А что с практическим применением? А как идут дела с гибридами?
Содержание этой статьи:
- «Абсолютная зелень»;
- Ура! ГИБРИДЫ!;
- Технические вопросы безопасности или «нет тела – нет дела»;
- Подведём итоги статьи
«Абсолютная зелень»
Но, тем не менее, у силовых установок на электрической тяге есть своя ниша. Как было написано в первой части статьи – фактические граничные условия: это малое время полёта, а если точнее, малое время использования маршевой силовой установки (МСУ) в течение одного полёта. Где оно может быть на практике?
Да, конечно же, на планерах!!! Это первая ниша, которую уверенно могут занять электрические МСУ.
Учитывая повышенные требования к аэродинамике и компактности самого двигателя, а также возможность его установки на складном пилоне, применение электрической силовой установки даёт весомый выигрыш в части компоновки.
Кроме того, учитывая, что АКБ имеет весьма небольшие габариты, поскольку время работы МСУ за полёт - 10-15 минут, то на планерах с запасом по «целевой нагрузке» потребуется минимум доработки каркаса планера относительно попыток использования более тяжелого «бензинового собрата». Кроме того, есть возможность выноса довольно тяжёлой части – АКБ от самого двигателя, в разумных пределах, естественно. Это даёт возможность «поиграться» с центровкой и обеспечить её в надлежащем диапазоне, т.е. несмотря на установку силовой установки за центром масс планера, все-таки нормально отбалансировать планер, разместив достаточно тяжелый АКБ перед центром масс. На планерах обычно летают при комфортной погоде, потому проблем с потерей ёмкости АКБ при его охлаждении точно не будет, а значит запас по ёмкости – читай, лишний вес - закладывать не придётся.
Итого: весьма неплохой вариант для реализации затяжки планера на высоту вместо использования лебёдки или весьма недешёвого удовольствия – буксировочного самолёта. Полагаю, что такое «экологическое» вложение в функционал планера окупится достаточно быстро, если планерист летает регулярно.
Вторая ниша – самолёты первоначального обучения для полёта «над точкой» и легкие самолёты с большим удлинением крыла, а по факту мотопланеры или различные варианты переделки планеров в самолёты.
Ещё в 1960-х годах во Франции начали производить такие летательные аппараты (ЛА). Они нашли свою небольшую нишу как в части развлекательных полётов, так и самолётов первоначального обучения. Имея достаточно маломощную МСУ, такие самолёты, тем не менее, могут брать на борт двух человек. На таких машинах можно получить приятные ощущения от полёта и почувствовать, как летит самолёт, т.е. почти так же, как на планере. Можно даже довольно безопасно поучиться летать без тяги. Многие из этих машин парить, как планер, не могут, но для приятных развлекательных полётов в хорошую погоду они подходят неплохо.
Есть ещё именно попытки создать самолёт категории CS23/FAR23/АП23 на электрической тяге (см. ниже), но по упомянутым в 1-й части статьи причинам - это утопия, потому даже гаражно-ангарная переходная стадия предприятий делает вариант с двумя двигателями и электротяга пока – прожект.
Третья ниша. Ну куда же без них, без коптеров! Эта тема будет изложена кратко, чтобы вернуться к ней подробно в разделе "Ура! ГИБРИДЫ!".
Итак - коптеры.
Способность электродвигателей, если сравнивать с ДВС, просто «мгновенно» разгоняться (они имеют несопоставимую приемистость) сыграла первостепенную роль в появлении коптеров. Поскольку вопрос стабилизации ЛА в полёте был наконец-то приемлемо (относительно дёшево) решён. До этого, конечно же, предпринимались попытки постройки похожих летательных ЛА.
Но тем не менее коптерам есть куда расти…
Ура, ГИБРИДЫ!
Наконец-то, мы добрались до самой интересной темы.
Пару слов по сфере использования гибридов. Если кратко описать сферу применения гибридных двигателей (ДВС-электро), то она фактически ограничивается всего двумя направлениями:
- использование в местах, где целесообразно (читать - выгодно) применять отдельно ДВС+ генератор, питающий вынесенные электродвигатели. Естественно, с большой потерей (КПД энергоустановки на преобразование туда-обратно) энергии топлива. А значит, снижение эмиссии вредных веществ относительно применения ДВС стоит под вопросом, как и экономичность всей системы в целом. Всем известный пример – автомобиль БелАз, различные нестационарные краны и прочая техника, где организация преобразования механической энергии от ДВС в движение приводов выгоднее организовать использованием электродвигателей, электронасосов и пр. не по причине снижения выбросов или уменьшения веса конструкции, а по причине простоты и дешевизны практической реализации такой конструкции.
- использование в местах, где можно накопить энергию, которая всё равно бы ушла в атмосферу. Хороший пример – автомобиль в городском цикле. Плохой пример – автомобиль в загородном цикле, когда бензиновый ДВС вынужден, помимо всего, тянуть на себе лишний вес электрической силовой установки, тратя драгоценное топливо – экономия получается обратная.
То же самое и в авиации. Если разобраться, то в авиации накапливать энергию по сути негде, поскольку самолёт, вертолёт и др. ЛА тяжелее воздуха и постоянно её тратят на поддержание себя в воздухе. На снижении и посадке накапливать её нет смысла, поскольку этот участок полёта очень короток, много её не накопишь, а сразу после накопления - её использовать некуда.
С выносом электродвигателей тоже не всё так красиво – или «зашибись, кто не понимает». Даже когда на самолёте используется ДВС или ГТД и необходимо вынести винт на валу далеко от самого двигателя,
то конструкция вала, включая поддерживающую его конструкцию, по весу становится в некоторых случаях не менее веса самого двигателя. В итоге, как уже не раз показала практика авиастроения – проигрыш по топливной эффективности обеспечен! То же самое и с выносом электродвигателя. Казалось бы, «благая» идея разгрузить крыло и понавтыкать на него двигателей. Но вот незадача! Для компенсации разнотяга от крайних двигателей (например, на законцовках) придётся делать киль примерно с полкрыла по площади – читай, значительное ухудшение топливной эффективности. Вот очередная «зелёная» картинка концепта от Airbus.
А про то, как побороть обледенение, эти бестолочи вообще не думали! Наши «учёные-гении» от них недалеко ушли. У Airbus хоть картинки, а эти ещё и денег потратили!
Но ведь можно и с толком применить гибридные установки! Да только круг их применения ограничится тем, где они действительно могут повысить экономичность.
Это – электрокоптеры!!!
Около 7-8 лет назад во всём мире начали задумываться, как увеличить время полёта коптера с имеющихся максимальных 30-40 минут. Были разные варианты и с жидким водородом, и с ячейками, но самым дешёвым оказался гибридный вариант.
Казалось бы, всё, предел экономичности коптеров исчерпан! Но «братья китайцы» пока только в поисках оптимума. И он всё же есть!
На самом деле тут всё просто. Нужно немножко разделить функции и сделать передачу энергии с минимальной потерей КПД, а именно использовать мощность ДВС для «висения», а электроустановки, запитанные от генератора для обеспечения устойчивости. При этом можно применять высокоэффективные несущие винты с очень малым шагом. А вот как оптимизировать эту силовую установку и правильно распределить мощность между бензиновой и электротягой, а ещё обеспечить устойчивость – вопрос уже не этой просветительской статьи, а вполне оплачиваемый в рамках трудового договора и использования патентов (статья, связанная с темой индивидуальных малых ЛА).
Технические вопросы безопасности или «нет тела – нет дела»
Начнём с большой магистральной авиации. Ещё до того, как пришла мысль использовать литий-полимерные АКБ, в авиации произошло 2 авиакатастрофы при их перевозке в обычных грузовых контейнерах. После этого все-таки доработали контейнеры и стали более аккуратно относиться к полимерникам. Первым, кто решился на отчаянный шаг – заменить традиционные Ni-Cd АКБ в самолёте на Li-Po - стал Боинг. Некоторые люди на самом Боинге были против этого (вероятно, как и я, писали служебные записки «ОСОБОЕ МНЕНИЕ» Главному конструктору), но тем не менее на 787-8 Li-Po были установлены. Но, шило в мешке не утаишь, и после пожара в Японии 15 лет назад (повезло, что это было уже на земле и никто не погиб), Боинг получил заслуженных люля от NTSB и FAA и на 787-9 уже вернулись к традиционным Ni-Cd АКБ. После этого многие авиапроизводители не стали рисковать и отказались от использования особенно перезаряжаемых Li-Po.
Разберёмся в деталях. При пожаре Li-Po поддерживается температура в 1100℃. Эти параметры аналогичны керосиновому пожару, но в отличие от топливного пожара в установленной пожароопасной зоне, которой, например, является объём внутри мотогондолы, тут невозможно перекрыть подачу топлива отсечным краном/клапаном, а потом включить систему пожаротушения.
А с Li-Po, расположенными в отсеке авионики, в фюзеляже - получается ситуация аналогичная пожару внутри топливного бака, который тушить, по сути, нечем. Обычно для защиты по границе с установленной пожароопасной зоной устанавливается стальная/титановая/Inconel ненесущая нагрузку противопожарная перегородка. Отсек оснащается соответствующим дренажём воспламеняющейся жидкости и вентиляцией.
Соответственно, когда на магистральном самолёте появляется установленная пожароопасная зона в фюзеляже, то вокруг неё строят стальной/титановый сейф с соответствующим весом. А учитывая, что при пожаре Li-Po идет активно образование газов и повышение давления, то этот сейф должен быть рассчитан на давление.
Вот теперь, когда в общих чертах я рассказал о проблеме Li-Po, перейдём к «разбору» конструкции летательных аппаратов, показанных в начале этой части статьи.
Следует учесть общий подход Норм летной годности в части безопасности – меньше людей на борту – ниже планка требований. Для сверхлёгких самолётов CS-VLA взлётным весом до 750 кг и двумя «самивиноватыми» людьми на борту требований по пожарной безопасности моторного отсека, как например, к категории CS25 или даже CS23, не применяется. Но разве Вам хочется оказаться в числе тех, смерть которых покроет страховка? Мне точно не хочется, учитывая опасность Li-Po относительно ДВС на бензине и ГТД на керосине, где можно, перекрыв кран, хоть как-то потушить пожар и попытаться сесть. А представьте, когда Li-Po у Вас в кабине, за спиной, например, или под попой. А при грубой посадке подломилась стойка шасси и АКБ повреждён. Я даже уверен, что пока самолёт остановится - спасать уже будет некого. Все эти моменты необходимо продумать. Главное не переусердствовать с безопасностью. А именно, необходимо помимо защиты от пожара - обеспечить, чтобы АКБ не повреждался до тех пор, пока человек способен выжить при вертикальном ударе ЛА при аварийной посадке, но не более того! При превышении перегрузки выживаемости человеку уже всё равно. Можно будет на крематории сэкономить.
Например, в большой авиации на этот счёт есть циркуляр FAA AC 25-30, где есть требования, чтобы при посадке со всеми невыпущенными шасси топливный бак не был в контакте с землёй и не был под воздействием скребущего эффекта. Посадка с невыпущенными шасси обычно сопровождается хорошим ударом и некоторыми повреждениями, поскольку нет ни пневматика, ни амортизатора, смягчающих посадочный удар.
Итак – самолёт с претензией на продажу. Категория сертификации по CS23 из начала этой части статьи.
Другая машина полегче из I-й части статьи, которая попадает уже в категорию очень лёгких самолётов (до 750 кг) по нашим АП-ОЛС
Теперь машина (PIPISTREL ALPHA), которая попадает в категорию очень лёгких самолётов (до 750 кг по АП ОЛС) - вес у неё 550кг и двигатель всего 60 кВт. Это, пожалуй, чуть ли не самый нижний предел по мощности, который я видел для двухместного самолёта (характеристики).
Если честно, то на такой тяге летать страшновато, но, вероятно, ввиду малой нагрузки на крыло и высокого аэродинамического качества, такой тяги хватает. Vy «скромно» не указывают, в отличие от других машин, хотя это очень важный критерий в части безопасности, поскольку для ухода на 2-й круг и прочих нештатных ситуаций самолёт должен суметь набрать высоту без опасной потери скорости, в разумных пределах, конечно, например, чтобы избежать столкновения.
Подведём итоги статьи
Сейчас, в отсутствие АКБ с приемлемыми удельными весовыми характеристиками и характеристиками энергоёмкости, летательным аппаратам с электрической тягой, тем не менее, есть куда развиваться. К сожалению, эта область ограничена. Учитывая «особенности» Li-Po АКБ в части пожара, стоит задуматься о том, чтобы потратить некоторый вес своего ЛА на то, чтобы хотя бы приблизить его по уровню безопасности к не таким уж экологичным самолётам с ДВС.
Нормы летной годности, как и дополнительные требования к ним пишутся авиационными властями по прецеденту. Пока не произошло несколько катастроф (одной обычно недостаточно) из-за пожара Li-Po АКБ на лёгких самолётах, как это было на магистральных машинах – требования вводить не будут. Потому пока «нет тела – нет дела».
Список источников:
(https://www.aeroexpo.com.ru/prod/pipistrel-doo/product-171425-774.html)
(https://deller.pro/elektrodvigateli/)
(https://electrotransport.ru/ussr/index.php?topic=50570.0)
( https://habr.com/ru/post/429734/ )
(https://lifeglobe.net/entry/6386)
(https://www.pipistrel-aircraft.com/aircraft/cruising/panthera/#tab-id-6)
(https://motocarrello.ru/jelektroljoty/1128-jelektrosamolet.html)
(http://www.laesieworks.com/ifo/lib/moller.html)
#Экология
#Li-Po
#Углеродный след
#Транспорт будущего
#Авиация
#Электросамолёты
#Самолёт своими руками
#Новости
#Пожар в полёте
#Электротранспорт