Электрические системы самолетов
Развитие электрических технологий в авиации это одно из трех магистральных направлений, над которыми ведется работа в ЦАГИ.
«Электрические технологии можно разделить на два больших направления, — рассказывает директор Центрального аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского, член-корр. РАН Кирилл Сыпало. — Первое — это вспомогательные системы управления и исполнительные приводы, которые используют электрическую энергию. Они предполагают отказ от пневматических и гидравлических систем. Эталонными здесь можно считать „Аэробус 350“ и „Боинг 787“. Второе направление — это исследования, которые крутятся вокруг проектов с электрическими винтовыми двигателями».
Опыт эксплуатации дальнемагистрального Airbus A350 или Boeing 787 показывает, что перевод большинства вспомогательных систем самолета на электрическую энергию оказывается эффективным. Самолет становится более легким и экономичным. Однако возникают и трудности.
«Как только наши коллеги из Airbus и Boeing увеличили электромощности систем в два раза, возникли неожиданные проблемы, — рассказывает академик РАН, научный руководитель ЦАГИ Сергей Чернышев. — Стали возникать пожары. Слишком сложно оказывается удержать такую мощность в рамках прежнего объема самолета. Электролизуется пластиковая обшивка, возникают замыкания, плавятся материалы. Все это придется решать. Что же касается второго направления, то здесь перспективы очень большие».
В ЦАГИ в рамках совместных программ с другими авиационными научными центрами проводится работа по разработке электрических самолетов и вертолетов с двигателями на электрической тяге.
«Исследования касаются гибридных силовых установок на базе тепловых машин с добавлением электрической компоненты, — продолжает директор ЦАГИ, член-корр. РАН Кирилл Сыпало. — Здесь потенциально применимы многие передовые технологии, в том числе касающиеся и низкотемпературной сверхпроводимости».
Гибридные установки вместо реактивных двигателей
Будущее электрической авиации видится в гибридных энергоустановках, основу которых будут составлять турбины, считают эксперты. Дело в том, что реактивный двигатель, создающий тягу для самолета, и турбина для выработки электрической энергии на борту не могут сравниться по эффективности и экономичности. С использованием гибридной установки энергопотребление самолета снижается в несколько раз.
К примеру, на взлете авиационный двигатель развивает максимальную мощность, а при движении на крейсерском участке полета его отдача снижается в 5–6 раз. Тем самым, двигатель самолета должен уметь работать в широком диапазоне режимов, что очень неоптимально с точки зрения экономии. Гибридная же установка может постоянно работать в оптимальном режиме, создавая необходимое количество энергии.
Силовые установки на базе тепловых машин подобны газовым турбинам электростанций, которые всегда работают в одном режиме, что очень эффективно, говорят специалисты. Избыток энергии сохраняется в аккумуляторах. Работа электромоторов на взлетном режиме с максимальной мощностью длится всего несколько минут, отчего запас батарей на борту может быть небольшим, благодаря чему можно сделать их приемлемыми по весу и по размерам.
При этом самолет будет приводиться в движение не реактивными двигателями, а винтовыми. А их может быть гораздо больше, чем мы привыкли видеть.
«Электромоторы хороши тем, что могут масштабироваться. Их можно распределить по крылу, они создают малый шум и сравнительно безотказны. Если же какой-то мотор выйдет из строя, то не страшно, так как запаса по мощности других агрегатов будет хватать, чтобы благополучно завершить полет», — поясняет академик РАН Сергей Чернышев.
Много пропеллеров
В электросамолетах рассматривается схема размещения большого числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Часть из них будет работать на взлете и посадке, а маршевые должны применяться на крейсерских скоростях. Это позволит сделать крыло меньших размеров, сэкономить вес и увеличить грузоподъемность. На взлете при малой скорости набегающего потока электромоторы с винтами будут дополнительно обдувать крыло, создавая дополнительную подъемную силу.
Подобные схемы уже пробуются на зарубежных разработках, в том числе в проекте NASA — X-57 Maxwell. Самолет-демонстратор оснащен 14 электромоторами, размещенными вдоль крыла и на законцовках консолей.
«Электрические самолеты на регулярных рейсах появятся не то, чтобы скоро, — говорит Чернышев. — Самолеты регионального назначения могут выйти на рейсы в 30-е годы. Магистральные самолеты полетят в 50-е годы XXI века».