В статье, опубликованной в журнале "Авиапанорама" №2-2009 под названием "Полностью электрический самолет", авторы анализируют современное состояние и перспективы концепции самолета, оснащенного полностью электрифицированным оборудованием, его преимущества и возможный эффект при реализации этой концепции.
Облик "полностью электрического самолета" Предъявление высоких требований к самолетам следующего поколения, с точки зрения стоимости эксплуатации, экологичности и топливной эффективности, ставит перед авиационными специалистами целый ряд проблем, которые требуют поиска принципиально новых подходов к построению энергетической системы самолета. Как известно, в настоящее время на самолетах используются три вторичные энергетические системы: система электроснабжения, гидравлическая система, пневматическая система.
Такое построение бортовой системы энергоснабжения для перспективных ЛА не является оптимальным, требует существенных затрат на его эксплуатацию и вызывает значительные трудности при интеграции бортового оборудования. Одним из наиболее перспективных направлений создания конкурентоспособного отечественного самолета является переход к концепции самолета с полностью электрифицированным оборудованием (условное устоявшееся наименование – "полностью электрический самолет" или ПЭС).
Под "полностью электрическим самолетом" понимается самолет с единой централизованной системой электроснабжения, обеспечивающей все энергетические потребности самолета.
На ПЭС электрическая энергия будет применяться для питания наиболее энергоемких систем, которые традиционно использовали для своего функционирования гидравлическую и пневматическую энергию. К таким системам, прежде всего, относятся: • система управления аэродинамическими поверхностями и взлетно-посадочными устройствами самолета; • система кондиционирования воздуха; • противообледенительная система самолета; • система запуска авиадвигателя.
Реализация концепции ПЭС позволит исключить (минимизировать) централизованную гидросистему самолета и ликвидировать пневмосистему с отбором воздуха от авиадвигателя. На рис.1 представлены основные системы "полностью электрического самолета".
Возможность и целесообразность создания самолетов с полностью электрифицированным оборудованием в настоящее время обусловлены:
• развитием силовой электроники и разработкой на их базе мощных полупроводниковых преобразовательных устройств и бесконтактной твердотельной коммутационной и защитной аппаратуры;
• разработкой новых магнитных материалов и созданием на их основе мощных источников электрической энергии и двигателей электромеханических приводов систем управления полетом, не уступающим по своим основным характеристикам гидро- и пневмоприводам;
• значительными успехами в области микроэлектроники и микропроцессорной техники, открывшими реальные перспективы внедрения цифровых систем управления электро-энергетическим комплексом.
Развитие концепции ПЭС
Исследования по разработке концепции "полностью электрического самолета" (All electric aircraft) начались в конце 1970-х годов. За рубежом стремление к созданию самолета с полностью электрифицированным оборудованием появилось в результате исследований по программе энергетически эффективного самолета. Эта программа наряду с усовершенствованиями аэродинамики, силовой установки и конструкции рассматривала возможности повышения летно-технических характеристик самолета путем ликвидации отбора воздуха от авиадвигателя, применения электродистанционных систем управления полетом, создания единой вторичной энергосистемы.
В нашей стране также проводились серьезные исследования, связанные с разработкой "полностью электрического самолета". В этих работах принимали участие ведущие научно-исследовательские и учебные институты, самолетостроительные и агрегатные конструкторские бюро. Следует выделить обширную научно-исследовательскую работу, выполненную рядом организаций авиационной промышленности по определению весовых характеристик бортового оборудования тяжелого транспортного и легкого маневренного полностью электрифицированных самолетов.
Исследования показали, что наибольший эффект от повышения уровня электрификации следует ожидать на крупных пассажирских и транспортных самолетах, что хорошо согласовывалось с выводами аналогичных работ за рубежом. На основании проведенных исследований было определено, что замена всех видов энергии на борту самолета только на электрическую энергию должна, в конечном итоге, обеспечить улучшение аэродинамических характеристик самолета, увеличение дальности полета, снижение массы авиадвигателя и самолета, улучшение режимов работы силовой установки, уменьшение расхода топлива и т.д.
По некоторым оценкам, реализация концепции ПЭС применительно к тяжелому транспортному самолету позволит получить: • снижение потребления топлива – 8-12%; • снижение полной взлетной массы – 6-10%; • снижение прямых эксплуатационных расходов – 5-10%; • снижение стоимости жизненного цикла – 3-5%; • увеличение среднего налета на отказ – 5-6%; • снижение времени технического обслуживания – 4-4,5%. На самолетах "меньших" размерностей эффект ниже и, в основном, сводится к упрощению системы технического обслуживания и повышению надежности и живучести.
К сожалению, работы в этом направлении в нашей стране практически были прекращены в начале 1990-х годов. Основными мировыми производителями авиационной техники исследования были продолжены.
В конце 1990-х годов появилась концепция "более электрифицированного самолета" (More Electric Aircraft или MEA). В исследованиях по этой программе принимали участие более 40 организаций Евросоюза с общим бюджетом 400 млн. евро на 4 года. Согласно данной концепции повышение уровня электрификации самолета должно проводиться поэтапно. С 2002 по 2006 годы выполнялся Европейский проект POA (Power Optimized Aircraft, самолет, оптимизированный по мощности) с бюджетом приблизительно 100 млн. евро.
В программе принимали участие 46 авиационных компаний (Thales, Goodrich, Rolls-Royse, Hispano-Suiza и др.), координатор проекта – авиационная компания Liebherr-Aerospace. Данный проект включал в себя следующие направления исследований: система кондиционирования воздуха, противообледенительная система крыла самолета, система управления полетом, новая архитектура системы электроснабжения самолета, электрифицированный авиадвигатель.
За проектом POA последовал проект MOET (More Open Electrical Technologies, более открытых электрических технологий), который явился логическим продолжением POA. Результатами этих работ явились разработки самолетов с повышенным уровнем электрификации: пассажирские самолеты А-380 и Boeing 787, многоцелевой истребитель F-35, БПЛА "Барракуда" и др., на которых реализованы многие положения концепции ПЭС.
Исследования, проводимые за рубежом по программам MEA, POA, MOET и др., показывают, что отказ от гидравлических и пневматических энергосистем и перевод бортового оборудования на питание от источников электрической энергии должен проводиться с осторожной последовательностью, поскольку на начальных этапах может привести даже к некоторому увеличению массы оборудования и ЛА в целом.
После долгого перерыва возобновились работы по проблеме "полностью электрического самолета" и в нашей стране. Стали проводиться научно-исследовательские работы, регулярно появляются публикации в различных научно-технических журналах. Инициативные работы по электрификации систем управления самолетов проводились в ЦАГИ, ОКБ "Родина", ОАО "ПМЗ "Восход", ОАО "Электропривод", МАИ и других НИИ и ОКБ. В частности, в ЦАГИ и ОКБ "Родина" был создан и испытан демонстрационный образец автономного рулевого привода объемного регулирования.
В ЦАГИ были разработаны принципы построения групп электрогидростатических приводов с комбинированным объемно-дроссельным регулированием. В 2004-2008 гг. в ЦИАМе проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание ГТД для "электрического" самолёта, в СНТК имени Н.Д. Кузнецова разрабатывается трёхвальный "электрический" ГТД, в ОАО "Авиадвигатель" проведена проработка конструкции электрифицированного ТРДД.
Исследования, связанные с разработкой отдельных систем и агрегатов электроэнергетического комплекса ПЭС, проводятся в ФГУП "НИИАО", АКБ "Якорь", ОАО "Аэроэлектромаш", ОАО "Электропривод", ОАО "ПКО "Теплообменник" и др.
Электрификация отдельных систем самолета
Переход к самолету с полностью электрифицированным оборудованием коренным образом сказывается на принципах построения и особенностях функционирования основных систем и агрегатов самолета.
Реализация концепции ПЭС предполагает существенное изменение облика силовой установки самолета вследствие ликвидации отбора воздуха для системы кондиционирования и противообледенительной системы, устранения привода гидросистемы, интеграции источника электрической энергии с авиационным двигателем, широкого применения электропривода в системах управления ГТД и т.д.
"Электрический" ГТД не будет иметь коробки приводов. В электрической системе запуска авиадвигателя предполагается применение встроенного стартер-генератора. Вспомогательная силовая установка при этом будет использоваться только для генерирования электрической энергии. В целом электрификация ГТД позволит уменьшить массу и мидель двигателя на 10-15%, снизить теплонапряжённость топливной системы на 10-20°С, уменьшить стоимость обслуживания в 2-3 раза, улучшить тактико-технические характеристики самолётов.
Повышение уровня электрификации "полностью электрических самолетов", естественно, будет сопровождаться увеличением мощности как источников электрической энергии, так и системы электроснабжения (СЭС) в целом. Исследования показали, что мощность СЭС ПЭС должна быть увеличена примерно в 2-3 раза в зависимости от типа ЛА, а мощность одного канала генерирования может достигать 300 кВА. В настоящее время на зарубежных самолетах с повышенным уровнем электрификации уже устанавливаются генераторы, мощность которых превышает 200 кВА.
Так, на самолете Вoeing 787 устанавливаются 4 основных генератора переменного тока мощностью 250 кВА каждый, приводящиеся во вращение от авиационных двигателей и два генератора мощностью 225 кВА, установленные на ВСУ. Общая установленная мощность источников электрической энергии на данном ЛА составляет 1450 кВА. На аэробусе А-380 мощность одного источника электрической энергии составляет 150 кВА, а суммарная мощность СЭС достигает 840 кВА.
В нашей стране на перспективном магистральном самолете МС-21 также предполагается значительная электрификация систем бортового оборудования и, как следствие, установка мощных источников электроэнергии. В связи со значительным увеличением мощности энергосистемы остро встает вопрос о выборе рационального вида электроэнергии, вырабатываемой первичными источниками (генераторами).
В настоящее время наиболее перспективными для ПЭС являются система электроснабжения переменного тока переменной частоты (в диапазоне 360-800 Гц) и система электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения (U = 270 В). Предлагается на "полностью электрическом самолете" поднять уровень напряжения переменного тока в 2 раза, а постоянного тока – в 10 раз по отношению к общепринятым в настоящее время уровням. Рассматривается вопрос о еще большем повышении уровня напряжения постоянного тока до 540 В.
Весьма вероятно появление на ПЭС централизованных источников, вырабатывающих полностью не кондиционированную электроэнергию переменного или постоянного тока ("грязный ток"). В этом случае получение электрической энергии требуемого вида и качества будет обеспечиваться индивидуальными или групповыми преобразователями, установленными в исполнительной системе.
Одной из наиболее энергоёмких самолетных систем является система кондиционирования воздуха (СКВ). Мощность, отбираемая от силовой установки современных магистральных самолётов гражданской авиации на обеспечение функционирования данной системы, может достигать 500 и более кВт, причем эта мощность заметно превышает мощность, необходимую для системы кондиционирования, а значения параметров отбираемого от авиадвигателей воздуха (температуры и давления) существенно выше требуемых для СКВ значений.
При использовании автономных компрессоров, приводимых во вращение от электрических двигателей, мощность электропривода на всех режимах будет в точности соответствовать той величине, которая необходима для функционирования СКВ.
Исследования показали, что электрификация СКВ позволит обеспечить: • снижение потерь мощности до 30%; • сокращение массы трубопроводной системы и агрегатов на 20–30%; • сокращение расхода топлива на 1–2%. Ключевым моментом в реализации концепции "полностью электрического самолета" является создание электромеханических приводов систем управления полетом. Как известно, в настоящее время в системах управления полетом повсеместно используются гидравлические приводы, получающие энергию для своего функционирования от централизованных гидросистем.
На самолете с полностью электрифицированным оборудованием эти приводы должны быть заменены на электроприводы, получающие питание от источников электрической энергии. Современные электромеханические приводы, выполненные на базе бесконтактных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов или вентильно-индукторных двигателей, уже сейчас не уступают и даже превосходят гидроприводы по ряду показателей.
Проведенные исследования показали, что за счет реализации концепции ПЭС вес силовой части системы управления полетом в ближайшие 5-7 лет может быть снижен на 20%, а через 10–15 лет на 40%. Тем не менее, внедрение чисто электромеханических приводов в системы управления полетом сдерживается по целому ряду причин.
Считается, что применение чисто электромеханических приводов для органов управления основными рулевыми поверхностями самолета (руль высоты, руль направления, элероны) в настоящее время преждевременно. Это объясняется, прежде всего, относительно невысокой надежностью механического редуктора привода, преобразующего вращательное движение вала электродвигателя в поступательное перемещение выходного звена привода. Кроме того, пока еще электромеханический привод с планетарным редуктором и шарико-винтовой передачей уступает обычному электрогидравлическому приводу по динамическим характеристикам.
Более высокими динамическими характеристиками, достаточными для использования в первичной системе управления полетом, обладают электрогидростатические приводы, являющиеся, по существу, электроприводами с "гидравлическим" редуктором. Электрогидростатический привод представляет собой совокупность регулируемого бесконтактного двигателя постоянного тока и гидростатической передачи, выполненной на основе гидроцилиндра и нерегулируемого реверсивного насоса.
На самолете А-380 электрогидростатические приводы используются в качестве резервных для отклонения внутренних и внешних секций руля высоты, средних и корневых элеронов (флаперонов). Это позволило отказаться от третьей центральной гидросистемы, что обеспечило уменьшение массы самолета на 450 кг. На самолете F-35 в системе управления полетом используются только электрогидростатические рулевые приводы, получающие питание от источников электрической энергии, за счет чего полностью исключена центральная гидросистема самолета. Это позволило уменьшить массу системы управления на 300 кг.
По-видимому, данный вид привода, требующий применения автономных гидросистем, является промежуточным решением проблемы. В дальнейшем он должен быть заменен на электромеханический привод. При отсутствии жестких требований к динамическим характеристикам, например, для приводов органов вторичной системы управления и механизации крыла, уже сейчас могут использоваться более простые электромеханические приводы с регулируемым электродвигателем и механическим редуктором.
В частности, на самолете А-380 электромеханические приводы используются для отклонения предкрылков и стабилизатора. На самолете Boeing 787 применены электромеханические приводы спойлеров и тормозов шасси.
В нашей стране также проводится большая работа по созданию различных электромеханических приводов систем управления самолетом. В частности, разработаны автоматизированные электроприводы закрылков, стабилизатора, триммирования и регулирования систем штурвального управления для пассажирского самолета Ту-324.
Для самолета Ту-334М разработан программно управляемый электромеханический комплекс, включающий в себя взаимосвязанные электроприводы перемещения предкрылков и закрылков и выполняющий функции вторичной системы управления полетом. Тем не менее, на первом этапе полное исключение гидравлических приводов и централизованных гидравлических систем представляется преждевременным в силу недостаточного уровня надежности электрогидростатических приводов для отклонения органов первичной системы управления полетом и большого технического риска при разработке в короткие сроки электроприводов с необходимыми характеристиками.
В настоящее время под руководством ОАО "Объединенная авиастроительная корпорация" проводится комплексная научно-исследовательская работа по проблеме "полностью электрического самолета" (самолета с повышенным уровнем электрификации), в которой принимают участие ведущие организации, занимающиеся разработкой летательных аппаратов, авиационных двигателей и бортового оборудования. Координаторами работ являются крупные научные центры: ЦАГИ, ЦИАМ и НИИАО.
Целью данной работы является создание научно-технического задела в разработке нового поколения отечественных самолетов с полностью электрифицированным оборудованием (с повышенным уровнем электрификации), отработка технологий и создание аппаратуры для перехода к перспективной структуре энергетического обеспечения бортового оборудования самолетов, использующего для своего функционирования только (преимущественно) электрическую энергию.
По результатам этих работ предполагается сократить имеющееся отставание в этом вопросе по отношению к США и странам Евросоюза и приступить непосредственно к созданию "полностью электрического самолета". Повышение уровня электрификации самолетов гражданской авиации будет способствовать обеспечению конкурентоспособности отечественного самолетостроения на международном рынке авиационной техники.
Авторы: Сергей Воронович, кандидат технических наук; Владимир Каргопольцев, кандидат технических наук; Владимир Кутахов, доктор технических наук.
