Вверх на электричестве: электросамолёты будущего

Пульсирующие воздушно-реактивные авиа двигатели

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не нашли применения в современной авиации из-за неудовлетворительной своей эффективности. Главной особенностью их функционирования является то, что работают они на принципе воздушно-реактивного двигателя. С той лишь разницей, что топливо в камеру сгорания подаётся периодически, создавая своеобразные импульсы, позволяющие двигать объект в заданном направлении.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели эффективны лишь при однократном своём использовании, в последующих же случаях, их использование снижает и саму надёжность и увеличивает затраты.

История

Ранняя история

Дирижабль La France с электрическим двигателем, 1883

Электрические двигатели на воздушных судах применялись ещё в XIX веке. 8 октября 1883 года французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье совершил первый полёт на дирижабле La France с использованием электрического двигателя Вернера фон Сименса, питавшегося от 435-килограммовой батареи. В следующем году Шарль Ренар совместно с Артуром Кребсом совершили полёт на дирижабле с более мощным двигателем.

Авиамодели

Запуски электрических авиамоделей с неподвижным крылом осуществляются с 1957 года, однако имеются неподтверждённые сведения о запуске в 1909 году. Электрические модели уступали в скорости моделям, летающим на жидком топливе, и были дороже. Главным недостатком было отсутствие ёмких аккумуляторов, в связи с чем широкое распространение электромодели получили лишь в начале 1990-х.

1964 год. Американский инженер Уильям Браун продемонстрировал журналисту CBS News Уолтеру Кронкайту модель вертолёта, получающую необходимую для полёта энергию от микроволнового излучения.

Первые пилотируемые полёты

Solar Challenger совершил перелёт через Ла-Манш 1981 году

В 1973 году Фред Милишки и Хейно Брдишка на базе австрийского моторного планера Brditschka HB-3 создали вариант Militky MB-E1 с электрическим двигателем. Хейно Брдишка в том же году совершил полёт на нём продолжительностью 14 минут. Таким образом, модель Militky MB-E1 стала первым пилотируемым электрическим летательным аппаратом, поднявшим человека в воздух.

29 апреля 1979 года в городе Риверсайде (штат Калифорния), 35-минутный полёт с человеком на борту совершил самолёт Mauro Solar Riser, оснащённый электромотором мощностью 3,5 л. с. и 30-вольтным никель-кадмиевым аккумулятором, снятым с вертолёта Hughes 500. На крыльях самолёта хоть и располагались солнечные фотоэлементы, однако возможность подзаряжаться во время полёта отсутствовала. Инициатором создания выступил Ларри Мауро. Однако, дальше испытаний дело так и не зашло.

7 июля 1981 года через пролив Ла-Манш совершил перелёт Solar Challenger. Время полёта составило 5 часов 23 минуты.

1980—1990 годы

Sunseeker I пересёк США в 1990 году

С 1983 по 2003 годы агентство NASA финансировало создание самолётов Pathfinder и его модификаций Pathfinder Plus, Centurion и Helios в рамках экологических исследований. Последнему из них принадлежит рекорд по высоте подъёма среди крылатых летательных аппаратов без реактивных двигателей — 29,5 км.

В 1990 году Эрик Раймонд завершил работу над своим детищем Sunseeker I, начатую в 1986 году. Sunseeker I пересёк США, потратив на это 21 полёт и 121 час в воздухе.

2000-е — наши дни

Беспилотному аппарату Helios принадлежит высотный рекорд для электрических самолётов — 29,5 км

Существенный рывок эта область самолётостроения получила в конце 1990-х — начале 2000-х, когда созданием электросамолётов заинтересовались частные фирмы. Среди причин, способствовавших развитию нового типа самолётов стало повышение требований к защите окружающей среды, появление современных ёмких аккумуляторов, а также лёгких и прочных материалов. Помимо прочего, электрические самолёты отличает низкий уровень шума, что может быть хорошим преимуществом при выполнении разведывательных операций.

Британский беспилотный летательный аппарат QinetiQ Zephyr с питанием от солнечных батарей в 2010 году установил мировой рекорд длительности полёта БПЛА, пробыв в воздухе две недели.

20 июля 2012 года Long-ESA установил рекорд скорости для самолётов с электродвигателем, разогнавшись во время испытания до 326 км/ч.

Швейцарский самолёт Solar Impulse, находящийся в проектной стадии, возможно станет первым в мире пилотируемым самолётом, способным неограниченно долго летать за счёт энергии Солнца. В 2015 на самолёте «Solar Impulse 2» планировалось совершить кругосветный полёт (с промежуточными посадками). Из-за технических проблем полёт прервался в июле 2015 года на Гавайских островах и завершился в июле 2016 года.

В июле 2014 года на авиасалоне в Ле-Бурже представлен самолёт Airbus E-FAN, проектируемый как тренировочный самолёт, способный выполнять фигуры высшего пилотажа.

28 июня 2016 года компания провела пробный запуск беспилотного самолёта Aquila на солнечных батареях, предназначенного для раздачи интернета жителям труднодоступных районов. По словам Марка Цукерберга, подобные аппараты смогут проводить в полёте до нескольких месяцев на высоте 18 километров. В планах компании создать целый флот из подобных беспилотников.

4 июля 2016 года компания Siemens провела пробный запуск электрического самолета EXTRA 330LE.

Преимущества электрической тяги в авиации

Появление электрической тяги в авиации стало одним из самых заметных событий с момента появления реактивных двигателей. На первый взгляд может показаться, что высокая масса современных аккумуляторных батарей ограничивает применение электрических самолетов рядом второстепенных ролей. Однако характеристики электродвигателей заметно отличаются от характеристик традиционных двигателей внутреннего сгорания. Последние достижения науки и техники позволяют значительно уменьшить конструктивные ограничения, налагаемые на ряд конфигураций летательных аппаратов. Становится возможным проектировать новые типы самолетов, которые ранее считались непрактичными или же вовсе нереализуемыми. Данное утверждение особенно справедливо для самолетов ближнего радиуса действия, которые традиционно являются относительно небольшими и приводятся в движение поршневыми двигателями.

Размеры, масса и специфические требования к обслуживанию ограничивают количество устанавливаемых на самолете поршневых двигателей (нередко ставится лишь один), да и выбор мест их размещения оказывается невелик. Именно поэтому большинство современных самолетов и вертолетов авиации общего назначения внешне мало отличаются от тех, что летали в 1950­е. С другой стороны, электрические силовые агрегаты гораздо меньше, легче и проще: некоторые из них имеют всего одну подвижную деталь, в то время как в поршневом двигателе обязательно присутствуют система охлаждения, электросистема, система смазки, топливная система и т.д. Благодаря подобной простоте значительно снижается и трудоемкость технического обслуживания. Чем меньше размер двигателя внутреннего сгорания, тем ниже его удельная мощность на единицу массы и КПД. Электродвигатели лишены подобного недостатка: удельная мощность и КПД электродвигателя мощностью 1 кВт практически такие же, как и у электродвигателя мощностью 1000 кВт. Кроме того, электрические силовые агрегаты имеют КПД в три раза выше (примерно 90­95% по сравнению с 30­40% у двигателей внутреннего сгорания). Электродвигатели способны работать в гораздо более широком диапазоне частот вращения и быстро менять частоту. Наконец, электрические силовые агрегаты заметно тише двигателей внутреннего сгорания. Это может подтвердить любой, кто слышал, как работает электромобиль.

Рис. 1. Компьютерная визуализация ЛА Joby S2

Конечно, простая замена двигателя внутреннего сгорания на электродвигатель снизит уровень шума и повысит КПД. Однако для получения значительных преимуществ электрический самолет надо проектировать с нуля. Свойства электрической силовой установки позволяют оснастить летательный аппарат большим числом малогабаритных двигателей без существенного усложнения (что снижает стоимость обслуживания) или утяжеления конструкции и с сохранением высоких летных качеств. Относительно малые габариты и масса заметно расширяют выбор мест установки электродвигателей на самолете. Кроме того, установка легких двигателей, используемых только на определенных этапах полета (в частности, при взлете и посадке), не приводит к существенному ухудшению характеристик, как это нередко случается с традиционными двигательными установками. Например, возникает сопротивление трения от тянущего воздушного винта, ускоряющего поток воздуха вокруг фюзеляжа. Гибкость же электрической силовой установки позволяет улучшить аэродинамику: воздушные винты можно размещать на концах крыльев, где они используют часть энергии, теряемой на завихрение воздушного потока.

Тихий полет

Pipistrel Velis Electro представляет собой легкий двухместный самолет, предназначенный в основном для обучения пилотов. Согласно концепции разработчика, он должен быть простым в управлении и обслуживании, и при этом безопасным.

В кабине Velis Electro специально установлен упрощенный пользовательский интерфейс :: Pipistrel

Самолет оснащен электродвигателем Pipistrel E 811-268MVLC, мощность которого составляет 57,6 кВт. Двигатель также был сертифицирован EASA 18 мая 2020 г.

Питание двигателя постоянного тока осуществляется от аккумуляторной системы напряжением 345 В, состоящей из двух включенных параллельно батарей с общей номинальной емкостью 24,8 кВт*ч. Обе батареи также оснащены системой жидкостного охлаждения, которая состоит из радиатора с двумя высокоэффективными вентиляторами и двух включенных последовательно электронасосов для циркуляции охлаждающей жидкости.

На сайте производителя также сообщается, что один аккумулятор расположен в носовой части самолета, а второй — за кабиной. Это обеспечивает резервирование источника питания: в случае отказа батареи неисправный аккумулятор автоматически отключается от системы. Одна батарея способна работать в автономном режиме и обладает достаточной мощностью для поддержки набора высоты и продолжения полета.

Силовая установка самолета, как заявляет Pipistrel, продемонстрировала в рамках сертификации способность противостоять неисправностям, тепловым разрядам батарей и аварийным нагрузкам :: Pipistrel

Размах крыла Velis Electro составляет 10,7 м, длина — 6,5 м; пустой вес машины вместе с батареями — 428 кг, максимальная взлетная масса — 600 кг, крейсерская скорость — 90 узлов или 167 км/ч. Время нахождения в полете для этого электросамолета составляет до 50 мин., плюс есть резерв по времени до 30 мин. согласно правилам визуальных полетов (Visual Fight Rule, VFR) для небольших ВС. 

Электрический самолет Airbus E-Fan

От небольших компаний не отстают и гранды мирового авиапрома. Так, европейский концерн Airbus работает над эволюционной программой создания ближнемагистрального пассажирского самолета с электрической силовой установкой. Одним из ключевых этапов программы является создание полностью электрического самолета E-Fan, оснащенного двумя электроприводными вентиляторами.

Как и у Pipistrel Alpha Electro, максимальная взлетная масса самолета составляет 550 кг. К настоящему времени производство опытных самолетов E-Fan остановлено, а полученный опыт будет использован концерном Airbus для создания нового гибридно-электрического 90-местного самолета E-Thrust.

В чем сложность?

Казалось бы, что сложного в том, чтобы приводить пропеллер не от бензинового двигателя, а от электрического? В первую очередь играет роль масса — фактор, который в отношении автомобиля практически незаметен. Если дальность движения электромобиля можно увеличивать путем наращивания аккумулятора, то самолет должен оставаться достаточно легким, чтобы не терять полетные качества. Именно поэтому методика «первичная заправка от розетки — дозаправка в воздухе от солнечных батарей» имеет наибольшие перспективы в этом сегменте авиации

Разработчики солнечных самолетов должны обратить внимание на повышение потолка — далеко не везде кучевые облака висят на высоте 2 км, а для максимальной эффективности солнечной дозарядки самолету стоит двигаться над облаками

Arcus E — представленный в сентябре 2010 года электромотопланер немецкой компании Schempp-Hirth Flugzeugbau GmbH, первый поступивший в серийное производство двухместный аппарат подобного типа. На сегодняшний день Arcus считается одним из наиболее коммерчески успешных электрических летательных аппаратов. Не последнюю роль в этом играет продуманный дизайн.

Технологии совершенствуются. Если со временем конструкторы сумеют преодолеть проблему дальности полета и чрезмерно быстрого расхода заряда, то электросамолеты начнут потихоньку вытеснять своих топливных собратьев. Они бесшумны, комфортны и крайне дешевы в эксплуатации, плюс к тому не наносят вреда окружающей среде. Бум электросамолетов, наметившийся в 2009 — 2010 годах, продолжает нарастать, все новые компании предлагают свои решения. Глядишь, не пройдет и десятилетия, как небо будут бороздить тихие аккуратные машины, а производители авиатоплива начнут искать другую нишу для бизнеса.

Самолет на батарейках

Еще в 2006 году специалисты компании Panasonic представили миру сверхлегкий самолет, получающий энергию от… пальчиковых АА-батареек. Последних использовалось 160 штук, и на них летательный аппарат массой 50 кг, ведомый 53-килограммовым пилотом, пролетел 391 м за 59 с, достигнув высоты 5 м. Естественно, этот проект преследовал исключительно развлекательные и спортивные цели: та же группа разработчиков ранее занималась рекордными мускулолетами.
Интересно, что рекорд скорости для электросамолетов был установлен еще до бума серийных моделей. До 250 км/ч разогнался итальянский астронавт, пилот и конструктор Маурицио Чели в рамках авиасалона FAI World Air Games 2009 в Турине. В качестве «болида» использовался двухместный самолет Pioneer Alpi 300. Для его переделки на электрическую тягу второе кресло было демонтировано — его место заняли литий-полимерные батареи. Получившийся в итоге самолет SkySpark приводится в движение 75-киловаттным электромотором. Надо сказать, что, достигнув цели, Чели и компания закрыли проект электросамолета: сегодня команда работает над летательным аппаратом, работающим на топливных элементах.

Интересно, что рекорд скорости для электросамолетов был установлен еще до бума серийных моделей. До 250 км/ч разогнался итальянский астронавт, пилот и конструктор Маурицио Чели в рамках авиасалона FAI World Air Games 2009 в Турине. В качестве «болида» использовался двухместный самолет Pioneer Alpi 300. Для его переделки на электрическую тягу второе кресло было демонтировано — его место заняли литий-полимерные батареи. Получившийся в итоге самолет SkySpark приводится в движение 75-киловаттным электромотором. Надо сказать, что, достигнув цели, Чели и компания закрыли проект электросамолета. Сегодня команда трудится над летательным аппаратом, работающим на топливных элементах.

Тихий полет

Летная программа на авиасалоне — не самое тихое мероприятие. Даже гражданские реактивные авиалайнеры с современными тихими двигателями на взлете шумят довольно громко.

Image caption

Alpha Electro словенской фирмы Pipistrel был создан для учебных полетов

На их фоне небольшой белый самолет Alpha Electro словенской фирмы Pipistrel, летающий почти беззвучно, смотрится немного странно.

Pipistrel создает сразу несколько различных электрических самолетов. Alpha Electro был создан для обучения будущих пилотов.

Вся структура аппарата была подчинена задаче снижения веса с тем, чтобы продлить время его пребывания в воздухе — во время посадки было видно, что даже небольшой боковой ветер разворачивает его.

Выручит жидкий азот

«Электрический самолет предоставляет множество возможностей для оптимизации, — говорит Сергей Гальперин. — Можно экспериментировать, например, с комбинированием тянущего и толкающего винтов. Электродвигатели гораздо выигрышней по сравнению с ГТД в конвертопланах, так как безопасный поворот электромотора в горизонтальное положение не представляет такой сложной инженерной проблемы, как в случае с традиционными двигателями. В электросамолете можно обеспечить полную интеграцию всех систем, создать новую систему управления. Даже гибридные машины будут производить меньше шума и вредных выбросов».

Как и аккумуляторы, электромоторы по мере увеличения мощности наращивают массу, объем и тепловыделение. Требуются новые технологии, которые сделали бы их более мощными и легкими. Для отечественных разработчиков гибридных силовых установок настоящим прорывом стало сотрудничество с российской компанией «СуперОкс» — одним из пяти крупнейших в мире поставщиков материалов со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Сейчас «СуперОкс» разрабатывает электродвигатели со статором из сверхпроводящих материалов (охлаждаемых жидким азотом). Эти моторы с хорошими для авиации характеристиками станут основой гибридной силовой установки для регионального самолета, который, возможно, поднимется в небо в середине будущего десятилетия. В этом году на авиасалоне «МАКС» специалистами ЦИАМ был представлен демонстратор такой установки мощностью 10 кВт. Планируемый самолет будет оснащен гибридной силовой установкой с двумя двигателями мощностью 500 кВт каждый.

«Прежде чем говорить о гибридном электросамолете, — рассказывает Гальперин, — необходимо испытать нашу установку на земле, а затем в летающей лаборатории. Мы надеемся, что это будет Як-40. В нос машины вместо радара мы сможем поставить 500-киловаттный ВТСП-электродвигатель. В хвост вместо центрального двигателя установим турбогенератор. Двух оставшихся двигателей «Яка» будет вполне достаточно, чтобы испытать наше детище в большом диапазоне высот (до 8000 м) и скоростей (до 500 км/ч). И даже если гибридная установка откажет, самолет спокойно сможет завершить полет и приземлиться». Лаборатория-демонстратор по плану будет оборудована в 2019 году. Цикл испытаний предварительно назначен на 2020 год.

Умные небеса

Электрическая и гибридная тяга занимает значительное место в планах крупнейших мировых авиапроизводителей. Вот так выглядят основные черты пассажирской авиации середины нынешнего века согласно программе Smarter Skies компании AIRBUS.

«Зеленый» полет

Самолеты будущего сконструируют таким образом, чтобы максимально уменьшить углеводородный след в атмосфере. Распространение получат газотурбинные двигатели на водороде, гибридные схемы и полностью электрические самолеты на батареях. Предполагается, что батареи будут подзаряжаться от экологически чистых источников электричества. Возможно появление в районе аэродромов крупных ветропарков или солнечных электростанций.

Свобода в небе

Интеллектуальные лайнеры будут самостоятельно прокладывать маршруты исходя из параметров экологичности и топливной эффективности на основе анализа данных о погоде и состоянии атмосферы. Также они смогут собираться в формации наподобие птичьих стай, что позволит снизить лобовое сопротивление для отдельных входящих в формацию ЛА и уменьшить энергозатраты на полет.

Скорее от земли

Новые силовые установки и аэродинамика лайнеров позволят им взлетать по максимально возможной крутой траектории, чтобы уменьшить шум в районе аэропортов и как можно скорее достичь крейсерского эшелона, где самолет демонстрирует оптимальные экономические характеристики.

Посадка без двигателя

Самолеты будущего смогут заходить на посадку в планирующем режиме. Это сэкономит топливо, уменьшит уровень шума в районе аэропортов. Также снизится посадочная скорость. Это позволит сократить длину взлетно-посадочных полос.

Никакого выхлопа

Аэропорты будущего полностью откажутся от ДВС, сжигающих топливо. Для руления лайнеры будут оснащены электрическими мотор-колесами. Как альтернатива — скоростные беспилотные электротягачи, которые смогут быстро доставлять самолеты от перрона к ВПП и наоборот.

Статья «Вверх на электричестве» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№1, Январь 2018).

Alice от Eviation Aircraft – первый электрический самолет

Также в Ле-Бурже был показан самолет Alice, который компания-разработчик позиционирует как первый в мире полностью электрический самолет. Он создан специалистами израильской компании Eviation Aircraft. Аппарат оборудован тремя электродвигателями, два из которых установлены на консолях крыла, а третий размещен в задней части фюзеляжа.

Вместимость самолета – 9 пассажиров, которых он может перевезти на расстояние 1000 км. Самолет позиционируют как относительно доступное транспортное средство для перелетов на небольшие расстояния. Впереди у проекта цикл испытаний и сертификационных работ. В качестве основного рынка компания рассматривает США.

Силовой установкой служат двигатели Siemens. Вторым вариантом двигателя выбран magni250 от компании MagniX. Серийное производство запланировано на 2021-2022 гг.