Название заголовка противоречит правилам русского языка так как содержит в себе стилистическую ошибку: «более» применимо к качественным прилагательным (спокойный, веселый, добрый), но никак не к относительным (стеклянный, магнитный, металлический). Однако ситуация обстоит именно так: «более электрический самолет», иначе не скажешь. Суть идеи в том, чтобы в самолете использовалась большая доля механизмов, систем и агрегатов, работающих на электрической тяге. В современном самолете более 30% КПД силовой установки тратится на вспомогательные функции: руление на взлетной полосе, фильтрация и охлаждение воздуха для подачи в салон и кабину пилотов. Все эти функции можно запитать от электричества, это будет гораздо удобнее, экономичнее и проще.
Что такое полет?
Фантасты представляют авиационные машины будущего как некие модули похожие на тарелки НЛО с огромной грузоподъемностью и сверхзвуковыми скоростями. К сожалению, в ближайшие 20-30 лет — это неосуществимо, хотя прогресс движется и предпосылки есть уже сейчас. Однако сделать перелеты более комфортными и дешевыми реально уже на данной стадии развития технического прогресса. Введение дополнительных элементов электрификации в системы авиационных машин это первый шаг на пути достижения этой цели. При этом существенно улучшится и экологическая составляющая, так как снизятся шумы при маневрах на взлетно-посадочной полосе и выбросы углекислого газа при работе основных двигателей в качестве маневровых. Силовые установки будут потреблять меньше топлива, увеличится ресурс турбин, что положительно скажется на стоимости билетов (по предварительным оценкам цена билета может снизиться на 40-50%). Прибыли авиакомпаний получат положительную динамику так как двигатели станут дешевле в обслуживании, ремонт реже, а затраты на покупку, транспортировку и логистику распределения топлива меньше.
Владимир Каргопольцев, директор Научно-технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации» видит будущее самолетостроения именно в данном направлении. Не так давно он давал интервью, в котором приоткрыл завесу над «магией полета».
«…в самолете сотни тысяч элементов, образующих единую систему. Вероятность того, что один из них выйдет из строя, очень мала, но, складываясь по цепочке, становится большой. А надо не только поднять самолёт в воздух и заставить лететь, есть задачи посложнее — сделать полеты дешевыми, тихими и экологичными. И что самое сложное, решать эти задачи нужно одновременно, хотя они противоречат друг другу. И здесь важную роль может сыграть использование электрической энергии…».
В качестве примера мы рассмотрим ближнемагистральный пассажирский самолет Sukhoi Superjet 100 – первый пассажирский самолет, созданный после распада СССР. На февраль 2019 года эксплуатируется 182 единицы.
В самолете есть ряд определенных систем, отвечающих за безопасность и жизнеобеспечение пассажиров, например:
1. Система кондиционирования воздуха (СКВ).
2. Бортовое радиоэлектронное оборудование (БРЭО).
3. Противообледенительная система (ПОС).
Общая мощность энергии, потребляемая этими системами примерно 1.7 – 1.9 МВт что в целом эквивалентно потреблению энергии городского квартала или относительно небольшого поселка. Причем надо учесть еще то, что энергия рассчитывается без учета расхода на, собственно, сам полет: это всего лишь вспомогательные системы.
Системы самолета можно разделить на четыре типа: пневматика (пуск турбин, кондиционирование салона), гидравлика (выпуск и подъем шасси, открытие-закрытие дверей и люков), механика (работа гидравлических и топливных насосов) и электрика (системы пилотирования самолета, навигация, маневровые и габаритные огни, освещение в салоне, связь). При традиционной компоновке электрика потребляет около 12% от всех энергозатрат. Это достаточно небольшая доля, считает Владимир Каргопольцев и нерациональное распределение энергоресурсов.
Электричество – это самый управляемый вид энергии, поэтому оптимизация авиационных систем должна идти с применением именно этого вида энергии. Иначе говоря, многие из систем самолета необходимо перевести на электропотребление – в этом случае увеличится КПД силовой установки, повысится эффективность распределения энергии самолета и снизятся потери. Это перспективное направление для модернизации рассматривается в качестве основного в современной авиации.
В качестве наглядного примера можно рассмотреть следующую систему – шасси. Самолет совершает наземные маневры и передвижение по полосе при работающих на малой тяге маршевых двигателях. Это малоэффективно по следующим причинам: несоразмерно высокий расход топлива и ГСМ при довольно низкой маневренности, а также большой выброс в атмосферу отработанных газов, ухудшающих экологическую обстановку в районе аэропорта. Плюс ко всему высокий уровень шума от постоянно работающих турбин. В ОАК предлагают следующее решение данной проблемы: установка электропривода на шасси.
Изначально привод планировали установить на носовое шасси, однако это было признано неэффективным так как расчеты показали, что площадь контакта самолета с поверхностью в точке приложения усилия маленькая, а вес, распределяемый на нос самолета невысок (около 7%). В результате шасси будет буксовать. Поэтому систему решили перенести на основное шасси. После такой модернизации самолет будет подобен электромобилю. Причем становятся возможны недоступные ранее маневры, например, борт легко разворачивается вокруг своей оси и даже может ехать задним ходом, что вообще нонсенс в авиации. При использовании маршевого двигателя доступно только движение вперед с поворотами, которые позволяет угол разворота носового шасси и габариты самолета. Если борт слишком велик, то используют тягач, поскольку сам он в принципе не может развернуться в ограниченном пространстве небольшого или загруженного аэродрома.
По словам Владимира Каргопольцева шасси на электроприводе более проходимо и устойчиво так как возможна плавная регулировка скорости движения по земле. Также стоит отметить, что использование данной системы более безопасно так как исключает риск затягивания посторонних предметов или птиц в турбину при перемещении по аэродрому (при взлете и посадке это маловероятно, ¾ повреждений самолет получает, находясь на земле). И наконец экологичность. Если представить выбросы в атмосферу углекислого газа и отработанной авиационной смеси в виде графика, то пик придется как раз на наземные маневры. Каргопольцев уверен, что в скором времени за отсутствие электропривода в шасси будут вводится штрафы и ограничения, как это уже происходит с нормами по шуму в аэропортах Западных стран.
В ОАК рассчитали экономичность электрического шасси. В год каждый самолет будет экономить примерно 150-160 тонн топлива (около 200 тыс. литров), расход на парк тягачей сократится примерно на 35-40%, также существенно снизятся ежегодные расходы на транспортировку топлива, и работу заправщиков. Выгода очевидна. Помимо этого, выбросы в атмосферу сократятся на 75%, шум в маневровой зоне снизится на 90%, а также исключается вероятность попадания постороннего предмета в воздухозаборник турбины до взлета. В перспективе это дает возможность уменьшения длины взлетно-посадочной полосы, и упрощению требований к стоянке и хранению авиационных бортов.
Можно привести и другой пример эффективного применения электрических систем – подача и кондиционирование воздуха в салон самолета. По словам Каргопольцева это «нож в спину двигателя». Имеется ввиду то, что воздухозабор для салона происходит в турбине, в камере компрессора низкого давления. Это конечно не камера сгорания, однако воздух там уже нагрет до температуры 400-500 градусов по Цельсию. Перед поступлением в салон, воздух охлаждают, очищают и увлажняют, и на это на все также тратится довольно много энергии силовой установки самолета. Самым оптимальный вариант для решения данной проблемы - забор воздуха напрямую из атмосферы, однако для этого необходимо чтобы компрессор и фильтры имели независимое электропитание.
Отдельно хочется остановиться на системе пуска турбин. Для того чтобы турбина «завелась» используют ВСУ – вспомогательную силовую установку. Это двигатель газотурбинного типа, чаще всего расположенный в хвостовом отсеке и помимо пуска маршевых двигателей не несет никаких дополнительных функций (в авариных случаях может использоваться как как электрогенератор). По факту летает как балласт и занимает много пространства. Есть смысл переработать систему пуска по подобию автомобильной – аккумулятор для этого потребуется гораздо меньше, к тому же система будет надежнее.
По такому же принципу можно модернизировать и сами турбины, так как в них много пневматических и гидравлических систем: подача смазки, топлива. Ели сделать их электрическими, как во многих современных авто, то можно добиться сразу двух целей – сократить вес (первостепенный параметр в авиации) каждой турбины минимум на 10-15% и снизить стоимость обслуживания так как хорошо отлаженные электронные системы ломаются в три раза реже нежели механические или гидравлические.
Однако несмотря на столь радужные перспективы ученые в ОАК думают и о возможных угрозах. Ведь ни для кого не секрет что из-за электромагнитных полей навигация может сбоит и отключаться, да и к тому же возможен риск образования молнии от самолета в грозу при таком обилии электронных систем на борту. Поэтому система нуждается в тщательных расчетах, моделировании и тестировании в различных условиях эксплуатации.
Отдельной строкой стоят два нюанса: пожарная безопасность и энергопотери. Впрочем, последнее можно частично нивелировать применением сверхпроводников. Некоторые сплавы при низких температурах обладают почти нулевым сопротивлением. Возможно, инженеры найдут решение с применением жидкого азота, однако сейчас никакие разработки в этой области не разглашаются. Сверхпроводники хороши еще и тем, что при коротком замыкании происходит, обрыв цепи без воспламенения.
Тяжёлое электричество
На самом деле попытки применения электрической силовой установки в воздухоплавании предпринимались еще в 19 веке. Первым был изобретатель Гастон Тиссандье, который в 1883 году совершил полет на дирижабле с электродвигателем. Из этого можно сделать вывод что идея электродвигателя в авиации уже довольно-таки стара, однако технического прорыва таки не произошло. Причина тривиальна – вес. Для наглядного примера достаньте из кармана смартфон и взвесьте в руке. Около 60% мобильного устройства будет приходиться на аккумулятор. И это при том что сейчас технологии аккумуляторных батарей исчерпали лимит модернизации, разработчики выжали из них все что можно, и легче они уже не станут. Для прорыва в этой области необходим совершенно новый вид энергохранилищ.
Разумеется, прогресс не стоит на месте и попытки предпринимаются. Самыми запоминающимися были две: в 1973 году состоялся полет планера Militky MB‑E1. В общей сложности время нахождения в воздухе составляло около 10 минут. Это был первый успешный полет на электродвигателе. Второй состоялся в 2014 году: кругосветное путешествие на планере Solar Impulse 2, который заряжался от солнечных батарей. Во время кругосветного путешествия было совершено 12 посадок. Однако это все экспериментальные или единичные модели, причем сверхлегкой авиации. В массовых перевозках это неосуществимо ввиду низкого КПД солнечных панелей – для пассажирского лайнера их потребуется несколько тысяч квадратных метров.
К сожалению, полностью электрический самолет, предназначенный для массовой перевозки пассажиров, пока остается недостижимой мечтой. Зато часто рассматриваются проекты увеличения доли электрической энергии в системах самолетов. Юрий Добровольский, химик Научно-технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации» говорит следующее «…То, что электрическая энергия самая удобная и эффективная, вроде бы никто не оспаривает. Возникает вопрос, в чём её хранить…».
Самое простое решение – аккумуляторы. Но тут есть свои нюансы. Во-первых, как мы уже говорили несмотря на технические достижения это довольно тяжелые устройства. Разумеется, их используют в авиации, но они достаточно компактны и имеют маленький объем. Инженеры вывели пропорцию что в идеальных условиях 1 килограмм АКБ (причем абсолютно новой со 100% ресурсом) запасает в среднем 80-100 ватт электроэнергии. Нетрудно рассчитать, что для небольшого пассажирского самолета потребуется батарея весом в несколько тонн. Понятно, что это направление бесперспективно пока не изобретут какие-либо новые сверхлегкие материалы для производства аккумуляторов.
Во-вторых, опять вспомним мобильник. Все пользователи знают, что зарядка — это дело долгое, поэтому чаще всего ставят устройства заряжаться на ночь. Причем чем больше объем, тем дольше время подзарядки батареи. Аккумуляторы не могут быстро накапливать энергию, поэтому даже если удастся компенсировать вес батареи ее все равно придется долго заряжать. В случае с объемами необходимыми для пассажирского лайнера время заряда может измеряться сутками. Худший кошмар авиаперевозчика: самолеты неделями заряжаются чтобы сделать один перелет, а пассажиры аналогично будут ждать пока самолет будет готов к перелету. Это будет абсолютно невыгодно. Поэтому здесь необходима совершенно иная технология накопления и хранения электричества
Электричество из протонов и электронов
Возможно, лет через 10-15 самолеты будут на электричестве. Это будет достигнуто благодаря двум вещам – суперконденсаторам и топливным химическим элементам. Именно за ними будущее в развитии авиационной и автомобильной промышленности на электрической тяге.
Суперконденсаторы или ионисторы это промежуточное звено между конденсатором и химической аккумуляторной батареей. Главная особенность этого элемента – малый удельный вес. Ионистор состоит из пористых материалов и обладает долгим сроком эксплуатации – при тестировании после 100 000 циклов зарядки-разрядки уровень деградации объема составил около 1%. Еще одним неоспоримым преимуществом является большой ток. В авиационных двигателях такое устройство может применятся в системе пуска турбин. Но у суперконденсатора есть и минусы – высокая стоимость производства и относительно быстрая потеря заряда.
Поэтому для длительного хранения энергии необходима вторая технология – топливные химические элементы. Именно эту задачу и решает команда под руководством Юрия Добровольского. «…Они относительно небольшие и лёгкие, ведь вся энергия у них в водороде. Это важно для авиации. На один килограмм массы можно запасти не меньше 500 ватт…».
Данный элемент также использует в своей работе химическую реакцию, однако это не окисление как в свинцовых аккумуляторах и не ионизация как в литиевых, а скорее горение. На входе поступают кислород и водород, а на выходе электрическая энергия.
Работает это так: есть катод (-) и анод (+), оба расположены с разных концов условной «батареи». Сами электроды, это угольные пластины, покрытые платиновым катализатором. При подаче водорода на анод молекулы распадаются на протоны и электроны, которые затем направляются на специальную мембрану. Она предназначена для улавливания электронов, и до катода доходят только протоны водорода. Затем они соединяются с молекулами кислорода образуя воду и высвобождая значительное количество энергии, которое преобразуется в электричество. Процесс протекает с небольшим образованием тепла. На выходе КПД достигает 75-80%.
Принцип получения электричества из водорода был открыт в 1839 году Уильямом Гроувом, однако идея не нашла практического применения. Попутки воспроизвести топливные элементы предпринимались в 70-80 годы в СССР, однако элементы были нестабильными и плохо реагировали на изменение температуры, вибрацию и тряску.
Но благодаря работе Добровольского и его коллегами были достигнуты немалые успехи в этом направлении. «…Наши топливные элементы могут работать даже при минус сорока. А западные аналоги рассчитаны только на плюсовые температуры…».
Само собой разумеется, что у таких систем есть и недостатки. В первую очередь это стоимость. В элементе используется платина, в качестве катализатора, но самым дорогим является именно мембрана. Отчасти прорыв связан с тем, что ученые смогли найти относительно дешевый способ производства этих мембран. Что же качается сырья то тут проблем не возникнет. Любой промышленный город в состоянии произвести необходимое количество водорода так как он используется при изготовлении мыла, полимеров, удобрений, в пищевой отрасли.
Исследования Добровольского и его команды — это вполне применимая технология, а не только экспериментальные опыты и тестовые образцы. Учёные активно сотрудничают с ОАК и другими производственными компаниями. Как говорит сам Юрий «…Я думаю, электрики в самолёте с каждым годом будет всё больше. Когда-нибудь дело дойдёт и до маршевого двигателя — мы откажемся от тепловой машины в пользу электричества…».