Пролог. Как рождалась идея (по словам Ю.Рыжкова)
Однажды летним вечером 2012 года вспомнилась студенческая молодость в Куйбышевском авиационном институте, первый учёный-наставник А.П. Меркулов, ранцевый вертолёт с «прямоточкой» (с прямоточными двигателями. – Прим. ред.) на концах лопастей, идеей которого учёный увлёк тогдашнего студента. Да так увлёк, что учёбу студент наполовину забросил. Всё было – и стенд для огневых испытаний был сооружён, и движок на заводе изготовили, и радость от первого запуска движка, и взрывы на стенде.
Вспомнил всё это и позвонил Г.Г. Ирейкину. Другу в студенчестве, а ныне Герою России, председателю Правления Клуба Героев города Жуковского. Геннадий Григорьевич, говорю, помнишь эпопею с ранцевым вертолётом? Вот проект, который Клуб Героев мог бы взять под своё крыло. Давай, ответил Г.Г. Ирейкин, и передал предложение одному из сотрудников Клуба, он из Питера. Тот посмотрел. А чего, говорит, «прямоточки»? От них только шум-дым и никакого к.п.д. Вот электропривод – это другое дело, это сейчас модно. Ничего себе, думаю, это какой же аккумулятор надо с собой таскать, с небольшой коттедж олигарха, наверное. Но делать нечего, стало любопытно.
Забил в поисковике «электрический вертолёт», в ответ получил ссылку на статью с таким же названием. Статья небольшая по объёму, но очень ёмкая по мыслям. Написана уважаемыми людьми, ведущими специалистами Центрального института авиамоторостроения им. П.И. Баранова во главе с О.С. Гуревичем. Прочитал её и подумал: эге, дело-то стоящее! Звоню нашему первому соавтору и говорю: «Сергей! Помнишь свою оригинальную электроустановку?». И пошло-поехало, закрутилось-завертелось!
Так родился проект, о котором ниже. И появилась команда единомышленников.
Проект
Сегодня в мире ведётся интенсивная работа по созданию транспортных средств с электрическим силовым приводом, в том числе летательных аппаратов различного вида. В мире уже летают десятки «электрических» самолётов (см. «Авиапанорама» № 2-2009. Прим. ред.) производства различных фирм. Что касается электрического пилотируемого вертолёта, то тут, по мнению авиационных специалистов (ОАО «Климов»), прогресс пока не столь впечатляет. Вертолет является более сложным и дорогим изделием, чем самолёт. Круг решаемых проблем при разработке вертолёта существенно больше, чем при разработке самолёта, и имеет свою специфику.
 |
| Прототип японского опционально управляемого одноместного электрического легкого вертолета Hirobo HX-1 (c) Greg Waldron / Flightglobal |
Первые полёты на экcперимен¬тальных вертолётах с электроприводом выполнены (по данным СМИ) во Франции (инженер Паскаль Кретьен), в США (Sikorsky Aircraft, полностью электрический вертолёт Firefly на базе легкого вертолета S-300C), в Европе (компания Eurocopter провела успешные испытания гибридного вертолета AS350 с турбовальным двигателем внутреннего сгорания и электрическим мотором для исследований процессов облегчённого перехода на режим авторотации).
В доступной информации отсутствуют технические данные по программе создания летающего автомобиля Transformer (проекты DAPRA, см. «Авиапанорама» №№ 2,3, 4,5-2012. Прим. ред.), но с уверенностью можно утверждать, что используются преимущества гибридных схем с силовым электроприводом. Они состоят в следующем:
• конструктивно упрощаются и облегчаются трансмиссии,
• авиационные модули (несущий, рулевые и толкающие винты) достаточно просто устанавливаются на перспективных электромобилях,
• совместно с электроникой появляется возможность легко организовать управление полётом как из салона «летающего» транспортного средства, так и в дистанционном, беспилотном режиме.
В СССР в 1930-е годы подобный проект (летающие автомобиль и лёгкий танк) уже предлагался нашими авиаконструкторами, однако уровень знаний и технологий того времени не позволил его реализовать. Проект летающей «боевой машины пехоты», т.е. бронированного и вооруженного вертолета, который мог бы высаживать отделение солдат, был реализован в 60-70-е годы в виде вертолёта Ми-24 нескольких модификаций. Следует, однако, отметить, что проект Ми-24 не предусматривал применение изделия как наземного транспортного средства.
В нынешней России есть техническая и технологическая возможность поэтапной реализации проектов, аналогичных зарубежным. Необходимые комплектующие и механизмы, не уступающие по своим характеристикам импортным, производятся в стране либо их можно свободно купить на зарубежном рынке.
Есть также команда специалистов, объединённая на общественных началах желанием сохранить нашу страну в числе лидеров – создателей вертолётов с электрическим силовым приводом. Реализация проекта силами команды и привлекаемых в кооперацию предприятий позволит сохранить суверенитет страны в сфере развития авиационной науки и техники.
Какие же проблемы существуют на пути создания полностью электрического вертолёта? По-крупному, их две (ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова, ОАО «Климов»):
– снижение удельной массы силовых низкооборотных (500…700 об/мин) электрических двигателей непосредственного (безредукторного) привода несущих винтов,
– снижение удельной массы и цены и увеличение ресурса аккумуляторных батарей.
Компания Protean Electric (США) строит в Китае завод по производству мотор-колёс непрерывной мощностью 54 кВт (75 л.с.), пиковой мощностью 75 кВт (100 л.с.) и массой 31 кг. Силовой электромотор на постоянных магнитах с воздушным охлаждением, созданный в США для вертолёта Firefly (Sikorsky Aircraft), располагает мощностью 142 кВт (190 л.с.) и приемлемыми весогабаритными характеристиками. Над чем-то похожим работают в Беларуси.
Прогресс в электромоторах наметился. Ожидать создание аккумуляторов с приемлемыми для полностью электрических вертолётов характеристиками следует не ранее конца 2020-х – начала 2030-х годов (ЦИАМ им. П.И. Баранова). Альтернативой упомянутым аккумуляторам (пока не появились с нужными характеристиками) могла бы послужить разработанная и запатентованная одним из авторов настоящей статьи оригинальная электросиловая установка.
 |
| Transformer TX по версии AAI. Фото с сайта компании |
При современном уровне электротехнических и двигателестроительных технологий решение задачи создания «электрического вертолета» может быть получено при использовании в составе гибридной силовой установки – линейного электроагрегата, основными составными частями которого являются линейный генератор, якоря которого совершают возвратно-поступательное движение, и свободно-поршневой двигатель, служащий для их привода.
На сегодня работы в этом направлении ведутся во всех промышленно развитых странах. В Советском Союзе в 1980-х – начале 1990-х годов в ГОКБ «Горизонт» была предложена, запатентована и реализована одна из возможных схем линейного электроагрегата, обеспечивающая генерацию как однофазного, так и трехфазного тока, которая обеспечивала возможность достижения высоких массогабаритных и энергетических характеристик. Показано, что при мощностях порядка 10 МВт и использовании сверхпроводящей системы возбуждения удельная мощность может достигать 0,3 кг/кВт при эффективном к.п.д. 0,4 – 0,5, а при мощностях до 1 МВт и использовании обычных (высокотемпературных) материалов можно говорить об удельной мощности на уровне 1кг/кВт при высоком эффективном к.п.д.
Комплекс работ по разработке и испытаниям ряда макетов линейного электроагрегата послужил основанием для принятия решения о серийном производстве систем резервного электроснабжения мощностью 5 и 10 кВт, учитывая то, что время запуска и приема нагрузки данной электрогенерирующей установкой не превышает 0,1с. Было выделено финансирование, сформирована кооперация и начато производство. Однако в силу социальных и экономических преобразований начала 90-х годов финансирование было прекращено, работы приостановлены, кооперация распалась.
Установку в модернизированном виде, учитывая накопленные знания и появление современных материалов и технологий, планируется применить в проекте в качестве гибридной электроустановки.
В перспективе, после выполнения поисковой работы, планируется изготовление электросиловой установки на базе линейного генератора со свободнопоршневым двигателем мощностью порядка 200 кВт и электромотора, подобного тому, что установлен на вертолёте Firefly. Такая силовая установка позволит поднять в воздух гибридный электромобиль с суммарной взлётной массой ~1500 кг (электромобиль с ЭСУ + электромотор + несущая система). На электромобиле должны быть предусмотрены узлы быстрого съёма-установки несущей системы и каналы прокладки силового кабеля и кабеля управления.
Воссоздание ранее разработанной электросиловой установки с линейным электрогенератором и свободнопоршневым двигателем легло в основу четырёхэтапной программы поисковых работ по реализации проекта электрического вертолёта. Мы хорошо усвоили мудрость авиационных инженеров – с хорошим мотором и ворота полетят.
На встречах в рабочем порядке к проекту проявлен интерес в ЦАГИ и в МЧС РФ.
В программе работ по реализации проекта на первом этапе запланировано:
• приобретение материалов, приобретение и изготовление отдельных узлов, деталей и комплектующих, в том числе подбор и приобретение электромотора и несущей системы от серийного вертолета.
• Разработка и изготовление экспериментального образца силовой электроустановки (линейный электрогенератор плюс свободнопоршневой двигатель) мощностью до 200 кВт.
• Изготовление и сборка платформы, полная сборка полноразмерного летающего экспериментального стенда, наземные и лётные испытания изготовленного стенда.
• Формирование кооперации по разработке документации и изготовлению составных частей проекта на последующих этапах проекта.
• Разработка концепции построения контура управления электровертолёта с учётом испытаний экспериментального стенда.
• Разработка требований к электронному комплексу (бортовому и наземному) для контура управления электровертолётом в пилотируемом и беспилотном режимах, удовлетворяющему требованиям надёжности при полётах с человеком на борту.
На последующих этапах запланировано (будет уточняться по результатам первого этапа):
• изготовление и испытание экспериментальной электроустановки мощностью 550 кВт, разработка эскизного проекта на линейку (модельный ряд) силовых электроустановок мощностью от 50 до 6 000 кВт.
• Приобретение и доработка серийно выпускаемого электромобиля под установку экспериментальной энергоустановки и модуля.
• Приобретение несущего винта и изготовление экспериментального полноразмерного модуля.
• Разработка и изготовление узлов установки модуля на электромобиле.
• Наземные и лётные испытания электромобиля с установленным модулем.
• Доработка серийно выпускаемого вертолёта (установка электросилового агрегата, электроники, аккумуляторов увеличенной ёмкости)
• Наземные и лётные испытания доработанного вертолёта.
• Заказ серийно выпускаемого вертолёта (без двигателей) с взлётной массой до 3500 кг.
Эпилог
К сожалению, Господь не наградил нас коммерческими талантами, дал лишь кое-какие способности как инженерам, техникам, рабочим, а в прошлой жизни мы не заработали нужных денег. Только поэтому мы ищем средства и просим о посильной помощи в реализации проекта «Электрический вертолёт». Но не сидим на месте. Помним о старинном афоризме: «Кто хочет сделать – ищет способ, кто не хочет – ищет причину» (висел в единственном числе на большом плакате-лозунге в зале заседаний Коллегии Минобщемаша СССР – ракетно-космического министерства).
Вот мы и ищем способ.
Для начала обратились в один коммерческий банк при поддержке хорошо знакомого человека, приближённого к правлению банка, с просьбой выделить относительно небольшие деньги на приобретение материалов и комплектующих. Неофициальный ответ руководства – а вдруг ничего не получится, а деньги будут потрачены? Нет. Стало понятно, что потенциальных инвесторов-спонсоров в лучшем случае может заинтересовать только действующее «железо».
Пошли дальше. Отправили e-mail главному конструктору «Ё-мобиля» с приглашением обсудить вопрос о наделении электромобиля ещё одним свойством – летать. Дальнейшее – молчанье. По всей вероятности, главный конструктор, замороченный текучкой, решил: и так дел невпроворот, сроки срываются, а тут какие-то полусумасшедшие лезут с бредовой идеей.
Далее – на имя заместителя Председателя Правительства РФ Д.О. Рогозина отправили письмо с приложением программы реализации проекта и просьбой поддержать проект. Из Аппарата Правительства РФ дано поручение подготовить заключение трём организациям: ОАО «Вертолёты России», ОАО «Климов» и ФГУП «Центральный институт авиамоторостроения им. П.И. Баранова».
Заключения были получены, с ними мы, в основном, согласны, особенно с тем, что заложенные в проекте идеи сегодня достаточно актуальны и требуют своего решения и больших средств. Не согласны мы лишь с тем, что работы, заложенные в проект, под силу только специализированным предприятиям и организациям. Почему П. Кретьен на своём вертолётике весьма простой конструкции может проводить очень серьёзные поисковые работы в обеспечение безопасности полётов, а, образно говоря, Ивановы-Петровы-Сидоровы – нет? Почему мы не можем организовать изготовление оригинальной экспериментальной электроустановки? Дорожка-то к ней протоптана 25-30 лет назад!
И ещё вот что. В литературе и в жизни мы видели в авиационных КБ огромные залы, заставленные чертёжными досками с конструкторами за ними. Ныне же технология разработки дополнилась мощной компьютерной поддержкой. Конструктор, сидя за компьютером с программным обеспечением (типа autoCAD’a) где-нибудь во Владивостоке, в реальном масштабе времени может «визави» решать возникшие проблемы с ведущим конструктором, сидящим, например, в Подмосковье или в Петербурге. Почему же не воспользоваться появившимися возможностями?
Далее. Несущему винту безразлично, что его крутит – турбина, поршневой двигатель или электромотор. Появление электромотора в силовой установке предполагает появление новых свойств контура управления. Выявить их и приспособить к делу можно, что на серийном экспериментальном вертолёте, переоборудованном под электротягу, что на простом экспериментальном летающем стенде. Результаты одни и те же, а затраты разные.
После анализа полученных заключений обращение вновь отправлено в Правительство, сейчас оно на заключении в Минпромторге РФ. Ждем ответа в середине августа с.г. Суть ответа предсказуема.
Обращаясь к разработчикам специализированных авиационных предприятий, хотим сказать: мы вовсе не стремимся перебежать вам дорогу в поиске вами средств на ваши аналогичные или, может быть, лучшие проекты. Мы не конкуренты, просто мы работаем в разных нишах одного дела. Наступит день, когда от поисков нужно будет перейти к разработке и промышленному производству электрических вертолётов с использованием всяких ОСТов-ГОСТов, нормативов, лицензий, испытаний и пр. Вот тогда и придёт ваш звёздный час!
Уважаемые коллеги, товарищи, друзья, инвесторы-спонсоры! Приглашаем к нашему интересному и перспективному делу! Вместе мы победим.
P.S. А ранцевый вертолёт с «прямоточками» не забыт. Тем более, что в Омске сверкнул огонёк надежды – изобретатель Котельников с его «Юлой». Надо только просчитать баланс энергий и газовую динамику. Вот будет время…
P.P.S. Когда номер журнала был отправлен в печать, из Минпромторга РФ поступило заключение на проект: "… в целях рассмотрения вопроса оказания бюджетного финансирования в рамках Программы Вам необходимо подготовить и направить заявку на выполнение работ …в Экспертный совет при Научно-координационном совете по координации, научно-техническому и организационному сопровождению реализации Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» для участия в открытом конкурсе".
Сергей Духовлинов, кандидат технических наук,
Юрий Рыжков, инженер
Опубликовано в журнале «Авиапанорама» №4-2013
