Гибрид электролёта и движка от вертолёта
Тема электрического движения стала настолько популярной, что авиация не могла её проигнорировать. Полет на аккумуляторах давно завладел мыслями изобретателей и инвесторов и сейчас количество летательных аппаратов с электросиловой установкой растет: каждый год заявляют чуть ли не по 100 проектов.
Да и в аккумуляторах произошел качественный скачок: за последние 15 лет их емкость увеличилась вдвое. Однако о полноценном полёте «на батарейках» говорить пока рано: в небе на них можно летать не больше часа, но для учебно-тренировочного самолета этого более чем достаточно. У нас за создание "электролёта" взялось сразу несколько отраслевых НИИ, плюс вузы, плюс инновационные частные компании. Конечно, запрягли не сразу, но теперь, кажется, поехали. Точнее – полетели!
Одной из ключевых новинок МАКС-2021 была летающая лаборатория Як-40ЛЛ с демонстратором технологий гибридной силовой установки (ГСУ). Самолёт стоял на земле, его показывали большому начальству. Ну а под конец выставки он полетел к большой радости публики.
С утра самолёт совершил пару пробежек с отрывом – так называемым подлётом – на высоте около метра от ВПП. Ну а потом собрался с силами и… отправился в демонстрационный полёт.
Как написали в пресс-релизе, "Полёт прошел в штатном режиме. Отмечается слаженность совместной работы систем самолёта и ГСУ, в состав которой входит первый в мире сверхпроводящий электрический авиадвигатель".
Тут надо подробнее рассказать, что это за конструкция. Так сказать, заглянем под капот. Итак, в хвостовой части фюзеляжа справа и слева установлено по одному двигателю Garrett TFE731 производства фирмы Honeywell Aerospace. А вот вместо воздухозаборника второго двигателя, он же средний, стоит заглушка. Собственно, после установки "Гарретов" штатного АИ-25 там не осталось. Но не всё так просто. Учёные умы решили, что там самое место для вертолётного двигателя ТВ2-117, как на Ми-8Т.
Только не спешите делать вывод, что из хвостовой части самолёта в нос, к пропеллеру, протянули вал. Ничего подобного! Два двигателя, турбовальный, что в хвосте, и электрический, что приделали в носовой части, связаны по проводам. Кабели с руку толщиной. И это не удивительно – ведь речь идёт о мощности в сотни киловатт. Хвостовой двигатель приводит во вращение электрогенератор. Тот выдаёт электричество, которое приводит во вращение электромотор. Помогает генератору аккумуляторная батарея. Получается гибридная установка, а-ля летающий "Приус".
Первый вопрос – ну и для чего всё это городили? Было три одинаковых мотора, стало четыре мотора трёх типов… Но не судите слишком строго. Это только летающая лаборатория, на которой отрабатываются перспективные технологии. Главная новинка тут – электродвигатель, который использует принцип высокотемпературной сверхпроводимости. Не буду усложнять рассказ, рассказывая, что это такое. Если очень коротко, то с её помощью можно сделать электромотор относительно лёгким, компактным, а заодно и высокоэффективным – его КПД будет на 5-20% выше, чем у аналогичных по мощности электромоторов.
Главный по гибридной силовой установке целиком – ЦИАМ им. Баранова. Электродвигатель создала компания "СуперОкс" по заказу Фонда перспективных исследований. В УГАТУ сделали электрогенератор. МФТИ и МАИ тоже выполнили большой объём работы. Ну и новосибирский СибНИА им. Чаплыгина, который съел собаку на переделке Як-40 в двухдвигательный (был такой проект с американскими двигателями), собрал всё это богатство на борту летающей лаборатории и заставил машину летать. Заплатил за всё это Минпромторг, который профинансировал НИР под названием "Электролёт СУ-2020".
Сверхпроводящий электродвигатель мощностью 500 кВт, вращающий воздушный винт, расположен в носовой части Як-40ЛЛ. Там же находится и система криогенного охлаждения на жидком азоте, её элементы можно разглядеть под капотом. В основе технологии лежат сверхпроводящие материалы обмоток. Они находятся в состоянии 77 градусов по Кельвину, внутри - жидкий азот, благодаря чему сопротивление на этих обмотках "нулевое". Это позволяет реализовывать огромные мощности при сравнительно небольших размерах.
В хвостовой части фюзеляжа вместо штатного двигателя АИ-25 установлен турбовальный газотурбинный двигатель с электрическим генератором. Правда, на фото его не видно. Но на стенде ЦИАМ была модель, в которой хвост был препарирован, и там всё видно.
В центральной части фюзеляжа установлены литий-ионные аккумуляторные батареи, которые также входят в состав ГСУ.
В кабине пилотов всё привычно: "будильники" приборов, пульты, штурвалы.
До начала летных испытаний ГСУ и ее элементы прошли стендовые испытания в ЦИАМ. Затем ГСУ была установлена на самолёт Як-40, на базе которого в СибНИА создали летающую лабораторию. После подтверждения устойчивой совместной работы электродвигателя и всех систем самолета в ходе комплекса наземных испытаний Як-40ЛЛ перешёл на этап лётных испытаний.
В лётных испытаниях самой сложной задачей было определить влияние на работу маршевых двигателей обдувки винта электрического мотора в полете и особенности при его отказе, что удалось проверить при выполнении подлётов, а также определение особенности продольной устойчивости самолета при возникающих перебалансировках. Всё оказалось в допустимых пределах, – говорит генеральный директор СибНИА, заслуженный летчик-испытатель РФ Владимир Барсук.
Исследованием малошумных и экологичных ГСУ занимаются многие разработчики авиационной техники мира. Их преимущество состоит в возможности получить выгоду от энергоэффективных, экологически чистых электрических технологий. Ну а ещё все эти решения не должны весить как чугунный мост и стоить как золотой запас Родины. Поэтому надо научить обычные газотурбинные или поршневые двигатели работать совместно с электрическими.
Ученые надеются в течение пяти-шести лет получить полностью весь набор технологий, который позволит создать к 2030 году региональный самолет на такой гибридной схеме. Но они намерены идти еще дальше и использовать в двигателе в качестве хладагента для охлаждения электромотора не азот, а сжиженный водород, который будет и топливом. Он фактически вообще не дает никаких выбросов. Это будет еще более сложная, но и более перспективная схема - она годится для больших самолетов, для дальней авиации. Однако это уже перспектива 2035 года и дальше.
Вот такая красота...
Составлено по материалам ЦИАМ с помощью эксперта Олега Пантелеева, фотографии Марины Лысцевой.