В Новосибирске создан самолет-демонстратор для отработки сверхпроводящего электрического авиадвигателя
В Новосибирске начался этап наземных отработок необычной летающей лаборатории. Она создана на базе серийного самолета Як-40. С первого взгляда бросается в глаза стоящий на носу «Яка» воздушный винт. Его приводит во вращение электродвигатель, в конструкции которого используются высокотемпературные сверхпроводники.
Столь необычно выглядящая внешне лаборатория Як-40ЛЛ построена для испытаний демонстратора гибридной силовой установки, разрабатываемой Центральным институтом авиационного моторостроения им. П. И. Баранова – знаменитым ЦИАМом. По словам создателей, применение в авиации таких установок позволит в будущем существенно сократить расход топлива и уменьшить вредные выбросы.
Никто, конечно, не говорит, что в ближайшие несколько лет произойдет замена ныне используемых турбореактивных и турбовинтовых двигателей на электрические. Это пока только начало отработки перспективных технологий. Однако уже через 15-20 лет вполне возможен запуск в серию первых небольших коммерческих самолетов с новыми видами силовых установок. Ведь технологические чудеса за последнее время случались сплошь и рядом. Но для их осуществления сначала приходилось много и упорно работать.
Прорыв в будущее
Поиск новых типов силовых установок в авиации велся всю ее историю. Часто параллельно шли испытания двигателей на разных физических принципах. Это позволяло определить более перспективное направление работ.
Оди из таких поворотных моментов в истории мировой авиации наступил перед самым началом Второй мировой войны. Тогда на самолетах использовались поршневые двигатели, создающие тягу вращением воздушного винта. Но 20 июня 1939 год на аэродроме около Варнемюнде (сейчас это северная часть города Росток) летчик-испытатель Эрих Варзиц (Erich Warsitz) совершил первый полет на самолете He 176 фирмы Heinkel. Это был первый в мире самолет, приводившийся в движение жидкостным ракетным (реактивным) двигателем.
А всего через 68 дней, 27 августа там же в Варнемюнде тот же Эрих Варзиц совершил первый полет на He 178 – первом в мире самолете с турбореактивным двигателем. По сути, это были летающие лаборатории, на которых по инициативе главы компании Эрнста Хейнкеля (Ernst Heinkel) отрабатывались новые технологии для получения более высоких скоростей. Продемонстрированные He 176 и He 178 результаты не были особенно выдающимися. Рейхсминистерство авиации не выказало тогда заинтересованности в производстве обоих машин.
Однако время все поставило на свои места. Сегодня вся высокоскоростная авиация использует турбореактивные моторы, а жидкостные реактивные двигатели в ней не прижились. Зато они стоят на всех ракетах-носителях (если только они не на твердом топливе), используемых для запусков аппаратов в космос.
Гибридный подход
Сегодня, экспериментируя с электродвигателями, авиастроители идут по дороге, проторенной их коллегами из автопрома. В 1990-е годы в борьбе за экологичность своей продукции автопроизводители стали экспериментировать с электродвигателями, пытаясь снизить выбросы от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Создание чисто электромобиля оказалось слишком сложным проектом – требовались новые технологии в области хранения энергии: не было еще таких аккумуляторов, которые бы были достаточно легкими, быстро заряжались, обладали необходимой емкостью, не реагировали бы на различные климатические условия. Лишь в 2008 году американская компания Tesla Motors наладила серийный выпуск электромобиля Tesla Roadster, не уступавшего по ходовым качествам обычным автомобилям. Массово внедряемые в городах всего мира электробусы тоже далеки от идеала: например используемые в Москве образцы имеют запас хода на одной зарядке 70-80 км, после чего требуется 20-минутная подзарядка. В будущем, с появлением новых технологий, возможно и появятся более совершенные аккумуляторы, позволяющие существенно улучшить характеристики полностью электрического автотранспорта.
Однако пока более перспективным в автопроме считается направление гибридных автомобилей, которые используют и двигатель внутреннего сгорания, и электродвигатель. Пока аккумулятор заряжен, используется электропривод. Как только он иссяк, в ход идет двигатель на углеводородном топливе, который одновременно с приводом ведущих колес вращает генератор, заряжающий аккумулятор. Первым в мире массовым гибридным легковым автомобилем с комбинацией бензинового и электрического двигателей стал Toyota Prius, выпуск которого начался в 1997 году. На сегодня практически все ведущие автопроизводители имеют в своей линейке автомобилей один или несколько гибридных образцов.
Почему бы не пойти тем же путем и в авиации? Чисто электрические летательные аппараты сейчас, пожалуй, самые массовые в мире. Но это всего лишь небольшие коптеры, служащие в большинстве случаев средством развлечения. Рост размеров таких летательных аппаратов опять упирается в существующие возможности электрических аккумуляторов. Более логичным пока видится вариант гибридной силовой установки, сочетающий газотурбинные или поршневые авиадвигатели с электрическими.
Новосибирский «Як»
5 февраля 2021 года. Аэродром Новосибирского авиазавода им. В. П. Чкалова. С прилегающей к нему территории Сибирского научно-исследовательского института авиации (СибНИА) им. С. А. Чаплыгина (как и ЦИАМ, он входит в состав национального исследовательского центра «Институт им. Н. Е. Жуковского») состоялась выкатка самолета-лаборатории Як-40ЛЛ с бортовым номером RA-87251.
Это воздушное судно было выпущено еще в 1973 году на Саратовском авиазаводе. Отлетав два десятка лет на регулярных линиях, в начале 1990-х годов этот Як-40 был передан в СибНИА. Он использовался для летных проверок и отработки систем. Одно время борт RA-87251 служил самолетом-калибровщиком радиотехнических средств посадки. На его основе и была изготовлена первая в мире летающая лаборатория для испытаний электрического авиационного двигателя на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) мощностью 500 кВт.
Но прежде самолет должен был пройти значительную переделку. Штатно на обычном Як-40 стоят три турбореактивных двигателя АИ-25 (каждый имеет максимальную взлетную тягу 16,9 кН, а на крейсерском режиме – 5,05 кН). Два из них стоят на боковых пилонах в хвостовой части фюзеляжа, а третий – внутри хвостовой части фюзеляжа с S-образным воздухозаборником. В 2012 году в СибНИА на одном из Як-40 заменили сначала один, а позднее два двигателя АИ-25 на более мощные американские Garrett TFE731 производства фирмы Honeywell Aerospace (их максимальная тяга 21,1 кН). Этих двух двигателей стало хватать для взлета, полета и посадки Як-40. В ноябре 2016 года модернизированный самолет в двухдвигательном исполнении совершил свой первый полет.
Решение использовать Як-40 для испытаний гибридной силовой установки с ВТСП-электродвигателем было принято в 2018 году. В том же году была создана аэродинамическая модель летающей лаборатории, прошли ее испытания в аэродинамической трубе. Борт RA-87251 был модернизирован по той же схеме, что и его предшественник. Ставший ненужным центральный третий двигатель внутри хвостовой части демонтировали. На его место на специальной раме установили турбовальный газотурбинный двигатель ТВ2-117. На месте демонтированных воздухозаборника и сопла были поставлены аэродинамические накладки.
На валу турбины двигателя ТВ2-117 был установлен электрогенератор на постоянных магнитах. Генератор разработали и создали в ЦИАМ совместно с Уфимским государственным авиационным техническим университетом (УГАТУ). Он – главный источник питания для электродвигателя. КПД агрегата достигает 96 %. При вращении турбины с частотой 1200 об/мин, генератор был способен вырабатывать постоянный ток мощностью до 400 кВт. Для питания 500-киловатного электродвигателя недостающие 100 кВт дают литий-ионные аккумуляторные батареи, установленные в центральной части фюзеляжа «Яка». Между батареями и двигателем стоит токоограничивающее устройство.
Российское ноу-хау
На носу RA-87251 в обтекателе установлен, пожалуй, самый инновационный элемент ЦИАМовского демонстратора гибридной силовой установки – уникальный, не имеющий аналогов в мире по мощности электрический авиадвигатель на ВТСП. Его разработала и создала компания «СуперОкс», базирующаяся в московском технопарке «Слава» в районе метро «Калужская». Работа над двигателем велась в рамках контракта с Фондом перспективных исследований (ФПИ). Комментируя участие ФПИ в работах, его генеральный директор Андрей Григорьев отметил: «Реализуемые технологии открывают возможности по созданию полностью электрических летательных аппаратов».
Особенность двигателя заключается в применении в качестве обмоток статора ВТСП второго поколения. Максимальная частота вращения ротора электродвигателя составляет 2500 об/мин, номинальное напряжение – 800 В. Электромотор имеет диаметр 0,45 м, длину 0,4 м, его масса составляет 95 кг. По сообщению ЦИАМ, КПД электродвигателя составляет 98 %.
«Энергоэффективный двигатель для авиации – это то, над чем сегодня работают все ведущие авиаконцерны мира, – говорит генеральный директор “СуперОкс” Сергей Самойленков. – Мы были первые, кто создал такой двигатель с применением ВТСП-технологии, первые показали его высокую эффективность. И сегодня мы первые приступаем к его испытаниям в составе летающей лаборатории. ВТСП позволяет в разы снизить массу электрических машин. Применение электродвижения в авиации снизит шум и потребление топлива. В перспективе 15-20 лет по мере усовершенствования технологий экономия может составить до 75 %».
Проект стартовал в декабре 2016 года. Разработка ВТСП-двигателя опиралась на многолетние исследования и испытания, проведенные в «СуперОкс»: были изготовлены сотни прототипов обмоток, испытаны около десяти образцов двигателей разной мощности. В декабре 2018 года на московской площадке ЦИАМ начались испытания ВТСП-электродвигателя под нагрузкой. Комплексные стендовые испытания гибридной силовой установки прошли в термобарокамере в СибНИА в октябре 2020 года. В конце 2020 года СибНИА совместно с ЦИАМ и «СуперОкс» установили оборудование демонстратора технологий на борт Як-40. Тогда же были выполнены первые пробные запуски электрического двигателя с воздушным винтом.
Сверхпрводники
Сверхпроводники – это материалы с практически нулевым электрическим сопротивлением. Однако они приобретают свои удивительные свойства лишь при низких температурах. В течение более 70 лет после открытия эффекта сверхпроводимости необходимость глубокого охлаждения сдерживала их широкое практическое применение. Первые сверхпроводники могли демонстрировать свои суперспособности лишь при охлаждении жидким гелием, который существует при температуре −268,9° C.
Уникальность ВТСП состоит в том, что требуемые свойства могут быть реализованы уже при температуре жидкого азота, а это уже −195,8° C, что сегодня технически легко достижимо. ВТСП-провод второго поколения обладает высокой токонесущей способностью. Он представляет собой металлическую ленту, покрытую функциональными слоями, один из которых – тонкий слой ВТСП на основе иттрий-медь-бариевой керамики (YBa2Cu3O7). Технология получения таких лент была разработана в российской компании «С-Инновации».
По словам Сергея Самойленкова, охлаждение ротора двигателя требовало создания вращающегося ввода хладагента с вакуумным уплотнением. Это существенно усложняло и утяжеляло конструкцию ротора. «СуперОкс» выбрала иной технологический подход, не требующий вращающегося криостата. Это позволило сделать вал ротора полым и обеспечить через него управление винтом переменного шага.
Для снижения расхода жидкого азота были применены вакуумные криостаты с многослойной теплоизоляцией при интеграции криогенной части в «теплую» электрическую машину. «Нами была решена задача объединения сверхпроводяхищ элементов в единую систему с общим криогенным охлаждением», – рассказывает заместитель генерального директора «СуперОкс» по аэрокосмическим технологиям Алексей Воронов. Благодаря этому удалось существенно сократить потребные объемы охлаждающей жидкости: например, расход жидкого азота для охлаждения обмоток электродвигателя оценивается лишь в 6 л/ч, что является достаточно умеренной величиной.
«Наша стратегия, заключается в том, чтобы постоянно, благодаря почти 30-летнему опыту работы с ВТСП, все время находиться на самых передовых технологических позициях, – рассказывает Сергей Самойленков. – Ее можно назвать стратегией технологического отрыва, которую нам удается реализовать за счет того, что мы многое сделали на несколько лет и даже десятилетий раньше, чем наши конкуренты. Технология изготовления ВТСП-проводов достаточно сложная, а ее секреты глубоко спрятаны. В первую очередь это технология осаждения разных слоев контролируемого состава и структуры: на каждом из технологических этапов есть какие-то тонкости, которые мало описаны в литературе и которые составляют наши секреты производства».
Первая пробежка и перспективы
После выкатки Як-40ЛЛ с включенным питанием электродвигателя совершил пробежку по взлетно-посадочной полосе, разогнавшись до 140 км/час. Во время нее шла проверка работоспособности силовых установок самолета, его систем и оборудования. «Все работает штатно», – сообщил присутствующим гендиректор СибНИА Владимир Барсук.
Первый этап наземных испытаний подтвердил правильность выбранных технических решений и корректную совместную работу авиационного оборудования и электродвигателя. Были исследованы условия электромагнитной совместимости бортового и ВТСП-оборудования, основные режимы работы электродвигателя и его систем – захолаживание, пуск, остановка, работа под нагрузкой. «Первая пробежка – это большой успех в разработке российского электролета, – прокомментировал присутствовавший на аэродроме ректор УГАТУ Сергей Новиков. – Испытания показали, что наши ученые – на верном пути».
Летные испытания гибридной силовой установки на Як-40ЛЛ планируется начать во второй половине 2021 году и завершить уже в 2022-м. На «Яке» пока идут испытания демонстратора, у которого сверхпроводящим является только электрический двигатель. В 2022-м будет тестироваться опытный агрегат, у которого сверхпроводящими станут также генератор и силовая электрическая шина. Испытания позволят проверить конструктивные подходы к созданию подобных силовых установок, оценить эффективность применяемых технических решений.
«Есть все основания считать, что только подобная технология позволит в перспективе создавать электрические двигатели и генераторы мощностью 10-20 мВт для гибридных силовых установок ближне- и среднемагистральных самолетов, – сказал генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин. – В рамках новой НИР будут проведены доработка демонстратора гибридной силовой установки с учетом данных, полученных в ходе наземных испытаний, и его испытания в составе летательного аппарата».
«Следующая лаборатория будет создана через два года на базе Ил-114. Он будет летать на электрических двигателях, без вспомогательных двигателей. Для этого должен быть создан двигатель мощностью 1 МВт», – добавил генеральный директор НИЦ «Институт им. Н. Е. Жуковского» Андрей Дутов.
Мировой тренд
Сегодня направление малошумных и экологичных гибридных и электрических силовых установок стало одной из определяющих технологий для будущего авиации. Их исследованием, прежде всего для перспективных серийных самолетов малой и региональной авиации, занимаются все авиаконцерны мира и профильные научные центры. «Такая авиация должна появиться по всем мировым планам где-то в районе 2030 года», – сказал Андрей Дутов журналистам в Новосибирске. Он отметил, что аналогичные двигатели можно использовать в судостроении, железнодорожном транспорте.
Ученый уверен, что преимущество гибридных силовых установок состоит в возможности, с одной стороны, получить выгоду от энергоэффективных, экологически чистых электрических технологий, с другой – сохранить приемлемую весовую эффективность за счет оптимизации конструкции и режимов работы газотурбинных или поршневых авиационных двигателей.
Многие зарубежные институты и исследовательские центры, национальные аэрокосмические агентства – американское NASA и японское JAXA, крупнейшие авиапроизводители Boeing и Airbus, двигателестроительные фирмы, включая Rolls-Royce и SAFRAN, крупнейшие машиностроительные компании, как Siemens, ведут исследования технологий создания электрических авиационных силовых установок и электрических самолетов.
Наиболее близкой российскому проекту ВТСП-электродвигателя была программа E-Fan X, которую реализовывали совместно Airbus, Rolls-Royce и Siemens. О ее начале было объявлено в ноябре 2017 года. Целью проекта была постройка летающей лаборатории на базе пассажирского 70-112-местного регионального самолета BAe 146. Вместо одного из его четырех турбовентиляторных двигателей Avco Lycoming ALF 502 планировалось установить электрический двигатель мощностью 2 МВт фирмы Siemens с использованием воздухозаборника и вентилятора от двигателя AE 3007 фирмы Rolls-Royce. Для его электропитания на борту самолета планировалось установить генератор, приводимый в действие газотурбинным двигателем AE 2100 также производства Rolls-Royce, и аккумуляторные батареи общей массой около 2 т. За интеграцию всех этих элементов на самолете отвечала компания Airbus. Первый полет лаборатории при объявлении проекта планировался на 2020 год, затем его перенесли на 2021-й. Были планы, что после проведения первых испытательных полетов при успешной работе гибридной силовой установки пройдет замена и второго из четырех двигателей на электрический. Однако в апреле 2020 года было объявлено об отмене программы из-за пандемии COVID-19.
В июле 2018 года было объявлено, что при финансовой поддержке федеральной земли Бавария немецкий аэрокосмический центр DLR построит на базе одного из двух своих 19-местных самолетов Dornier 228 демонстратор гибридного электрического самолета. Проект очень походил на E-Fan X и по целям, и по составу участников – партнерами DLR по проекту были компании MTU Aero Engines и Siemens, отвечавшие за поставку электродвигателя, и Rolls-Royce, создававший систему выработки электричества на борту. Однако после 2019 года новостей о проекте больше не было.
Еще одна европейская программа, названная «Экспериментальный демонстратор перспективного сверхпроводящего двигателя» (Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator, ASuMED), стартовала в мае 2017 года. Проект координировала немецкая компания Oswald Elektromotoren. Она вложила в проект свои 770 тыс. евро, а также получила грант в размере 4 млн евро от Евросоюза в рамках программы Horizon 2020. Программа в области авиаперевозок ставила цель снижения к 2050 году по сравнению с 2000-м выбросов CO2 на 75 %, оксидов азота и твердых частиц на 90 %, шума на 65 %. Партнерами по проекту были европейские институты и университеты, французская компания Air Liquide, а также… «СуперОкс». Российская фирма, судя по данным сайта проекта, разрабатывала и поставляла ВТСП-проводники второго поколения. Это стало еще одним признанием заслуг «СуперОкс» в мире. Проблемой, с которой столкнулись создатели ASuMED, стало устройство системы охлаждения мотора. После рассмотрения ряда возможных механизмов теплопередачи была выбрана система на основе принудительной циркуляции газообразного гелия. При этом гелий в системе охлаждения ротора имел температуру −248° C. Статор ASuMED охлаждался жидким водородом. Проект ASuMED завершился в августе 2020 года. Его результатом стал прошедший испытания прототип синхронного электродвигателя на сверхпроводниках мощностью 1 МВт, делающего 6 тыс. об/мин. По итогам проекта компания Oswald Elektromotoren объявила о планах создания мотора мощностью до 10 МВт и более. Правда, по сообщениям СМИ, сейчас фирма ведет переговоры с Siemens о возможности совместного продолжения работ.
Замечательное время
Однако примеров проектов таких больших демонстраторов в мире немного. В основном за рубежом отрабатываются электродвигатели, способные служить силовой установкой для 2-4-местных самолетов, источниками энергии которым служат мощные аккумуляторы. Так NASA в июне 2016 года презентовала проект прототипа X-57 Maxwell, работающего только на электричестве. Он создается на базе планера итальянского легкого двухмоторного четырехместного самолета Tecnam P2006T. Аппарат оснащен 14 электромоторами с воздушными винтами: 12 на передней кромке крыла используются только при взлете и посадке, еще два более мощных двигателя на кромках крыльев – для полета на крейсерской скорости. Питание моторов идет от аккумуляторов, которые занимают около 70 % объема самолета. Без подзарядки самолет способен пролететь до 160 км. Первый полет X-57 планировался до конца 2020 года, но так и не состоялся до сих пор.
Начальник отдела «Электрические (гибридные) силовые установки, системы и летательные аппараты» ЦИАМ Антон Варюхин рассказывал: «Компания Siemens разрабатывает электродвигатели мощностью 260 кВт для легкого винтового полностью электрического летательного аппарата, а Airbus и Boeing осваивают нишу аэротакси, создавая небольшие электрические самолеты и конвертопланы. Объем рынка аэротакси в будущем будет сопоставим с объемом рынка магистральных самолетов, поэтому коммерчески это очень перспективное направление. Неудивительно, что мировые разработчики его активно осваивают… Но сейчас замечательное время – этап зарождения новой технологии, в рамках которой возможны множество направлений. На данном этапе очень трудно спрогнозировать, какое из них “выстрелит”».
