Электротяга до небес
Сначала несколько примеров. Один из крупнейших в мире производителей газотурбинных двигателей «Роллс-Ройс» (Rolls-Royce) из Великобритании создал самый быстрый на сегодняшний день электросамолёт «Дух инноваций» (Spirit of Innovation). В конце прошлого года самолёт достиг скорости 632 км/ч и сразу установил ряд мировых рекордов. Эта скорость вполне сопоставима со скоростью полёта турбовинтовых магистральных авиалайнеров.
.
По теме: Электро-самолет от Rolls-Royce – “Дух инноваций”Энергетику самолёту обеспечивает аккумуляторная батарея из 6000 ячеек, которые выдают мощность 536 л.с. при напряжении 750 В через электрическую трансмиссию и могут достигать пиковой мощности 750 кВт (1000 л.с.) с радиатором охлаждения. Батарея питает три электромотора YASA 750R с приводом на один трёхлопастный пропеллер, вращающийся со скоростью 2400 об/мин. Конечно, это шоу-самолёт с небольшой дальностью полёта (290 км) и дорогущий демонстратор технологий. К слову, очень красивый, чем-то напоминает британские истребители «Спитфайр» времён Второй мировой и гоночные самолёты времён расцвета поршневой авиации из 30-х годов прошлого века. Он и на деле фактически гоночный, призван устанавливать рекорды.
А в 2019 г. на авиасалоне в Дубае был показан первый электросамолёт E-Racer для гонок и скоростного пилотажа на малых высотах. И тоже из Британии. Стоимость проекта – около 13 млн фунтов стерлингов. Его создатели в ближайшем будущем планируют организовать отдельную мировую спортивную лигу авиационных гонок на электрических самолётах. Источник питания – съёмная литий-ионная батарея весом в центнер. Тягу создают соосные воздушные винты (как у двигателя НК-12 стратегического турбовинтового ракетоносца Ту-95). Максимальная скорость этого самолётика – под 500 км/ч, заряда хватает на 10 минут гонки, взлёт и посадку.
«Элис? Кто такая Элис?»
«Да ну их всех, пойдёмте лучше к Элис!» – это из песни группы «Башаков BAND». На закуску совсем свежая информация – очень скоро, в ближайшие недели, должен состояться первый полёт настоящего коммерческого электросамолёта. Не прототипа беспилотного аэротакси вертикального взлёта и посадки с мизерной дальностью, а почти привычного самолёта. Почти – потому что электрический. Электросамолёт Alice разработан израильской компанией Aviation, он завершил испытания двигателей в аэропорту Арлингтона к северу от Сиэтла (США). В пассажирском варианте роскошный салон на девять мест плюс два пилота. Разработана шестиместная ВИП-версия, так называемая административная. Бизнесджетом его называть нельзя, «джет» – это относится к оснащению самолёта турбореактивным двигателем. Ждут и грузовую, с одним пилотом в кабине. Компания экспресс-доставки DHL уже заказала 12 электросамолётов. Налицо желание компании продемонстрировать заботу об экологии. Поставки заказчикам, как заявлено, начнутся через два года.
.
Собирались самолёт поднять в прошлом году, но помешали пандемия и погодные условия. До этого, в январе 2020 г., в аккумуляторном отсеке прототипа вспыхнул пожар, опытный образец сгорел дотла. Литий-ионные аккумуляторные батареи преподносят такие сюрпризы даже в смартфонах и электросамокатах, у автора статьи такая батарея взорвалась и загорелась в садовом опрыскивателе. Сейчас изрядно обновлённый (изменилось хвостовое оперение, было три двигателя стало два) самолёт уже совершает скоростные пробежки по взлётно-посадочной полосе, которые всегда предшествуют настоящему полёту.
А теперь немного о технических особенностях самолёта. В процессе работы над проектом «немного» упала заявленная дальность полёта, с 1367 до 815 км, скорость – почти на 40 км/ч, до 407 км/ч. Два часа полёта. Для местных воздушных линий в густонаселённой Европе и США, и этого достаточно, а над Сибирью и Дальним Востоком с такой дальностью летать страшновато. Два электродвигателя MagniХ-650 мощностью 850 л.с. (630 кВт) будут приводить в движение два винта, установленные в хвостовой части фюзеляжа. И всё же это настоящий прорыв. Электродвигатели требуют значительно меньшего внимания и обслуживания, чем газотурбинные. Они в десятки раз дешевле. Эксплуатационные расходы с учётом цен на электроэнергию ниже в 3–5 раз, чем для аналогичных по вместимости и стоимости самолётов с турбовинтовыми двигателями, работающими на авиационном керосине.
Энтузиасты электроавиации прогнозируют, что лет через десять появятся электросамолёты уже регионального класса на 20–40 пассажиров. Внимание многих государств к электрической авиации объясняется стремлением сократить выбросы СО2 в атмосферу при полётах, снизить шум самолётов, а также зависимость от углеводородного топлива. На авиаперелёты приходится 2, 5% выбросов СО2 в атмосферу, что вроде бы и немного, но рост авиаперевозок грозит умножить в разы эту цифру.
Недостатки, естественно, тоже имеются. Поэтому производители более крупных самолётов рассчитывают на прогресс в аккумуляторных технологиях, новых способах хранения электроэнергии. Их мечта, вероятно, гравицапа размером с яблоко из фильма «Кин-дза-дза», способная обеспечить энергией и перенести космический корабль из одной галактики в другую. Так вот, планер самолёта Alice состоит на 90% из композиционных материалов, то есть максимально облегчён. Аэродинамика явно на высшем уровне. Но вес аккумуляторной батареи небольшого самолёта – 3720 килограммов! А максимальный взлётный вес – 6350 килограммов. То есть почти 60% веса самолёта – увесистая «батарейка». Которую надо будет менять через 3000 часов налёта и выложить за новую четверть миллиона долларов.
.
Да и «заправка» небыстрая – полчаса на час полёта. Для сравнения: военно-транспортный Ил-76МД-90А с обычными газотурбинными двигателями принимает в баки до 85 тонн топлива, но имеет максимально разрешённую взлётную массу 210 тонн и везёт груз до 60 тонн. Перегоночная (без груза) дальность – почти 10 тыс. километров! А с грузом 40 тонн Ил‑76 способен совершить перелёт на 6500 км, что вполне достаточно для рейса из Мурманска в американский Сиэтл. Вывод просто напрашивается – трансконтинентальные коммерческие рейсы электросамолётов – дело будущего, до дальнемагистральных трасс они ещё не доросли.
Теперь про экологичность электротяги. Для производства батарей нужны энергия и редкоземельные элементы. Энергия вырабатывается на электростанциях, редкоземельные элементы добывают в карьерах, шахтах, очищают, обрабатывают и так далее – море отходов. Собственно зарядка аккумуляторной батареи самолёта – а откуда берётся энергия? Как правило, опять же на тепловых электростанциях. И самая большая проблема – непростая утилизация отработавших батарей. Так что сегодня что электросамолёты, что электромобили можно считать условно чистыми – сами они на климат и природу не влияют, а вот «грязную» энергию и не менее опасные отходы генерируют.
Электрополёты в России
На авиасалоне МАКС-2021 демонстрировали необычный самолёт – летающую лабораторию Як-40ЛЛ с гибридной силовой установкой. В носовой части самолёта установлен 500-киловаттный электродвигатель с применением в конструкции технологий высокотемпературной сверхпроводимости. Это мощность и снижение веса. И, само собой, воздушный винт. В хвостовой части лайнера установлены турбовальный газотурбинный вертолётный двигатель ТВ2-117, генератор, а блок литий-ионных батарей находится в центральной части фюзеляжа – здесь ничего необычного, всё, что нужно для работы электродвигателя.
.
По теме: Гибридная силовая установка в составе Як-40ЛЛ на испытанияхПродвинутый электродвигатель создан компанией «СуперОкс» при финансовом участии Фонда перспективных исследований. В числе участников работы – ЦИАМ им. П.И. Баранова, ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», Уфимский государственный авиационный технический университет, Московский физико-технический институт, Московский авиационный институт. Заказчиком научно-исследовательской работы «Электролёт СУ-2020» выступил Минпромторг России. К созданию коммерческих самолётов с такими двигателями конструкторы и производственники подберутся, скорее всего, к концу десятилетия. Хорошо бы наши этой темой занимались и в других именитых компаниях.
Там же, на МАКСе, демонстрировали сверхлёгкий двухместный самолёт «Сигма‑4» с электродвигателем Сарапульского завода. Он передаёт на винт мощность 60 кВт (около 80 л.с.). Вес мотора – 22 кг, то есть для такой мощности лёгкий, он является бесконтактным двигателем постоянного тока с постоянными редкоземельными магнитами. Заряда двух литий-ионных батарей хватает на 40 минут полёта. До израильской Alice «Сигме-4», конечно, далеко.
Но в одном из ближайших номеров «Аргументов недели» попытаемся вселить оптимизм по теме электротяги и электроавиации – есть пророки в родном Отечестве! Правда, замечают их и пытаются заполучить результаты многолетних трудов всё больше европейские и заокеанские «партнёры».
Аккумуляторы и электродвигатели с пропеллерами использовали даже на дирижаблях в конце позапрошлого века. 8 октября 1883 г. французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье совершил первый полёт на дирижабле La France с использованием электрического двигателя Вернера фон Сименса, питавшегося от 435‑килограммовой аккумуляторной батареи. Это и есть чистая электротяга. Сейчас часто используют гибридный вариант – на борту самолёта работает газотурбинный (или поршневой) двигатель, он крутит генератор, генератор отдаёт энергию в аккумулятор, а от того запитывается электродвигатель с высоким КПД. Большая мощность требуется на взлёте, при манёврах, в наборе высоты. Аккумулятор способен кратковременно выдать большую мощность, а дальше на экономичных крейсерских режимах подзарядиться, восполнить потери энергии. Экономия топлива у любого транспорта с гибридными двигателями существенная. Самолёты на солнечных батареях есть, они устанавливали мировые рекорды высоты, совершали кругосветные полёты. Но это к авиации, которая переносит по всему миру миллионы пассажиров и тонны грузов, не имеет никакого отношения. Возможны применение в разведке или служба ретранслятором для связи или раздачи сигнала Интернет…
.
Источник: Владимир Леонов, Обозреватель отдела Промышленность