Электрическое движение с недавних пор стало мейнстримом. Плюсом силовых установок на электротяге, безусловно, является их экологичность и безопасность. Крупнейшие мировые промышленные компании, создающие автомобили, самолеты, морские суда, делают акцент в своей работе на разработку технологий в области электродвижения.
Подобные проекты есть и в России. Генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова Михаил Гордин в интервью обозревателю РИА Новости Алексею Паньшину рассказал об исследованиях по электродвижению в российском авиастроении, его преимуществах в боевой авиации, спрогнозировал появление на регулярных авиалиниях самолетов и вертолетов с такими силовыми установками, а также сообщил о создании в стране прототипа авиадвигателя на электротяге.
— Сейчас в мире тренд на электрификацию авиационного транспорта. С чем это связано?
— Не только авиационного, этот тренд распространяется и на автомобильную, и на железнодорожную, и на морскую, и на другие сферы. Связано это в первую очередь с тем, что развитие транспорта привело к росту экологических проблем. Если говорить о гражданской авиации, то после безопасности полетов экологические требования сейчас стали вторыми по значимости. Даже несмотря на то, что доля выбросов авиации составляет всего порядка 2-3% от мирового уровня и при отсутствии динамики их снижения к 2050 году не превысит 15%, тем не менее фактор загрязнения окружающей среды неизбежно будет рассматриваться в числе главных проблем. А ведущие страны, разработчики и производители авиационной техники, добившиеся успеха в снижении выбросов, будут диктовать условия на мировом рынке авиакомпаниям других государств. В качестве примера можно привести движение Flygskam – "летать стыдно", а также введение Германией, Францией и рядом других стран экологического налога на перелет каждого пассажира.
Вы, наверное, помните, что в 2010 году на саммите "Экология и авиация" представители авиационной индустрии поставили цель к 2050 году сократить общую эмиссию авиационного транспорта более чем вдвое. При том, что к указанному сроку прогнозируется трехкратное увеличение объема авиационных перевозок, эмиссия летательного аппарата должна уменьшиться в шесть раз! Это очень амбициозные планы, особенно если учесть, что существующие технологии не способны обеспечить такой эффект. Ведь с точки зрения аэродинамики современные самолеты уже достигли высокого уровня технического совершенства, и даже переход от классических схем к "летающим крыльям" и тому подобное не смогут снизить вредные выбросы больше чем на 10-15%. То же самое касается авиационных газотурбинных двигателей – прогнозируемое снижение их удельного расхода топлива к 2030 году составит не более 10-15%.
Именно поэтому ведущие производители авиационной техники и двигателей, среди которых Boeing, Airbus, Rolls-Royce, GE, Safran и другие, рассматривают возможность использования в составе летательных аппаратов гибридных и полностью электрических силовых установок.
— Уже неоднократно в СМИ звучали термины "более электрический самолет", "полностью электрический самолет", "гибридная силовая установка" и так далее. В чем принципиальные отличия этих определений?
— На самом деле отличия есть уже в названиях, а если говорить серьезно, то "более электрический самолет" – это летательный аппарат, у которого тягу создают традиционные газотурбинные или поршневые двигатели и отсутствуют гидравлические и пневматические системы, обычно предназначенные для работы гидро- и пневмоприводов органов управления и шасси. Вместо этого используются электроприводы. Также у такого самолета нет отбора воздуха от двигателей для противообледенительной системы и системы кондиционирования воздуха. За счет этого снижается масса и повышается надежность всех систем, повышается КПД авиадвигателей, что в итоге приводит к снижению расхода топлива и вредных выбросов. Такая концепция, кстати, получила свое развитие в начале 2000-х годов на самолете Boeing 787.
Что касается "полностью электрического самолета", то его основное отличие от предыдущего варианта в том, что в силовой установке отсутствуют традиционные тепловые двигатели. Для создания тяги в таких самолетах используются электродвигатели. Энергией такая силовая установка питается от аккумуляторов или от топливных элементов. Это идеальная схема с точки зрения отсутствия вредных выбросов, а также простоты обслуживания и надежности.
— А когда такие самолеты уже будут летать на регулярных линиях?
— Различные исследования показывают, что до 2035-2040 годов полностью электрическими будут только самолеты и вертолеты малой авиации вместимостью не более 19 пассажиров, с ограниченной дальностью. Также полностью электрическими будут так называемые летающие такси вместимостью не более четырех человек.
— А большие лайнеры?
— Здесь сложнее, такие машины будут иметь в своем составе гибридную силовую установку.
— О ней вы, кстати, не рассказали. В чем ее преимущество?
— Исходя из названия, такая силовая установка предполагает гибрид двигателей внутреннего сгорания и электрических приводов с питанием от нескольких источников электроэнергии. Что касается преимуществ, то ее применение позволит уменьшить расход топлива на 70% и существенно сократить вредные выбросы. Кроме того, в разы уменьшатся затраты на обслуживание и ремонт. В целом гибридные и электрические силовые установки позволяют создавать летательные аппараты с принципиально новыми архитектурами, обеспечивающими ультракороткий взлет и посадку.
Для вертолетов применение электрических двигателей в составе силовой установки позволит отказаться от механической трансмиссии, которая является их наиболее критическим узлом. Кроме этого, если несущий винт будет вращаться электроприводом, появляется возможность изменять частоту его вращения, что необходимо для создания скоростных вертолетов.
— Что можно сказать о применении таких силовых установок в боевой авиации?
— Можно сказать, что это существенно снизит тепловую заметность и увеличит объем доступной электроэнергии на борту, что важно для использования перспективных электромагнитных и лазерных вооружений, а также средств радиоэлектронной борьбы.
— Если такие силовые установки так выгодны и надежны, почему они до сих пор не получили широкого применения?
— Как я уже говорил, авиация – не единственная сфера, в которой внедряются технологии электродвижения. Практически все автопроизводители разрабатывают и выпускают на рынок полностью электрические и гибридные модели легковых и коммерческих автомобилей. Что касается вашего вопроса, то основным препятствием повсеместного распространения являются относительная неразвитость технологий, отсутствие нормативной базы и опыта эксплуатации, доказывающего надежность и безопасность. В судостроении, на железнодорожном транспорте, на тяжелой автомобильной и гусеничной технике повсеместно применяются электрические трансмиссии. Наиболее активно внедрением и разработкой гибридных и полностью электрических силовых установок занимаются разработчики неатомных подводных лодок. К сожалению, эти технологии невозможно применить в авиации ввиду большой массы оборудования, отсутствия неограниченного хладагента и подобных проблем, обусловленных спецификой авиационной техники.
Тем не менее компетенции, накопленные в смежных отраслях, могут стать основой для разработки электрических технологий, пригодных для использования в авиации. Обратное тоже верно. Все технологии, которые сейчас разрабатываются или будут разрабатываться для авиации, будут, очевидно, востребованы и в других видах транспорта или отраслях экономики. При этом уровень технических требований к технологиям для применения на воздушных судах очень высок – выше, пожалуй, только для космоса. Фактически, ставя задачу освоить технологии электродвижения в авиации, мы ставим задачу вывести эти технологии на принципиально новый уровень по их эффективности и уровню надежности предлагаемых решений.
— Где преуспевают в создании таких летательных аппаратов?
— О лидерстве той или иной страны говорить сейчас не приходится, так как все находятся пока в начале пути. У ведущих авиапроизводителей программы создания гибридных и электрических летательных аппаратов сегодня стоят на первом месте. Они реализуются в тесной кооперации со многими организациями, в том числе с университетами. В ЕС с 2012 года ведется проект по созданию гибридного электрического самолета-демонстратора Е-Thrust. Проект реализуется компаниями Airbus и Rolls-Royce совместно с ведущими европейскими университетами: Кембридж, Манчестер, Крэнфилд и другими. Airbus является интегратором, a Rolls-Royce – главным исполнителем. Отправной точкой проекта является концепция гибридной газотурбинной силовой установки, работающей совместно с шестью электродвигателями. В рамках данной программы компания Airbus создала самолет Е-Fan. Это двухместный полностью электрический самолет, предназначенный для спортивных тренировок. Длительность его полета от 45 до 60 минут. В настоящее время Airbus и Rolls-Royce реализуют проект E-Fan X по созданию демонстратора ГСУ мощностью 2 МВт и его испытаниям на летающей лаборатории на базе самолета BAe 146.
В США с 2012 года реализуется программа Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR), предназначенная для поддержки инновационных идей в сфере электрических технологий. Наиболее известный проект данной программы – самолет-демонстратор Х-57 Maxwell. Должен быть создан пятиместный полностью электрический самолет. Он будет оснащен 14 электродвигателями, 12 из которых на передней кромке крыла работают только на режиме взлета и посадки, а два крупных винта по бокам предназначены для движения на крейсерском режиме полета. В таком самолете примерно 70% объема занимают аккумуляторы. Есть и другие проекты.
— А что у нас?
— В автомобилестроении относительно больших успехов в области гибридных силовых установок добились в ФГУП "НАМИ" при реализации программы "Единая модульная платформа". Есть своя программа разработок в группе компаний КамАЗ. В судостроении в Крыловском государственном научном центре и ЦКБ "Рубин" работают над созданием силовых установок для подводных лодок на основе топливных элементов большой мощности.
Что касается авиации, то ведущую и координирующую роль здесь играет ФГБУ "НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского", объединяющий все ведущие научно-исследовательские центры авиационной промышленности – ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, СибНИА. С целью координации работ в рамках НИЦ сформирована комплексная научно-техническая платформа "Электрический ЛА" (ЛА — летательный аппарат). Каждый из институтов, входящих в НИЦ, работает в рамках своих основных компетенций. ЦАГИ отвечает за новые компоновочные решения, возможности по улучшению аэродинамических качеств, ГосНИИАС – за электрификацию бортового оборудования и системы управления. Особое место в этих работах принадлежит ЦИАМ, так как критические знания и технологии предстоит разрабатывать именно в части силовых установок. Традиционно, на протяжении своей 90-летней истории, ЦИАМ занимался развитием авиационных двигателей – тепловых машин. Сначала, в 30-40-е годы прошлого века – поршневых, потом, сразу после войны и вплоть до наших дней – газотурбинных. При этом от поколения к поколению двигателей для повышения их надежности и эффективности разрабатывались и внедрялись новые технические решения. И сейчас работы в этом направлении не прекращаются, но достигать поставленных целей все труднее и труднее. Радикально ситуация может измениться именно с переходом к электродвижению, поэтому по решению правления НИЦ это направление определено как перспективная целевая компетенция ЦИАМ в будущем.
— Какие перспективные работы вы сейчас ведете?
— Несколько лет назад в институте был создан новый отдел – "Гибридные/электрические силовые установки, системы и летательные аппараты", на базе которого проводятся две основные научно-исследовательские работы по этой тематике: НИР "Электролет СУ-2020" (СУ – силовая установка) и НИР "Перспективные ГСУ". Обе эти работы выполняются по государственным контрактам с министерством промышленности и торговли Российской Федерации, срок их окончания – 2022 год.
НИР "Электролет СУ-2020" ориентирована на создание демонстратора гибридной силовой установки с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости. Мы являемся головным исполнителем, ключевой соисполнитель – компания "СуперОкс", которая по заказу Фонда перспективных исследований разрабатывает сверхпроводящие электрические машины. В прошлом году были проведены первоначальные стендовые испытания демонстратора гибридной силовой установки и подготовлен проект создания летающей лаборатории на базе самолета Як-40.
В качестве тепловой машины был взят турбовальный двигатель ТВ2-117. Мы разработали и изготовили для него совместно с Уфимским государственным авиационным университетом генератор мощностью 400 кВт, собрали аккумуляторный блок, систему управления. Испытания каждого элемента проводились как по отдельности, так и в составе силовой установки на наземных стендах.
Результатом работы, которая ведется сейчас и закончится в 2022 году, будут летные испытания гибридной силовой установки. Для этого переоборудуется самолет Як-40 с возможностью установки на нем воздушного винта, который будет вращаться сверхпроводящим электродвигателем. Летный эксперимент позволит проверить конструктивные подходы к созданию подобных силовых установок и оценить эффективность применяемых технических решений.
Одновременно мы обсуждаем с ФПИ создание на базе двигателя ВК-2500 полностью сверхпроводящей гибридной силовой установки мощностью 1500 кВт с использованием в качестве топлива и хладагента жидкого водорода или сжиженного природного газа. Имея результаты летных экспериментов и проект на базе ВК-2500, уже можно будет говорить о начале опытно-конструкторских работ по созданию гибридной силовой установки для самолета местных воздушных линий.
— Что будет результатом НИР "Перспективные ГСУ"?
— Эта НИР заточена под объекты меньшего размера. В прошлом году мы сделали электродвигатель на 60 кВт (80 лошадиных сил). Базой для летного эксперимента является самолет "Сигма-4". Планировалось поднять в воздух эту машину еще в прошлом году, но мы столкнулись с определенными сложностями в создании системы управления двигателем и полет не состоялся. Опыт учли, систему переделываем. В этом году самолет должен полететь на аккумуляторе, а через год попробуем сделать это на топливном элементе. Этот мотор является прототипом электрического авиационного двигателя.
Кроме того, сейчас есть идея на базе ВК-800, который создает Уральский завод гражданской авиации, сделать гибридную силовую установку – интегрировать электродвигатель с редуктором и турбиной, чтобы обеспечить так называемое долетное время. Вы, наверное, знаете, что критерии надежности, которые предъявляются к двигателям однодвигательных машин, существенно выше, чем к двухдвигательным. Настолько выше, что сделать двигатель для однодвигательного самолета значительно сложнее и дороже. Интеграция газотурбинного и электрического двигателей может существенно упростить задачу, позволяя осуществить схему, при которой при отказе основного газотурбинного двигателя обеспечивается работа силовой установки от аварийного источника электрической энергии для выполнения безопасной посадки. Причем в качестве аварийных могут использоваться первичные (неперезаряжаемые) источники электрической энергии, которые имеют большую емкость на единицу массы по сравнению с аккумуляторами.
— А как все эти работы связаны между собой?
— Как я уже говорил, в ФГБУ "НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" и подведомственных институтах работы ведутся в рамках большой комплексной научно-технической платформы "Электрический ЛА". Свои исследования в области создания электродвигателей и ГСУ ведут и другие организации в России, но они слабо скоординированы друг с другом, что зачастую приводит к дублированию либо не дает образовать полный набор необходимых технологий. Заимствование компонентов за рубежом не только приводит к импортозависимости, но и не позволяет создавать и развивать компетенции внутри страны. Ключевые технологии не должны воспроизводиться по образу и подобию уже имеющихся у иностранных компаний – при таком подходе отставание консервируется навсегда. Нужно, наоборот, пытаться опережать мировой уровень и формировать более амбициозные цели. Для координации усилий всех ведомств, организаций, компаний в ближайшее время должна быть сформирована комплексная целевая программа "Электродвижение". Проект такой программы готовится ФГБУ "НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" и будет представлен для межотраслевого согласования и последующего утверждения в Минпромторг России.
