Гибридные надежды

Гибридные силовые установки с использованием электроэнергии позволят решить проблему недостаточной емкости аккумуляторных батарей. В ближайшей перспективе с их помощью можно будет экономить энергию и сокращать выбросы вредных веществ. Они позволят отказаться от традиционных схем и воспользоваться преимуществами электрификации. Вот несколько подобных проектов.

NASA X-57 Maxwell

Флагманской программой Национального аэрокосмического агентства США (NASA), посвященной электродвигателям, является летный демонстратор X-57 Maxwell. Это модифицированный двухдвигательный поршневой самолет Tecnam P2006T с распределенной силовой установкой, использование которой должно в пять раз снизить расход энергии при полете в крейсерском режиме. В долгосрочной перспективе X-57 планируется эксплуатировать как летающую лабораторию, на которой будут испытывать разные концепции гибридных силовых установок.

Экономить энергию самолету позволяют три конструктивных особенности. Во-первых, это электрические двигатели мощностью 85 кВт, установленные вместо поршневых и используемые для полета в крейсерском режиме. Во-вторых, это винты для крейсерского режима полета. Ради усиления эффективности их установят на законцовках крыла в зоне возникновения завихрений. В-третьих, это винты, размещенные на передней кромке крыла. На небольшом крыле с низким уровнем аэродинамического сопротивления они позволят увеличить подъемную силу на низких скоростях.

NASA продемонстрирует эти особенности по очереди. Сначала X-57 полетит с электродвигателями. Их поставят вместо поршневых установок, оставив оригинальные мотогондолы и сохранив конструкцию крыла. Полет запланирован на начало 2018 г. Затем самолет полетит с небольшим крылом высокого удлинения. На его законцовки поставят моторы для крейсерского режима полета.

На последнем этапе на передней кромке крыла установят 12 моторов, которые должны будут увеличить подъемную силу. Их использование призвано продемонстрировать, что с увеличением подъемной силы самолет с маленьким крылом будет иметь столь же невысокую минимальную скорость (скорость сваливания), что и самолет с оригинальным крылом P2006T. Для снижения аэродинамического сопротивления в крейсерском режиме полета винты будут складываться.

На X-57 установят аккумуляторы, однако в скором времени NASA приступит к наземным испытаниям новой системы питания для экспериментальных самолетов на основе топливных элементов. Проект FueLeap основан на использовании твердооксидных топливных элементов (solid oxide fuel cell, SOFC), которые вырабатывают электричество, соединяя водород из авиационного топлива с кислородом из воздуха. Возможностей SOFC будет хватать для обеспечения самолета энергией в крейсерском режиме полета и для подзарядки аккумуляторов. Последние предназначены для увеличения мощности при взлете и во время экстренных ситуаций. Такая система питания должна быть на 60% эффективнее существующих. В NASA полагают, что затраты на топливо можно будет снизить более чем на 50%. Примерно на столько же планируется сократить выбросы диоксида углерода. Эмиссию оксидов азота можно будет вообще свести к нулю.

В NASA также думают над гибридными силовыми установками с криогенным охлаждением, предназначенными для малых самолетов. В качестве топлива для них планируется использовать сжиженный природный газ; с его же помощью будет охлаждаться электромотор. Поскольку электрические механизмы более эффективны при низких температурах, криогенное охлаждение повышает их мощность. Таким образом, на аэротакси, рассчитанные на одного–двух пассажиров, можно будет ставить компактные и легкие моторы.

Pipistrel Hypstair

Летный демонстратор Pipistrel Hypstair

Фото: Pipistrel

В Евросоюзе в рамках научно-исследовательской программы Hypstair завершены наземные испытания самого мощного существующего гибридного авиадвигателя. Программа Hypstair, возглавляемая словенским производителем легких самолетов Pipistrel, была трехлетним проектом стоимостью 6,5 млн евро, который завершился наземными испытаниями силовой установки мощностью 200 кВт, интегрированной в фюзеляж легкого самолета.

Hypstair представляет собой гибридную установку, в которой используется двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие генератор. Сам генератор вместе с аккумуляторами обеспечивает энергией электромотор, соединенный с винтом низкой частоты вращения. Самолет сконструирован на базе четырехместной модели Panthera от Pipistrel. Предполагается, что рулить машина будет только с использованием электроэнергии, взлетать и набирать высоту — с помощью генератора (для усиления мощности будут использоваться аккумуляторы), с его же использованием — лететь в крейсерском режиме и снижаться перед посадкой (попутно генератор будет заряжать аккумуляторы), а садиться и рулить — снова только на электроэнергии от батарей.

Мотор Siemens весит 45 кг, его максимальная мощность составляет 200 кВт. Постоянная мощность двигателя, независимо от температуры и плотности воздуха, — 150 кВт. Система аккумуляторных батарей весит 110 кг. Имея полезную емкость 13 кВт⋅ч, батареи поддерживают постоянную мощность 200 кВт. Поршневой двигатель Rotax 912 с турбонаддувом, в котором редуктор заменен генератором, выдает 100 кВт электрической мощности. При мощности 100 кВт на крейсерском режиме Panthera развивает скорость 160–170 узлов, говорят в Pipistrel.

В резервных целях генератор и электромотор оснащены двумя обмотками каждый. Отказоустойчивость обеспечивается за счет установки четырех преобразователей. Каждая обмотка генератора обеспечивает энергией два преобразователя/контроллера, один аккумулятор и одну обмотку электромотора. При отказе одной обмотки генератора или электромотора, либо если происходит поломка преобразователя или контроллера, для использования доступно только 100 кВт энергии. При отказе аккумулятора мощность силовой установки составляет 75 кВт, при поломке двигателя внутреннего сгорания — 120 кВт.

Электромотор и генератор крепятся в тех же точках, что и поршневой двигатель. Двигатель с жидкостным охлаждением имеет встроенный подшипник винта, интегрированный гидравлический регулятор винта, а также механические насосы масляной системы и системы охлаждения. Аккумуляторы с воздушным охлаждением установлены внутри крыла и оснащены активной системой управления для предотвращения теплового разгона.

Для эксплуатации гибридных установок Hypstair разработала новые элементы управления и дисплеи. К ним относится рычаг управления мощностью, который обеспечивает тактильную обратную связь. Низкое сопротивление при перемещения рычага указывает на зарядку аккумуляторов, высокое — на то, что батарея разряжается. По мере перемещения рычага и увеличения мощности на него передаются толчки. Первый обозначает, что батарея перешла из состояния зарядки в режим расхода энергии, второй — что она вошла в режим увеличения мощности. Шероховатость движений свидетельствует о низком заряде батареи, и чем она сильнее — тем ниже заряд.

Программа Hypstair была завершена в конце августа в рамках европейской исследовательской программы Framework 7. По итогам наземных испытаний планера Panthera достигнут четвертый уровень готовности технологий. В Pipisitrel надеются, что в будущем в рамках одного из европейских проектов она получит финансирование на летные испытания.

Onera Ampere

Проект летательного аппарата Onera Ampere

Фото: Onera

Ampere — внутренний проект французского аэрокосмического исследовательского агентства Onera, запущенный в 2015 г. для исследования распределенной электрической силовой установки и рассчитанный на три года. Прототип самолета оснащен "гиперраспределенной" силовой установкой, в которой используется от 32 до 40 электрических туннельных вентиляторов, установленных на передней кромке крыла, где они обеспечивают тягу и увеличивают подъемную силу.

В Onera рассчитывают создать персональный самолет, способный перевозить четырех человек на 400–500 км примерно за два часа. Воздушное судно должно быть оснащено упрощенной системой пилотирования и навигации, а также быть малошумным, поскольку летать на нем планируется с городских аэродромов.

В середине октября Onera планировала приступить к испытаниям масштабной модели (1:5) в аэродинамической трубе, расположенной в Лилле на севере Франции. Вместе с распределенной силовой установкой в рамках проекта идет разработка элементов управления гибридного самолета. Они представляют собой комбинацию из обычных аэродинамических поверхностей и электрических туннельных вентиляторов, которая позволит снизить энергопотребление и ограничить массу.

Прототип обладает архитектурой распределенного электропитания с гибридными источниками энергии, разделенными на 8–10 модулей, каждый из которых состоит из топливных элементов с протонообменной мембраной и литий-ионных аккумуляторов. Такая схема позволяет сделать силовую установку отказоустойчивой и обеспечивает нулевые выбросы во время эксплуатации, говорят в Onera.

К другим особенностям проекта относится гибридный металлокомпозитный планер, использование которого облегчает прокладку электропроводки, минимизирует проблемы с электромагнитной совместимостью и улучшает терморегулирование.

Региональный самолет ЦАГИ

Проект регионального самолета ЦАГИ

Фото: ЦАГИ

Российский Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) разрабатывает концепцию легкого регионального самолета с распределенной электрической силовой установкой, способного совершать короткие взлет и посадку. Для увеличения подъемной силы на малых скоростях крыло обдувается струями от нескольких воздушных винтов, установленных на его передней кромке. Часть винтов в крейсерском полете убирается, что позволяет увеличить скорость, а также уменьшить аэродинамическое сопротивление и расход топлива, пояснили в ЦАГИ.

Airbus E-Fan

Летный демонстратор Airbus E-Fan

Фото: Airbus

В рамках изучения электрических силовых установок Airbus Group подняла в воздух демонстратор технологий E-Fan в гибридной конфигурации. E-Fan 1.2 оснащен двигателем внутреннего сгорания, установленным за кабиной пилотов и достаточно мощным для питания двух электрических туннельных вентиляторов, поддерживающих крейсерскую скорость полета. Одновременно он подзаряжает аккумуляторы, которые используются во время взлета и посадки для снижения уровня шума.

В сотрудничестве с французским производителем самолетов АОН Daher-Socata Airbus приступил к созданию двухместного летательного аппарата E-Fan 2.0. Первый полет запланирован на 2017 г., начало эксплуатации — на 2018-й. Однако что будет дальше, остается неясным. Сообщается, что компания интересуется выпуском более крупных самолетов, чем изначально запланированные четырехместные гибридные E-Fan 4.0.

Diamond Aircraft

Летный демонстратор Diamomd DA36 E-Star

Фото: Airbus

Австрийская компания Diamond Aircraft Industries в сотрудничестве с Siemens, Austro Engine и Airbus подняла в воздух первый серийный гибридный самолет в 2011 г. Двухместный DA36 E-Star был оснащен электромотором мощностью 70 кВт, двигателем внутреннего сгорания Wankel мощностью 30 кВт, приводившим в действие генератор, и аккумуляторами, которые увеличивали мощность во время взлета и набора высоты.

Впоследствии компания объявила, что в рамках долгосрочного сотрудничества с Siemens и Airbus берется за исследование электрических силовых установок. В 2015 г. Diamond обнародовала планы по созданию легкого гибридного самолета на базе четырехместного поршневого DA40. Тогда же она анонсировала разработку шестиместного гибридного конвертоплана с четырьмя винтами, двумя моторами Siemens и двумя дизельными двигателями Austro. Другие подробности об этом проекте не разглашаются.