391 подписчик

«Зелёные технологии» в авиации или «зеленей» не будет?

8 декабря 20218 дек 2021

100

9 мин

Оглавление

Предыстория (background)
Автомобиль и летательный аппарат
Немного общей информации из курса физики для понимания полёта

Эта статья написана профессиональным конструктором с многолетним опытом проектирования и сертификации в авиации в противовес многим некомпетентным бестолочам, статьями которых заполнен интернет.

В данной статье приводятся только факты и никаких необоснованных выводов, свойственных околоавиационной тусовке или прессе!

Содержание этой статьи:
- Предыстория;
- Автомобиль и летательный аппарат;
- Немного общей информации из курса физики для понимания полёта;
- «Обыденные» транспортные средства на углеводородах. Сравнение;
- «Сколько весит тяга?» или подбираемся ближе к тому, где спрятали «нежданчик» в электротяге.

Содержание II части статьи (практическая реализация):
- «Абсолютная зелень»;
- Ура ГИБРИДЫ!;
- Технические вопросы безопасности или «нет тела – нет дела»
- Подведём итоги статьи

Предыстория (background)

Модная нынче тема снижения выбросов заставила многие даже большие самолётостроительные фирмы ввязаться в безрезультатную гонку и «продемонстрировать» свою «зелёность», создав «что-нибудь» на эту тему «на острие прогресса». Именно «что-нибудь», поскольку «кое-что», исходя из современного уровня развития техники, создать, естественно, не получилось. С разного рода «стартапами» и так всё понятно. Пока государство российское, а также зарубежные «зелёные меценаты», не спрашивает предметно за результат (у государства «…деньги есть, у него мозгов не хватает…»),по использованию выданных им грантов, всегда будут появляться всё новые и новые «организаторы межпланетных шахматных турниров в Новых Васюках». Даже некоторые гаражно-ангарные (переходная форма) авиационные микропредприятия решили быть в тренде с остальным миром и «хайпануть на зелени», но, мягко говоря, не у всех это получилось. Раз уж весь мир под действием пунктирного мышления двинулся в сторону местами необоснованной здравой технической логикой экологичности, то если не можешь остановить этот дебилизм – так возглавь его, вероятно, подумали современные «Бендеры», смекнув, что можно на этом неплохо нажиться. Именно нажиться, поскольку подзаработать – означает получить в результате работы пригодный для дальнейшего использования результат, а пока этого результата не видно. И ведь во всём, как ни странно, виновата школьная физика, а если точнее - пунктирное мышление «недооценённых гениев» и вполне «конкретное» мышление «осваивателей бюджетов».

Обо всём этом и технических подробностях читайте далее - там всё очень подробно и доходчиво расписано с полным обоснованием!!!

Автомобиль и летательный аппарат

Первые экспериментальные электроавтомобили появились ещё в конце 19 века, когда даже ДВС был ещё несовершенен, ещё до автомобилей с ДВС, но только последние 20 лет уже можно сказать - современные автомобили нашли спрос на рынке, когда уровень технологии позволил создать приемлемые для использования в автоиндустрии аккумуляторы.

А что же с летательными аппаратами? Здесь стоит вспомнить школьную физику или за счёт чего летает ЛА тяжелее воздуха. ЛА тяжелее воздуха, естественно, держится в воздухе не за счёт магии или силы святого духа. Он тратит на поддержание себя в воздухе энергию, запасённую в топливе (или аккумуляторе) в отличие от автомобиля, которого держит земля-матушка, разного рода дирижаблей и аэростатов, да и обычных плавсредств, которых держит Архимедова сила.

Немного общей информации из курса физики для понимания полёта

Есть несколько простых формул, которые объясняют, как летает самолёт. Эти формулы есть в курсе «Введение в специальность» во всех учебниках авиационных учебных заведений, включая «авиационные ПТУ».

Аэродинамическое качество самолёта К

K=Y/X=G/P; для установившегося горизонтального полёта

Сила сопротивления Х

X=Cx*S*Q; для установившегося горизонтального полёта тяга силовой установки самолёта P=X

Подъемная сила Y

У=Cy*S*Q; для установившегося горизонтального полёта вес самолёта G=Y;

Q – скоростной напор воздуха

Согласно этим простым формулам (разберём самый простой «школьный» вариант) для горизонтального полёта (ГП) нужно преодолеть силу сопротивления, равную Gсам/Kсам. Для примера, у магистральных самолётов аэродинамическое качество около 18-25, у большинства легкомоторных самолётов на крейсере 10-15. Т.е. самолёт должен для поддержания ГП создавать тягу от 1/10 до 1/25 своего веса. Это мы не берём ни горизонтальные ускорения, ни набор высоты, когда тратится дополнительная к поддержанию самолёта в ГП энергия на «подъём тела на высоту», ни посадку, когда, несмотря на снижение самолёта, аэродинамическое качество падает почти в 3 раза с выпуском механизации крыла, что компенсируется увеличением тяги двигателей, ни отказы двигателей или другого оборудования.

Для целей сравнения упрощённо можно считать, что для других случаев тяга силовой установки должна составлять в среднем примерно 1/3 от веса обычного самолёта с транспортной функцией. А минимально необходимая энерговооружённость самолёта, (т.е. сколько мощности двигателя должно приходится на 1 кг веса самолёта при удельной тяге 2,4 кг / 1 л.с.) будет 0,33/2,4=0,1375 л.с. / кг веса самолёта транспортной функции или 0,103 кВт/кг самолёта. Для вертикально взлетающих аппаратов, (конвертопланы, самолёты вертикального взлёта посадки, а НЕ ВЕРТОЛЁТЫ. У них другие значения.) требуется тяговооружённость 1,2÷1,4, следовательно, энерговооружённость примерно 0,5÷0,583 л.с. / кг веса вертикально взлетающего самолёта.

Т.е. мощность двигателя, если стоят традиционные винты относительно небольшого диаметра (не вертолётные), должна быть в 4 раза выше, чем у обычного самолёта с транспортной функцией. В тоже самое время на автомобиле, у которого нет ни крыла, ни оперения, которые не только участвуют в создании подъёмной силы и балансировке самолёта, но создают дополнительное сопротивление, а есть только корпус (фюзеляжем это, естественно, не назовёшь), тратится энергия только на преодоление одного лишь аэродинамического сопротивления корпуса и сопротивления качения шин – это крейсерский режим. Остальные затраты – это трата энергии на ускорение.

«Обыденные» транспортные средства на углеводородах. Сравнение

Если очень и очень грубо сравнить по расходу топлива два этих транспортных средства с одинаковой полезной нагрузкой около 300-400 кг и крейсерской скоростью в 100 км/ч у автомобиля, например, на бензиновой тяге, то получается, что автомобиль «В» класса с мощностью от 100 л.с. в среднем тратит около 6 литров на 100 км пути или 6 л/час. Самолёт типа Cessna172 с мощностью от 175 л.с. в зависимости от комплектации при 122 узлах (225км/ч) крейсерской скорости тратит в час 40 литров или 17,7 литров на 100 км пути.

На первый взгляд, вроде не так всё плохо, если представить, сколько будет тратить топлива автомобиль «В» класса на скорости 225 км/ч, т.е. точно не на своём крейсерском режиме, пожалуй, даже не 20 литров, а скорее все 30 без аэродинамических доработок корпуса и специальных жестких шин. Но не всё так просто и хорошо с самолётами, как может показаться на первый взгляд.

Автор этой таблички из интернета ещё много чего не учёл, порядок цен здесь несколько занижен, поскольку самолёт будет не только стоять на земле, гонять двигатель, вёдрами жрать топливо и масло. Он ещё и летать будет, а это ещё доп. траты. А ещё цены стоит умножить на 2 с учётом изменения курса доллара с 2014 года.

«Сколько весит тяга?»

или подбираемся ближе к тому, где спрятали «нежданчик» в электротяге

Рассмотрим автомобиль и самолёт на «классических» углеводородах, а затем и на электротяге. Для более достоверного сравнения определимся, что будем сравнивать, что общего в самолёте и автомобиле.

Вопреки правилам, когда в силовую установку самолёта включают большое количество элементов (элементы топливной системы + винт + двигатель и его «навесные» агрегаты), мы для цели сравнения рассмотрим только те, которые будут изменяться при переходе на электротягу. А именно, двигатель + топливо + топливная система.

Возьмём для более красочного примера два транспортных средства с двигателями одной и той же мощности близкие или равные 100 л.с. электрическим и бензиновым, чтобы показать эффективность таких транспортных средств. Примем обычный временной интервал 2 часа с учётом аэронавигационного запаса топлива для лёгкого самолёта в 30 минут. Тот же самый временной интервал возьмём для автомобиля.

Т.е. двухместный самолёт, который оснащается обычно этим самым 100-сильным двигателем, сможет летать на электротяге 2,5 часа, но только уже без пассажиров и багажа, да ещё и перевес примерно в 50-80 кг будет, с которым даже взлетать в беспилотном варианте будет явно небезопасно, если вообще взлетит.

Но как же экспериментальный самолёт Airbus E-FAN 1.0 летает?

Всё просто давайте посчитаем веса для его максимального полётного времени в 45 минут или 0,75 часа:

Двигатели у него суммарной мощностью 60 кВт (80 л.с.) и вес их будет 30,5/(80л.с./100л.с.) = 24.4 кг;
АКБ 18*0,8(т.к. там 80 л.с., а не 100)*0,75*10 = 112,3 кг;
Увеличение веса относительно ДВС-аналога будет примерно 112,3+24,4-98,4*(80л.с./100л.с.)= +26,6 кг – вроде бы уже и не так печально!!!

На всех фото этого самолёта я видел только одного пилота в кабине - значит всё как раз сходится по весам.

Сравним характеристики нескольких самолётов примерно в одной «весовой категории». Синим цветом выделены электросамолёты.

Все эти самолёты номинально двухместные. Полезная нагрузка начинается от веса двух человек, а для некоторых предусмотрен ещё и внушительный багаж, как например, у Борея. Или, например, как на Shark дополнительные топливные баки. Но на это потребителю, думаю, особо внимание обращать не стоит, поскольку трястись в неспокойную погоду в течении 5-8 часов в тесной кабине и использовать все "космические" новшества для того, чтобы сходить по нужде, не каждому доставят удовольствие. Такие баки - вопрос исключительно перегонки самолёта или рекордных путешествий.

Посмотрев на характеристики электросамолётов, сразу возникает вопрос «кому оно надо» с такой дальностью? Ведь если лететь «в один конец» в прямом, а не в переносном смысле этого слова, то нужно учесть запас по времени полёта до запасного аэродрома (в данном случае хотя бы площадки) либо время для возврата на аэродром вылета. И это ещё без встречного ветра. Итого, максимальное время нужно смело как минимум поделить пополам. Если Piper Tomahawk изначально позиционировался как учебно-тренировочный начального обучения, то для него радиус действия в 325 км даже с избытком для «полёта над точкой», а Борей можно дооснастить баком и увеличить дальность до сумасшедших 1500 перегоночных километров и радиус до 750 км. С электрической тягой, пока ещё «зелёной», с её радиусом полёта в 125 км у P2 Xcursion покупателя найти будет, мягко говоря, сложновато.

На ссылках, приведённых ниже, можете посмотреть «победные» заявления Airbus по созданию легких по весу электродвигателей совместно с Siemens, например, для пилотажной Extra весом в 50 кг и мощностью в 260 л.с. Но, как Вы видели выше, для электрических самолётов, выполняющих ТРАНСПОРТНУЮ функцию, играет основную роль не вес двигателя, а вес АКБ.

На том же сайте Airbus почему-то отсутствуют победные релизы по поводу вожделенного снижения веса аккумуляторов и практического воплощения каких-нибудь водородных элементов с учётом сертификационных требований по безопасности. А если нет безопасности, тогда кому оно такое нужно?

Неужели всё так плохо с электротягой в авиации?

А ведь где-то выгодно используется электротяга в авиации!

На этот вопрос вы найдёте ответ в статье "Практическая реализация".

Её содержание:
- «Абсолютная зелень»;
- Ура ГИБРИДЫ!;
- Технические вопросы безопасности или «нет тела – нет дела»
- Подведём итоги статьи