Крылатый сверхпроводник

Уникальный двигатель для гибридной установки Як-40ЛЛ мощностью 500 кВт разработан специалистами компании — национального чемпиона «СуперОкс», одного из мировых лидеров в разработке технологий высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), в рамках контракта с Фондом перспективных исследований.

О том, как прошел первый полет, «Стимулу» рассказал генеральный директор ЗАО «СуперОкс» Сергей Самойленков: «Все было штатно, системы отработали в соответствии с составленным планом. Сейчас мы обрабатываем полученные данные, анализируем их и планируем дальнейшую работу. К следующему этапу можно будет переходить только после завершения испытаний, которые будут продолжаться в 2021 и 2022 годах. Мы пока еще в начале пути, на то он и первый полет».

Наземные отработки прошли на аэродроме новосибирского ФГУП «СибНИА имени С. А. Чаплыгина» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского») в феврале этого года — в режиме пробежки по полосе без отрыва от земли. Необходимо было убедиться, что новые системы не вносят помех в работу существующих, отработать взаимодействие и согласованное управление испытуемого двигателя со штатными двигателями самолета. Надо было также провести ряд технических доработок самолета для его соответствия требованиям допуска к полету. Рассказ специалистов об этих испытаниях, об особенностях гибридной силовой установки (ГСУ), а также о самой летающей лаборатории читайте в материале «Стимула» «Со сверхпроводящим движком на борту».

Энергия сверхпроводимости

Разработка ВТСП-электродвигателя 500 кВт с ВТСП-лентой второго поколения в статоре началась в конце 2016 года. Из всех известных материалов ВТСП-провод второго поколения обладает самой высокой токонесущей способностью. Он представляет собой металлическую ленту, покрытую функциональными слоями, один из которых — тонкий слой высокотемпературного сверхпроводника состава RBa₂Cu₃O₇ (R —редкоземельный элемент). Технология получения таких лент разработана в компании «С-Инновации» (входит в группу компаний «СуперОкс»), сейчас это единственный в России коммерческий производитель этих уникальных электротехнических материалов.

ВТСП-провода позволяют производить моторы и генераторы с уникальными характеристиками. Благодаря высокой плотности тока обмотки из ВТСП-ленты создают в разы большее магнитное поле, чем обмотки из обычных проводов сопоставимого размера, и в сверхпроводниковых вращающихся машинах достигается более высокая плотность энергии. Кроме того, сверхпроводники не имеют электрического сопротивления, что повышает КПД ВТСП-машин более чем до 99%, причем высокие значения КПД сохраняются даже при низких скоростях вращения. ВТСП-системы электродвижения, включающие в себя двигатели, генераторы, кабельные системы, накопители энергии и токоограничивающие устройства (ТОУ), позволят кратно повысить топливную эффективность, снизить шум и заметность, улучшить динамику транспортных средств. Технология ВТСП позволяет уменьшить вес двигателей в несколько раз, что становится критически важным преимуществом.

Назначение ТОУ — быстрая защита бортовой сети от токов короткого замыкания и любых сверхноминальных токовых воздействий. Благодаря быстродействию сверхпроводника ограничение тока очень быстрое. Самому быстродействующему выключателю необходимо как минимум 50 миллисекунд, чтобы разомкнуть электрическую цепь, а токоограничитель справляется с задачей в сто раз быстрее. При использовании мощных аккумуляторных батарей применение ТОУ становится необходимым.

Генеральный директор ЗАО «СуперОкс» Сергей Самойленков

Пресс-служба ЗАО «СуперОкс»

Малошумные, экологичные и экономичные

Электрический двигатель — часть демонстратора гибридной силовой установки, которую разрабатывает Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ, входит в состав НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского») в широкой кооперации отечественных предприятий в рамках госконтракта с Минпромторгом России.

Помимо ВТСП-электродвигателя в состав демонстратора ГСУ входит электрический генератор, разработанный и созданный в ЦИАМе совместно с Уфимским государственным авиационным техническим университетом. Генератор имеет выходную мощность 400 кВт, весит 100 кг и прошел как стендовые испытания, так и испытания в составе турбогенератора (на базе серийного турбовального авиадвигателя).

Электродвигатель выполняет роль привода воздушного винта и установлен в обновленную носовую часть самолета. В носовой части также расположена криогенная система охлаждения. В средней части фюзеляжа находятся аккумуляторы, питающие электродвигатель, силовая электроника и система управления ГСУ.

Разработкой малошумных и экологичных ГСУ, прежде всего для малой и региональной авиации, занимаются во всем мире. Важное преимущество таких установок — экономичность. Потребление топлива в гибридной системе, по самой скромной оценке, будет на 15% меньше, чем у ныне существующих. А наиболее смелые прогнозы — экономия в 75%. «Важно разделять преимущества ГСУ технического и экологического характера, — говорит Сергей Самойленков. — К первому типу можно отнести возможность реализовать в конструкции планера более эффективные аэродинамические схемы, возможность снизить количество бортовых инженерных систем (отказ от гидравлики и пневматики, к примеру), возможность увеличить уровень доступной на борту электроэнергии. Эти улучшения достижимы только “на электричестве”, повышают надежность и снижают стоимость эксплуатации. Ко второму, экологическому типу относятся такие преимущества, как снижение вредных выбросов благодаря более высокой топливной эффективности и значительно меньший шум. В последние годы мы с вами наблюдаем, что этот экологический аспект становится даже более важным, чем аспект технический».

До 2030 года

Летающую лабораторию на базе самолета Як-40 разработали специалисты СибНИА имени С. А. Чаплыгина. Она представляет собой испытательный стенд для анализа поведения экспериментального оборудования в условиях, максимально приближенных к реальным эксплуатационным.

«Задача этого летательного аппарата — проверить в комплексе работу всех авиационных систем и нового оборудования, — рассказывает Сергей Самойленков. — Ведь до настоящего времени никто в мире не устанавливал на борту летательного аппарата криогенный сверхпроводниковый мотор и не поднимался с ним в небо. Инженерно-технические задачи, которые при этом формулируются и решаются, невозможно решить без летающей лаборатории. Это уникальный опыт. Далее на основе этого опыта будут отработаны все составляющие технологии и сложатся условия для разработки нового самолета, который будет более эффективным и экологичным».

После первого полета на МАКС-2021 летная лаборатория продолжит свои испытания на земле и в воздухе. Головным исполнителем этого проекта является ЦИАМ, а сама лаборатория базируется в СибНИА в Новосибирске.

«В сотрудничестве с этими организациями у нас запланирован значительный объем работ, которые мы последовательно выполняем, начиная с установки оборудования на борт самолета в конце 2020 года, — делится планами гендиректор “СуперОкс”. — Конечная цель работы на лаборатории — новые знания, которые затем внедряются в технологию для дальнейшего применения. Получить эти знания можно только в реальных экспериментах, которые мы и проводим. Необходимо работать дальше, разрабатывать и испытывать оборудование. Ожидается, что, если развиваться быстро, первый образец самолета с гибридной силовой установкой можно будет увидеть в районе 2030 года».