Сейчас производители авиационных двигателей уделяют повышенное внимание созданию гибридных силовых установок, в которых совмещён газотурбинный двигатель и электрический мотор. Эта комбинация позволяет существенно повысить топливную эффективность летательного аппарата, снизить вредные выбросы и повысить экономичность эксплуатации. Объединенная двигателестроительная корпорация впервые представила демонстратор гибридной силовой установки на форуме технологического развития «Технопром».
Гибридный подход в авиастроении
Развитие гибридных силовых установок (ГСУ) и их интеграция в состав летательных аппаратов различного назначения – это актуальная тенденция развития рынка авиадвигателей сегодняшнего дня. Она подразумевает комбинацию газотурбинного двигателя и электрического мотора, что позволяет решить проблемы современной авиации. Практически все крупные производители силовых установок для авиации ведут работы по созданию ГСУ. Ожидается, что такой двигатель позволит существенно снизить вредные выбросы в атмосферу. Одновременно предполагается экономия топлива, которая при интеграции ГСУ на региональные пассажирские и транспортные самолеты может составить до 30%.
В основе проекта - двигатель ВК-650В для легких вертолетов
Гибридные силовые установки – одно из ключевых направлений научно-технической стратегии ОДК. В конце 2022 года предприятие ОДК-Климов успешно испытало демонстратор мощностью 100 кВт. Именно это дало возможность конструкторам подойти к целевому рубежу мощности в 500 кВт.
Впервые демонстратор гибридной силовой установки мощностью 500 кВт представлен на форуме «Технопром-2023» в Новосибирске. В основе проекта лежит перспективный двигатель ВК-650В для легких вертолетов.
Демонстратор гибридной установки содержит основные функциональные элементы изделия. Все составные элементы – турбогенератор, электродвигатели, блоки силовой электроники электрических машин, аккумуляторная батарея и система автоматического управления установкой изготовлены, а сборка осуществлена на ОДК-Климов.
В перспективе одной из платформ для применения гибридной силовой установки может стать летательный аппарат вертикального взлета с неподвижным крылом. Для подъема в воздух такого аппарата массой около 3 тонн будут применяться две ГСУ мощностью 500 кВт. Такая конструкция позволит транспортировать грузы весом до 500 кг.
Гибридные силовые установки будут обладать рядом преимуществ перед традиционными газотурбинными силовыми установками. Прогнозируется уменьшенный расход топлива, экологичность, повышение безопасности полетов благодаря наличию двух источников энергии вместо одного, возможность вертикального взлета летательных аппаратов, взлета с коротких взлетно-посадочных полос и повышенная маневренность.
Весомым результатом работ стало создание цифровой распределенной САУ демонстратора ГСУ-100 с двойным резервированием. САУ обеспечивает автоматическое управление, контроль и диагностику силовой установки, ее систем и элементов, а также информационный обмен с автоматизированной системой управления технологическим процессом испытаний, которая имитирует бортовую систему управления.
Летные испытания демонстратора ГСУ
Осенью начнутся испытания демонстратора гибридной силовой установки (ГСУ) на специальном стенде, созданном на петербургском предприятии ОДК-Климов. Стенд универсальный, на нем можно испытать ГСУ различного вида - гибридные и электрические, мощностью до 1 МВт. В горизонте 2 лет планируется начать испытания на базе летной лаборатории.
Кстати, эта ГСУ, сочетающая в себе газотурбинный двигатель и электрический мотор, оптимальна для использования в аэротакси при полетах на расстояния более 600 км и транспортных беспилотниках.
Опытный образец нового летательного аппарата с установленным на него гибридным мотором может появиться на рынке аэромобильности в течение пяти лет.
В настоящее время ОДК активно прорабатывает альтернативные сферы применения ГСУ: на наземных и морских транспортных платформах, в энергетике, для городской аэромобильности.
Городская аэромобильность
Перспективы применения гибридных и силовых установок в беспилотных авиационных системах эксперты рассмотрели на форуме технологического развития «Технопром». В частности, были затронуты вопросы развития городской аэромобильности на горизонте до 2050 года и выстраивания кооперационных цепочек для производства таких беспилотников.
Гибридная силовая установка — один из наиболее перспективных проектов в авиастроении. Сфера ее применения — беспилотники, аэротакси, легкие многоцелевые вертолеты и самолеты, бизнес-авиация. Такая силовая установка повысит летные характеристики авиатехники и повысит безопасность полетов, а также даст возможность создавать летательные аппараты новой архитектуры.
Заместитель директора программы перспективных двигателей ОДК-Климов Михаил Шемет рассказал о будущем гибридных силовых установок. Основой послужили ведущиеся предприятием научно-исследовательские работы, направленные на создание гибридных силовых установок на базе собственных газотурбинных двигателей.
«У ГСУ широкие перспективы применения. По нашим оценкам гибридная установка, включающая электрическую и газотурбинную составляющие, будет оптимальным решением для транспортных беспилотников с мультироторной архитектурой для вертикального взлета и неподвижным крылом для горизонтального полета «по-самолетному». Электрическая силовая установка фактически ГСУ без турбогенератора может быть полезна в зарождающейся в мире сфере аэромобильности, например, ее можно применять для аэротакси. В этом случае допустимы малые дальности полета, а на первый план выходят экологичность и снижение шумового воздействия», - отметил Михаил Шемет.
Преимущества гибридных силовых установок перед традиционными газотурбинными - безопасность полетов, повышение летных характеристик летательного аппарата и возможность формирования целой линейки ГСУ на базе одного газотурбинного двигателя за счет варьирования мощности электрической части.
ГСУ как драйвер развития новых технологий
Разработка ГСУ позволит дать существенный импульс развитию технологий в области электрических машин, химических источников энергии и силовой электроники с высокой удельной мощностью и низкими массогабаритными показателями. Одновременно проводятся работы в смежных отраслях – в частности, в настоящее время изучается возможность применения биотоплива для газотурбинных двигателей – это существенно снизит уровень вредных выбросов.
Эксперты считают, что коммерциализация ГСУ в ближайшей перспективе будет ограничена мощностью в 1-1,5 МВт. Вместе с тем, развитие технологий позволит в средней перспективе создавать установки мощностью до 3 МВт для региональных и транспортных летательных аппаратов.
Полученный научно-технический задел в области гибридных технологий может быть использован не только для отрасли авиадвигателестроения, но и автопрома, морского и железнодорожного транспорта, а также электромашиностроения, электроники и источников тока.
В 2021 году начался этап наземных отработок самолета-летающей лаборатории с демонстратором ГСУ, в состав которого входит сверхпроводящий электрический авиадвигатель. Разработка этой установки ведется Центральным институтом авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) в широкой кооперации отечественных предприятий. Летающая лаборатория Як-40ЛЛ с ГСУ, в состав которой входит первый в мире электроавиадвигатель (мощность 500 кВт) с использованием технологий высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) выполнила полеты. В 2022 году специалисты ЦИАМ испытали на Як-40ЛЛ уже полностью сверхпроводящую силовую установку – ВТСП применяется в ней не только в двигателе, но и в генераторе, и в силовом кабеле.
