Полеты на сверхпроводах

Работы над сверхпроводящим авиадвигателем велись в рамках программы Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), координируемой немецкой компанией Oswald Elektromotoren при поддержке европейской программы Horizon 2020, сообщает Aviation Week.

Конфигурация ASuMED представляет собой синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет магнитного поля, генерируемого в высокотемпературных сверхпроводящих роторе и статоре, работающих при температуре минус 250 °C.

Движение на сверхпроводимости

Сверхпроводимостью называется обращение в ноль электрического сопротивления при достижении проводником некоторой (критической) температуры. Низкотемпературная сверхпроводимость связана с прекращением теплового движения атомов вещества и образованием куперовских квазичастиц (связанных пар электронов). Высокотемпературные сверхпроводники имеют отличающиеся от низкотемпературных свойства, прежде всего квазидвумерность и многозонность, которые приводят к появлению сверхпроводимости, как правило, при температурах до минус 243 °C. Двумерность обусловлена слоистой структурой сверхпроводника, а многозонность — различием в организации кристаллических решеток слоев и их взаимодействием.

Использование высокотемпературных сверхпроводников в электродвигателях позволяет значительно снизить вес и размеры машин и силовых установок на их основе.

ВТСП-провода позволяют создавать моторы и генераторы с уникальными характеристиками. Благодаря высокой плотности тока обмотки из ВТСП-ленты создают гораздо большее магнитное поле, чем обмотки из обычных проводов, и в сверхпроводниковых вращающихся машинах достигается более высокая плотность энергии. Кроме того, для вращающихся машин на основе ВТСП характерен очень высокий КПД даже при низких скоростях вращения. ВТСП-системы электродвижения, включающие в себя двигатели, генераторы, кабельные системы, накопители энергии и системы защиты, позволят кратно повысить топливную эффективность, снизить шум и заметность, улучшить динамику.

ВТСП-электродвигатели могут найти применение в электрических или гибридных силовых установках самолетов местных воздушных линий, перспективных винтокрылых летательных аппаратах и аэротакси с вертикальным взлетом и посадкой.

Двигатель Oswald Elektromotoren имеет мощность 1 мегаватт с плотностью мощности 20 киловатт на килограмм. Такой силовой агрегат рассчитан на работу с общей эффективностью более 99,9% при тепловых потерях менее 1%.

В перспективе Oswald Elektromotoren планирует повысить мощность силового двигателя с 1 до 10 мегаватт и более. В компании уверяют, что конечная конфигурация силового агрегата будет определяться требованиями заказчика. Программа ASuMED, стартовавшая в 2007 году, должна завершиться в феврале-марте 2020 года созданием полностью готового демонстратора.

Среди трудностей, с которыми столкнулись немецкие инженеры, — разработка устройства системы охлаждения для статора и ротора, а также контроль намагниченности сверхпроводящих элементов. В качестве источника низких температур криостата для статора выбран водород, для ротора — гелий.

Сергей Самойленков, генеральный директор компании — национального чемпиона «СуперОкс»

«СуперОкс»

«Сложность охлаждения ВТСП-статора состоит в том, что материалы криостата будут находиться в зоне действия высоких переменных магнитных полей, которые вызывают интенсивный нагрев металлических материалов, увеличивая тепловую нагрузку на криогенный контур и понижая эффективность всей системы», — рассказал «Стимулу» Сергей Самойленков, генеральный директор компании — национального чемпиона «СуперОкс», которая также занимается разработкой ВТСП-электродвигателя. В «СуперОкс» разработана технология криостата для статора электродвигателя, не содержащего металлических деталей в активной части электродвигателя.

По словам руководителя компании, охлаждение ротора требует разработки вращающегося ввода хладагента с вакуумным уплотнением, что значительно усложняет и утяжеляет конструкцию ротора. «СуперОкс» выбрала иной технологический подход, не требующий вращающегося криостата. Вдобавок это позволяет сделать вал ротора полым и обеспечить через него управление винтом переменного шага — важное дополнение для авиации.

ВТСП-технологии — будущее авиации

«Одна из главных причин резко возросшего спроса на электрические энергетические установки — экология, — поясняет Сергей Самойленков. — Это второе по значимости требование к гражданской авиации после безопасности. Ежегодный рост мирового авиапарка превышает шесть процентов, в связи с чем перед мировым парком коммерческой авиации стоит задача значительно снизить объем выбросов в атмосферу. Решение этой актуальной проблемы невозможно без улучшения топливной эффективности, внедрения новейших технологий».

По словам Самойленкова, использование ВТСП-технологии позволяет создать новые типы гибридных силовых установок, которые обеспечивают значительное увеличение удельной мощности систем электродвижения. Силовые установки на базе ВТСП более эффективны, безопасны и обеспечивают значительную экономию по сравнению с традиционными системами.

Крупнейшие мировые исследовательские институты и авиационные компании работают над перспективной задачей создания подобных систем. Например, Airbus выполняет исследования в области разработки электрического самолета, руководствуясь дорожной картой Европейской Комиссии Flightpath 2050 — Europe’s Vision for Aviation. Исследования касаются инженерных решений системного характера и призваны ответить на вопрос, когда можно создать эффективный самолет с электрической силовой установкой и какие для этого потребуются технологии. Один из ключевых элементов — электродвигатели высокой удельной мощности. Над созданием таких двигателей работают в нескольких странах.

Россия — среди лидеров

В России технология высокотемпературных сверхпроводников тоже активно развивается. «Стратегия развития авиационной промышленности на период до 2030 года» ставит задачу создания электрического самолета. Технология электродвижения вошла в «Перечень приоритетных технологических направлений развития оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации».

Разработка ВТСП-электродвигателя 500 кВт с ВТСП-лентой второго поколения в статоре началась в конце 2016 года. В двигателе, разработанном в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) совместно с ЗАО «СуперОкс», применяется ВТСП-лента второго поколения производства российской компании «С-Инновации».

Электродвигатель с обмотками на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) компании ЗАО «СуперОкс» на Международной выставке «Гидроавиасалон-2018» в г. Геленджике

«СуперОкс»

По словам Сергея Самойленкова, сейчас в «СуперОкс» и ЦИАМ проводятся испытания нескольких образцов ВТСП-электродвигателей мощностью до 500 кВт в различных режимах работы. На 2020–2021 годы запланированы испытания ВТСП-электродвигателя на летающей лаборатории. Осуществив эти планы, Россия станет первой страной в мире, испытавшей такой летательный аппарат в рабочих условиях. Проект будет представлен на международном авиакосмическом салоне МАКС, который откроется 27 августа в подмосковном Жуковском.

Как считают в «СуперОкс», гражданская авиация — самый перспективный рынок для ВТСП-электродвигателей.

Прогноз объема рынка самолетов до 2035 года — более пяти триллионов долларов. Причем самая высокая потребность приходится не на те лайнеры, которые сейчас в основном используются: Airbus A320, Boeing 737, — а на меньшие по вместимости узкофюзеляжные самолеты, потому что более популярным и востребованным становится региональное передвижение. Но чем меньше расстояния, тем менее эффективны самолеты.

Еще в 2007 году эксперты NASA опубликовали результаты пятилетнего исследования, где признали ВТСП перспективной системой для создания лайнеров на электротяге. Расчеты, проведенные НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского», с которым сотрудничает компания «СуперОкс», показывают, что сделать такие самолеты эффективными позволяет использование гибридной силовой установки, включающей в себя источник первичной энергии, генератор и электродвигатели, которые оказываются намного более эффективными при использовании технологий ВТСП.

В частности, это позволяет улучшить компоновку самолета: расположить источник первичной энергии — самую тяжелую составляющую двигательной установки — в хвосте, где сейчас расположена вспомогательная силовая установка. Она будет работать на генератор, генератор будет вырабатывать электричество. Электричество будет раздаваться по кабельной системе, в том числе на электродвигатели, использующие для обмоток технологии ВТСП.

«Потребление топлива в гибридной системе, по самой скромной оценке, будет на 15 процентов, — отмечает Сергей Самойленков. — А самая перспективная оценка — на 75 процентов меньше. Сейчас авиаперевозчики страдают от низкой маржинальности перевозок, у некоторых авиакомпаний вообще нет прибыли. Расходы на топливо составляют примерно 30 процентов всей стоимости перевозки. То есть, условно говоря, если экономится 50 процентов топлива, то маржинальность увеличится с исчезающе малой величины до 15 процентов».

«СуперОкс» уходит в отрыв

«СуперОкс» — разработчик и производитель материалов, обладающих свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и изделий на их основе. Свою продукцию компания поставляет в 20 стран мира. Основные заказчики — крупнейшие технологические корпорации, ведущие университеты и научные центры.

На внутреннем рынке «СуперОкс» выступает генеральным подрядчиком проекта установки на электроподстанции «Мневники» первого в стране токоограничивающего устройства на базе ВТСП, предназначенного для защиты электрических сетей от коротких замыканий. Эта работа выполняется по заказу АО «Объединенная энергетическая компания» и является важной частью национального проекта «Разработка и внедрение сверхпроводниковых технологий в топливно-энергетический комплекс Российской Федерации», реализуемого во взаимодействии с Министерством энергетики РФ.

«Наша стратегия, — говорит Сергей Самойленков, — заключается в том, чтобы постоянно, благодаря почти тридцатилетнему опыту работы с ВТСП, все время находиться на самых передовых технологических позициях. Ее можно назвать стратегией технологического отрыва, которую нам удается реализовать за счет того, что мы многое сделали на несколько лет и даже десятилетий раньше, чем наши конкуренты. Технология изготовления ВТСП-проводов достаточно сложная, а ее секреты глубоко спрятаны. В первую очередь это технология осаждения разных слоев контролируемого состава и структуры: на каждом из технологических этапов есть какие-то тонкости, которые мало описаны в литературе и которые составляют наши секреты производства».

В декабре прошлого года компания «СуперОкс» вошла в число российских компаний, выбранных экспертным советом при Минэкономразвития РФ для участия в приоритетном проекте «Поддержка частных высокотехнологических компаний-лидеров» («Национальные чемпионы»).