Автор: Вера Кюппер
Опубликовано: 11.02.2019, 14:33
 

ХХI век: эра электросамолетов и реактивных электродвигателей


[image]

Сегодня реактивные двигатели полностью обеспечивают энергетические потребности самолетов. Их принцип действия основан на сжигании топлива и образовании выхлопных газов, которые и создают силу тяги. Однако использование такого двигателя наносит ущерб экологии. Именно из-за него уровень шума повышен как в салоне самолета, так и на расположенной вблизи аэродрома местности.

Альтернатива реактивному двигателю - электрический. Проблема в том, что удельная мощность современных электродвигателей для авиации не превышает 5 кВт/кг, в то время как реактивные обладают мощностью до 8 кВт/кг. То есть замена повлечет за собой снижение грузоподъемности самолета. Поэтому пока такой переход экономически нецелесообразен.

Специалисты Московского авиационного института (МАИ) сумели добиться большей мощности электродвигателя по сравнению с реактивным, что долгое время оставалось непреодолимой проблемой.

Применение сверхпроводниковых материалов способно увеличить удельную мощность электродвигателей. Ведь главная особенность сверхпроводников - значительное снижение или даже полное отсутствие электрического сопротивления. Следовательно, величина тока, обратно пропорциональная сопротивлению, возрастает, а вместе с ней увеличивается и мощность двигателя.

Система состоит из газотурбинного двигателя, вращающего электрический генератор, электродвигателя и кабельной линии, соединяющей их. Удельная мощность такой установки составляет свыше 10 кВт/кг, то есть больше, чем у реактивного двигателя.

Основная сложность перевода летательных аппаратов с реактивных на электрические двигатели заключается в необходимости перестроения всех внутренних систем самолета. Чтобы такой переход был эффективен с точки зрения экономики, необходимо не просто сравнять удельную мощность электрических двигателей с турбинными, а значительно увеличить.

Это можно будет осуществить, перейдя на охлаждение сверхпроводниковых двигателей жидким водородом (-253°C). Данная степень охлаждения сверхпроводников способна повысить удельную мощность двигателя до 30 кВт/кг. Но на данный момент проблема применения жидкого водорода заключается в том, что он взрывоопасен, дорого стоит и требует немало энергии для производства.

MagniX

В январе 2019 года австралийская компания MagniX объявила, что выпустит первую партию электродвигателей для авиации уже в 2022 году. Установить их можно не только на новые, но и на нынешние самолеты, утверждают разработчики. Электродвигатели для самолетов от MagniX сделают перелеты в пять раз дешевле.

MagniX обещает в ближайшие годы выпустить линейку электродвигателей для винтовых самолетов. Установки первого поколения подойдут для легких воздушных судов вместимостью не больше 20 пассажиров.

Сообщается, что разработка австралийской компании выдает до 750 л. с. Предполагается, что установка станет аналогом турбовинтового авиационного двигателя Pratt and Whitney PT6, которым оснащены популярные модели легких пассажирских самолетов Beechcraft King Air и Cessna 208.

MagniX создаст несколько модификаций электромоторов. Одни подойдут для переоснащения уже существующих самолетов, в том числе популярной Cessna 208, другие предназначены для новых проектов. По расчетам, Cessna на электротяге пролетит до 280 км. А электросамолет, построенный с нуля, преодолеет уже 925 км на одном заряде. Инженеры MagniX приступили к испытаниям электродвигателя еще в сентябре. Тогда компания протестировала 350-сильную установку. Особый акцент на низкий вес - всего 50 кг.

Хотя электросамолетам потребуется дополнительная инфраструктура, авиаперевозчики все равно смогут сэкономить. Полеты на электротяге будут обходиться на 50-80% дешевле, чем обычные рейсы. В первую очередь, авиаперевозчики сэкономят на топливе. Например, расстояние в 185 км на Cessna 208, на топливо придется потратить $300-400. Такой же рейс на электротяге потребует электроэнергии на $12-14.

Полеты станут не только экономичными, но и экологичными, обещает MagniX. Самолет не будет производить вредных выбросов, а если для его зарядки использовать электроэнергию от возобновляемых источников, то рейс будет на 100% зеленым. Для Австралии это вполне достижимая цель, поскольку уже к 2030 году страна может полностью перейти на ВИЭ.

Siemens

В 2015 году компания Siemens представила авиационный электромотор с рекордными характеристиками - двигатель весом всего 50 кг развивает мощность в 260 КВт. Такие характеристики двигателя позволяют создавать воздушные суда со взлетной массой до двух тонн. При этом для работы воздушного винта не требуется трансмиссия, поскольку мотор выдает 2500 оборотов в минуту.

Соотношение веса к мощности у нового электродвигателя Siemens составляет больше 5 кВт на один килограмм, что превышает аналогичный показатель даже турбореактивных двигателей. Электродвигатель может вращаться со скоростью практически от 0 до 2.5 тысяч оборотов в минуту, что позволяет устанавливать пропеллер прямо на его вал без необходимости использования промежуточного редуктора. И один такой двигатель может без особых затруднений поднять в воздух самолет с взлетным весом до двух тонн.

В апреле 2017 года прототип электрического самолета Extra 330LE, построенный Siemens, установил два мировых рекорда скорости в классе электрических самолетов с аккумуляторным питанием. Siemens, которым удалось создать новый двигатель, в котором сочетается большая энергетическая плотность, мощность и малый вес.

На дистанции 3 километра самолет развил максимальную скорость в 337.50 километров в час, при весе самолета до 1000 килограмм, и скорость 342.86 километров в час при весе самолета более 1000 килограмм.

Электродвигатель, приводящий в действие самолет Extra 330LE, обеспечил 260 кВт мощности при его весе всего в 50 килограмм. Разработка данного двигателя была выполнена в рамках более глобальной программы компании Siemens, целью которой является разработка электрических гибридных силовых систем для небольших самолетов регионального класса. Данная программа проводится при участии в ней специалистов компании Airbus, которая уже давно работает над собственным вариантом подобной системы под названием.

Airbus

В 2014 году Airbus Group представила двухместный электрический самолет E-Fan, созданный при поддержке французского правительства. Довольно тихий электросамолет из углеволокна весит около 500 кг, использует литий-ионные полимерные аккумуляторы и оснащен двумя моторами мощностью по 60 КВт. Час полета стоит около £10, а батареи полностью заряжаются за 90 минут.

Boeing

Из подобных, конкурентных, проектов можно отметить совместную работу НАСА и Boeing над гибридным электрическим самолетом SUGAR Volt ("subsonic ultra-green aircraft research" - "исследование по созданию дозвукового весьма экологичного самолета") - самолета, работающего на комбинации запасенной в аккумуляторах электроэнергии и классического топлива. Проект впервые был предан огласке в 2012 году.

SUGAR, оснащен двигательной системой, которая была разработана для уменьшения расхода топлива более чем на 70 процентов, а потребления энергии - примерно на 55 процентов.

Самолет рассчитан на 154 пассажира и полет со скоростью 0,79 маха. Он будет требовать короткую взлетную дистанцию, и сможет летать на расстояние до 5630 километров.

По плану обычное топливо используется в таких энергозатратных маневрах, как взлет, а в полете двигатели самолета по большей части или почти полностью будут питаться от аккумуляторов. Точных сроков завершения проекта компания не назвала и планируют выдать готовый продукт примерно к 2030-2050 годам.

Eviation Aircraft

В июне 2017 года, на авиашоу в Ле-Бурже, израильский стартап Eviation Aircraft показал полностью электрический пассажирский самолет Alice, способный на одном заряде аккумуляторных батарей преодолеть дистанцию в 965 километров. Технологии, использованные при создании электрического самолета, были разработаны во время участия компании Eviation Aircraft в программе NASA On-Demand Mobility Program.

Небольшой электрический самолет может перевозить от шести до девяти пассажиров и двух членов экипажа на расстояния, покрывающие основную массу внутренних в большинстве стран и некоторую часть международных маршрутов. Основным достижением специалистов компании Eviation Aircraft является разработка нового типа воздушно-алюминиевой аккумуляторной батареи, емкости которой достаточно для накопления энергии, необходимой для дальнего перелета.

В самолете использована модернизированная воздушно-алюминиевая батарея, изначально разработанная компанией Phinergy Ltd. К этому добавлен буфер на традиционных аккумуляторных батареях, и умная система распределения энергии, основанную на использовании аналитических алгоритмов. Все это вместе представляет собой самую высокоэффективную энергетическую систему, позволяющую использовать каждую "крупинку" дефицитной энергии аккумуляторных батарей".

Компания Eviation Aircraft не намерена вступать в конкуренцию с другими компаниями, выпускающими самолеты. Компания Eviation Aircraft видит свет будущее в качестве воздушного аналога сервиса Uber.

Готовый прототип компания Eviation Aircraft покажет в середине 2019 года на парижском авиасалоне Ле-Бурже. Если после этого компании удастся привлечь $100 млн инвестиций, то к 2021 году Alice поступит в продажу. Ожидается, что девятиместный электросамолет будет стоить около $2 млн, но, стоит помнить, что владельцы судна сэкономят на топливе и на затратах на эксплуатацию.

Глава Tesla Илон Маск, который также проявляет интерес к области электрической авиации, считает, что для массового производства электросамолетов необходимо создать аккумулятор с плотностью энергии 400 Вт/ч на килограмм. Между тем, сегодня выпускаемые его компанией электромобили питаются от батарей с плотностью 250 Вт/ч на килограмм.

А в Норвегии планируют к 2040 году полностью перевести все местные пассажирские авиаперевозки на использование электрических летательных аппаратов.

 
Ссылки по теме:
Дайджест прессы за 11 февраля 2019 года | Дайджест публикаций за 11 февраля 2019 года
Авторские права на данный материал принадлежат журналу «Наука и техника». Цель включения данного материала в дайджест - сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.

Комментарии к новости