5 июня в США в штате Флорида состоялся успешный пилотируемый полёт электрического самолета на твердотельных батареях. Испытания проводила некоммерческая организация Helios Horizon, пилотом выступил основатель проекта и главный летчик-испытатель Мигель Итурменди. Полёт стал возможен благодаря доработке используемых ранее твердотельных батарей до показателя плотности энергии 410 Вт·ч/кг, что на 60–80% больше, чем у лучших литий-ионных батарей современных электромобилей. Самолёт смог подняться на высоту 7,3 км, а его предполагаемый потолок полёта - 12,2 км.
До текущего момента считалось, что электросамолёт, работающий от аккумуляторов очень сложно поднять в небо из-за высокой массы. Он просто не сможет нести полезную нагрузку, поскольку будет перевозить только свои тяжёлые литий-ионные батареи. Инженеры из США смогли доказать обратное.
С недавних пор литий-ионные батареи стали легче и безопаснее при переходе к твердотельному типу, в котором жидкий электролит заменили на твёрдый с вкраплением солей, переносящих ионы между катодом и анодом. Такие источники энергии не воспламеняются, если их проткнуть, а также не разряжаются при экстремальных температурах. То есть, при температуре -40°С они работают также, как при +20°С.
Сегодняшняя головная боль крупных авиапроизводителей - это снижение углеродного следа. Недавно на канале рассматривался проект первого самолёта на водородном топливе ZEROe от Airbus. Именно в водороде видят для себя выход передовые авиагиганты.
Между тем, небольшая некоммерческая организация из Флориды собрала и совершила первый в мире пилотируемый полёт на своём экспериментальном летательном аппарате Helios Horizon. Самолёт, управляемый пилотом, поднялся в воздух, используя исключительно энергию твердотельных батарей. Это событие наглядно показывает, что коммерческая электрическая авиация возможна.
Принцип работы и испытания.
Как было отмечено выше, успешный полёт состоялся ранним утром 5 июня в муниципальном аэропорту Зефирхиллс (центральная Флорида). Экспериментальным самолётом управлял основатель проекта и главный летчик-испытатель Мигель Итурменди. Самолёт Helios Horizon, на котором проходил полёт, представлял собой модифицированный мотопланер Pipistrel Taurus. Самым важным изменением в мотопланере стала замена его литий-ионных аккумуляторов с плотностью энергии 260 Вт·ч/кг на твердотельные батареи с плотностью 410 Вт·ч/кг. Новые батареи были безопаснее, легче и занимали гораздо меньше места в конструкции самолёта.
Серия коротких, успешных полётов подтвердила безупречную работу конфигурации летательного аппарата. Впервые в истории в небо поднялся пилотируемый самолет, движимый твердотельным накопителем энергии.
Новые твердотельные элементы, установленные на Helios Horizon, обладают номинальной ёмкостью 410 Вт·ч/кг. Для сравнения: это на 60–80% больше, чем у лучших литий-ионных батарей современных электромобилей. Их небольшие физические размеры изначально нашли себя в смартфонах, позволяя гаджетам оставаться тонкими, но работать гораздо дольше. При этом на их работоспособность не влияет температура окружающей среды.
Другой важной характеристикой таких батарей является скорость зарядки. Так, по словам разработчика, время зарядки батарей самолёта от 0 до 80% составляет всего 15 минут. Надо отметить, что такой параметр очень важен для коммерческой авиации, где простой воздушного судна недопустим.
Итурменди отметил, что их команда не остановится на достигнутом, а продолжит совершенствовать аккумуляторы стараясь поднять их ёмкость на 40% в течение ближайших двух лет.
Помимо чисто энергетических характеристик, твердотельная технология решает самый важный вопрос гражданской авиации — пожарную безопасность. В обычных литий-ионных аккумуляторах используется легковоспламеняющийся жидкий электролит. В твердотельных элементах питания его заменили на твёрдый материал, получив гарантированную стабильность работы при различных температурах, а также устойчивость к физическим деформациям.
Новое изобретение оказалось ещё и универсальным в плане зарядки аккумуляторов. По словам разработчиков, для зарядки самолёта достаточно практически любого источника переменного тока. Необходимости создавать специальные зарядные станции нет.
Вместе с этим, конструкция самолета предусматривает зарядку от возобновляемых источников энергии, то есть от солнечных батарей и ветряной турбины. Во время полёта работают встроенные солнечные панели, а при планировании и снижении пропеллер переводится в режим ветряной турбины, возвращая драгоценную энергию обратно в батареи. Эти инженерные решения направлены на увеличение длительности полётов.
Технические возможности.
Пока Helios Horizon смог подняться и совершить полёт на высоте около 7,3 км. Главная цель, запланированная на конец этого года, — стратосферный бросок на высоту свыше 12,2 км. Для сравнения, такая высота превышает высоту полётов самолётов гражданской авиации.
По словам основателя проекта, благодаря новому источнику питания, такой полёт, включая набор высоты, работу на потолке и снижение, будет выполнен на одном заряде батареи.
Состоявшаяся 5 июня многочасовая непрерывная эксплуатация электрического самолёта позволила в реальных условиях оценить правильность весовой балансировки и стабильную работу силовой установки.
Точные цифры максимальной скорости и предельной дальности полёта разработчиками пока не разглашаются.
Есть ли в России аналогичные разработки?
На фоне американского прорыва у меня, как у верноподданного гражданина своей страны возникает вопрос: а каковы позиции России в гонке за "электронебом"? Пока из новостей не слышно об испытаниях наших пилотируемых полётов на чистых твердотельных элементах.
Тем не менее, прошлогоднее посещение V Конгресса молодых учёных и общение с нашими отечественными разработчиками твердотельных элементов питания лично мне наглядно показали, что технологический задел и стратегия развития есть. Они существенно отличаются от западных, но имеют свои сильные стороны.
Во-первых, российские разработки больше склоняются в сторону гибридных силовых установок и водородного топлива. Такие проекты рассматриваются нашими инженерами как более реалистичный путь развития гражданской авиации, который обязан учитывать климатические условия страны. В качестве примера здесь можно привести проект гибридной силовой установки на базе самолета Як-40ЛЛ, реализуемый ЦИАМ имени П. И. Баранова (входит в НИЦ "Институт имени Н. Е. Жуковского"). На текущий момент времени он уже прошёл этап испытаний с использованием литий-ионных батарей и электродвигателя на высокотемпературных сверхпроводниках. Создаётся эта установка с целью дальнейшего использования в небольшом 19-местном самолете на водородных топливных элементах.
Во-вторых, если говорить именно о твердотельных батареях, то российская наука фокусируется на исследовании материалов для дальнейшего создания аккумуляторов с большой плотностью энергии. Так, к примеру, Институт проблем химической физики напрямую занят исследованием твёрдых электролитов, включая керамические и стеклообразные материалы на основе сульфидов и оксидов. Проблемы, сдерживающие российские разработки, всегда одни и те же - недостаточное финансирование и несостоявшееся масштабирование от лабораторного образца к промышленному производству.
В-третьих, российская авиация делает ставку на технологии сверхпроводимости. Электродвигатель на ВТСП, созданный в рамках проекта "СуперОкс" и испытанный в ЦИАМ, обладает уникальными удельными показателями мощности, которые могут нивелировать временное отставание в плотности энергии накопителей. Проще говоря, Россия может ответить не столько созданием аккумулятора высокой энергетической плотности, сколько постройкой силовой установки, которая сможет эффективно работать даже с имеющимися накопителями.
И в заключение стоит упомянуть о всё ещё существующей школе малой авиации, где отечественные инженеры из команды "Электролёт" создают электрические самолёты с вертикальным взлетом и посадкой, хотя и на стандартных литий-ионных элементах.
Так что российская наука всё ещё остаётся сильной и продолжает развиваться, подчас удивляя невероятными проектами.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.