето в средата на следващото десетилетие. Тази година, на въздушното изложение MAKS, специалистите на ЦИАМ представиха 10 кВт демонстратор на такава инсталация. Планираният самолет ще бъде оборудван с хибридна електроцентрала с два двигателя с мощност 500 kW всеки.

„Преди да говорим за хибриден електрически самолет - казва Халперин, - е необходимо да тестваме нашата инсталация на земята, а след това в летяща лаборатория. Надяваме се, че това ще бъде Як-40. Вместо радар можем да поставим 500-киловат HTSC електромотор в носа на колата. Вместо централен двигател, монтираме турбогенератор в опашката. Двата останали Yak двигателя ще бъдат достатъчни, за да тестваме нашите деца в голям диапазон от височини (до 8000 м) и скорости (до 500 км / ч). И дори ако хибридната инсталация не успее, самолетът може спокойно да завърши полета и да кацне. " Планира се демонстрационната лаборатория да бъде оборудвана през 2019 г. Цикълът на изпитването е предварително насрочен за 2020 г.

Умно небе

Електрическото и хибридното сцепление заема значително място в плановете на най-големите световни производители на самолети. Ето как изглеждат основните характеристики на пътническите самолети от средата на този век според програмата AIRBUS Smarter Skies.

Зелен полет

Самолетите на бъдещето ще бъдат конструирани по такъв начин, че да намалят до минимум въглеводородния отпечатък в атмосферата. Ще бъдат разпределени водородни газови турбинни двигатели, хибридни вериги и напълно електрически самолет с батерии. Предполага се, че батериите ще се презареждат от екологично чисти източници на електроенергия. В района на летищата могат да се появят големи вятърни централи или слънчеви централи.

Свобода в небето

Интелигентните лайнери ще направят независимо маршрути въз основа на параметрите на околната среда и горивната ефективност въз основа на анализ на данните за времето и атмосферата. Те също така ще могат да се съберат във формация като птичи стада, което ще намали съпротивлението на отделните самолети, включени в състава и ще намали разходите за енергия за летене.

По-скоро от земята

Новите електроцентрали и аеродинамиката на авиолиниите ще им позволят да излитат по най-стръмната възможна траектория, за да намалят шума в района на летищата и да достигнат възможно най-скоро критерийното ниво, където самолетът демонстрира оптимални икономически характеристики.

Кацане без двигател

Самолетите на бъдещето ще могат да кацнат в режим на планиране. Това ще спести гориво, ще намали шума в района на летищата. Също така скоростта на кацане ще намалее. Това ще намали дължината на пистите.

Без ауспух

Летищата на бъдещето напълно ще изоставят ДВГ, които изгарят гориво. За таксиране лайнерите ще бъдат оборудвани с електрически моторни колела. Като алтернатива, високоскоростните безпилотни електрически трактори, които могат бързо да доставят самолети от престилката до пистата и обратно.

Статията “Up on Electricity” е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 1, януари 2018 г.). Чудя се как работи ядрен реактор и могат ли роботите да построят къща?

Всичко за новите технологии и изобретения! добре Съгласен съм с правилата на сайта Благодаря. Изпратихме потвърждение на вашия имейл.

Препоръчано

Аляска се стопява 100 пъти по-бързо, отколкото мислехме: грандиозно изтичане на времето
2019
Самолет за деня: Savoia-Marchetti S.55
2019
Пускане на огън: Не всеки Бикфорд шнур
2019