Электрические двигатели для легких летательных аппаратов имеют ряд преимуществ перед их поршневыми аналогами, например, в отличие от двигателей внутреннего сгорания они практически не требуют обслуживания, а стоимость их эксплуатации в разы ниже.
Для ныне популярных военных и не очень БЛА необходимы электрические двигатели с малой удельной массой. При этом, каким бы ни был летательный аппарат по целевому назначению, размерам, аэродинамической компоновке, именно эффективностью его силовой установки определяются его лётно-тактические характеристики (дальность и продолжительность, диапазон высот и скоростей полёта) . Что же на данный момент известно о российской перспективной силовой установке для легких самолетов и беспилотников?
Российский экологически чистый и практически бесшумный самолёт «Сигма-4» с двигателем ДТ-60 НС на водородном топливе. Фото: aviapanorama.ru:
ЦИАМ и компания «Наука Софт» разработали электрическую силовую установку на основе литиевых аккумуляторов и электродвигателя мощностью 60кВт для легкого двухместного самолета «Сигма-4» взлетной массой 600 кг с электрической силовой установкой на 60 кВт (80 л.с.). Уже изготовлен и испытан на стенде компактный электродвигатель, система управления для него, блоки аккумуляторов. Для увеличения полетного времени до двух часов специалисты планируют впоследствии установить на него не только аккумуляторы, но и твердополимерные топливные элементы. Топливные элементы – это, как и аккумуляторы, электрохимические источники электрической энергии. В них происходит электрохимическая реакция водорода и кислорода, продуктом которой являются электрическая энергия и водяной пар. Это очень многообещающая технология. Энергетические установки на основе топливных элементов имеют в разы большую удельную энергию, чем аккумуляторы, даже в перспективе. Здесь топливо – водород, который является возобновляемым топливом, т.к. может быть получен из воды путем электролиза, например, от возобновляемых источников электричества. Сейчас Германия и Япония активно инвестируют в это направление. Тем не менее, это направление не ближайшего будущего, т.к. потребует создания водородной инфраструктуры. Поэтому наиболее реальным является создание гибридных силовых установок, в которых присутствует и традиционный тепловой двигатель, и аккумуляторы, и электрические машины. Двигатель ДТ-60 НС заменит на самолете «Сигма-4» поршневой австрийский ROTAX. Электрическая силовая установка представлена в двух вариантах с одним источником энергии в виде литий-ионных аккумуляторов, емкость которых рассчитана на 40 минут полета, и с двумя источниками энергии. Во втором случае обеспечивать мощность, необходимую для поддержания крейсерского полета, будут водородные топливные элементы, а литий-ионные аккумуляторы помогут увеличить мощность двигателя во время взлета и набора высоты.
Электрический двигатель ДТ-60 НС вращает воздушный винт, создающий тягу. Силовую установку, включающую двигатель, аккумулятор для форсирования мощности на взлётных режимах, систему управления, а также так называемую обвязку топливного элемента, создали в Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И.Баранова. Фото: aviapanorama.ru:
Двигатель ДТ-60НС обладает рядом уникальных технических характеристик для подобных агрегатов – при весе всего в 22 килограмма его мощность составляет 60 киловатт, воздушное охлаждение заменено на жидкостное, двигатель создан на основе постоянных магнитов и имеет внешний вращающийся ротор. Двигатель ДТ-60НС предназначен для прямой установки воздушного винта с частотой вращения 2100 об/мин.
Самолет «Сигма-4» с электрической силовой установкой должен был подняться в воздух еще в прошлом году, но полет не состоялся, т.к. возникли сложностями в создании системы управления двигателем. Запланировано, что в этом году самолет должен полететь, но в «урезанном виде» – на аккумуляторах. В 2021 году разработчики попробуют это сделать уже на топливном элементе.
Основные производственные концерны и научные центры – NASA, General Electric, RollsRoyce, Airbus, Boeing, Siemens и др. – пытаются «приручить» электричество и сделали его одним из приоритетных направлений своей деятельности. Больших успехов в создании гибридных и электрических двигателей достигла компания Siemens, которая представила мотор мощностью 250 кВт, создала несколько самолетов с полностью электрическими силовыми установками.
Проект применения электрической силовой установки на основе водородных топливных элементов и электродвигателя на лёгкий двухместный самолет Сигма-4:
Эксперты по-разному смотрят на будущее водородной авиации, так как развитие данного вида транспорта возможно лишь при наличии соответствующей инфраструктуры.
На этом акцентировал внимание Валерий Солозобов, заместитель генерального директора КБ «Туполев» по проектированию, НИР и ОКР, один из ведущих разработчиков первого в мире экспериментального самолета пассажирской размерности, который использовал в качестве топлива жидкий водород. Он заметил, что заправок для водородной авиации нет ни в России, ни в других странах, и именно это, на его взгляд, может серьезно затормозить широкое распространение водородных самолетов.
Тем не менее, многие эксперты уверены, что нужная инфраструктура появится, когда будут учтены все плюсы новых установок. – Все ведущие разработчики авиационной техники говорят, что водород — это топливо будущего, — отмечает начальник отдела гибридных и электрических силовых установок ЦИАМ им. П.И.Баранова Антон Варюхин.
Легкий двухместный самолет «Сигма-4» с полностью электрической силовой установкой и 60-килловаттным двигателем:
Олег Селиванов, главный научный сотрудник ЦИАМ им. П.И. Баранова, один из инициаторов применения водородной электрохимической энергии в авиации, с этим утверждением согласен, но ожидает массового перехода авиакомпаний на водородные самолеты не раньше, чем к середине текущего века. При этом заместитель генерального директора КБ «Туполев» сообщил, что в знаменитом конструкторском бюро, опираясь на значительный практический опыт и научно-технический задел, недавно начали проектные и поисковые работы по самолетам с гибридной силовой установкой нового поколения.
Основные характеристики электродвигателя ДТ-60 НС:
Номинальная выходная мощность 50 кВт - Диапазон скоростей, об/мин 1600 – 2100 об/мин
- Максимальная выходная мощность 60 кВт
- Диапазон напряжения 100 – 130 В
- Максимальное значение тока статора 350 А
- Номинальный момент 250 Н м
- КПД 93 %
- Тип электрической цепи Трехфазная звезда
- Внешний диаметр 320 мм
- Длина 160 мм
- Материал магнита NdFeB
- Масса двигателя 22 кг