Полет на сверхпроводах

Интегрированная авиационная электроэнергетическая система на основе единой высокотемпературной сверхпроводниковой (ВТСП) платформы состоит из ВТСП-кабеля, ВТСП-токоограничивающего устройства (ТОУ) и ВТСП-электродвигателя. Она создана ЗАО «СуперОкс» в рамках совместного проекта с Фондом перспективных исследований. «Стимул» уже писал о прорывных разработках этой компании (см., например, «Стратегия высокой температуры»).

В ходе испытаний имитировались взлет и посадка, заряд и разряд батареи в полете, а также аварийные режимы. Электропитание подавалось только за счет специально разработанной аккумуляторной батареи высокой мощности.

«Испытания проходили на стенде, построенном в ЗАО “СуперОкс”, — рассказал “Стимулу” генеральный директор “СуперОкс” Сергей Самойленков. — Во время испытаний мы вели мониторинг технических параметров двигателя и аккумуляторной батареи, собиралась вся техническая информация (более ста параметров). Имитация различных режимов работы была возможна благодаря разработанной и изготовленной в “СуперОкс” системе управления ВТСП-электродвигателем, позволяющей изменять частоту и мощность электродвигателя».

В перспективе электродвигательную систему планируют использовать в составе экспериментальной авиационной гибридной силовой установки. Ее разрабатывает Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) имени П. И. Баранова. Гибридная силовая установка будет включать в себя первичный привод (турбину), генератор, аккумуляторную батарею, кабельную систему, ВТСП-электродвигатель с системой охлаждения.

По словам Сергея Самойленкова, в 2019 году на базе ЦИАМ были испытаны нагрузочные характеристики ВТСП-электродвигателя, а также работа при разных скоростях вращения. В нынешнем цикле испытаний, которые компания начинает в 2020 году, добавлены новые устройства, разработанные в проекте: аккумуляторная батарея, токоограничивающее устройство, кабель, новая система управления.

«Смоделировать поведение компонентов силовой установки в ходе реального полета на наземном стенде довольно сложная задача, — поясняет Сергей Самойленков. — Для этого применяют летающие лаборатории. В нашем совместном с ЦИАМ проекте планируется, что ВТСП-электродвигатель будет установлен на самолете и будут проведены испытания его функциональности в различных режимах полета. При этом оценивается поведение всех подсистем. Испытания в составе самолета запланированы на 2020–2021 годы».

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», 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 ТОУ, позволят кратно повысить топливную эффективность, снизить шум и заметность, улучшить динамику транспортных средств.

Еще один компонент системы — ВТСП-токоограничивающее устройство. По словам Сергея Самойленкова, назначение этого устройства — 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.

Принцип действия сверхпроводникового ТОУ достаточно прост и основан на фундаментальных свойствах ВТСП. Сверхпроводник обладает нулевым электрическим сопротивлением вплоть до некоторого критического значения плотности тока, которое составляет для современных проводов при температуре жидкого азота около 1000 А/мм². В случае короткого замыкания при превышении этого критического значения происходит переход ВТСП-провода в резистивное состояние. Переход из сверхпроводникового состояния в резистивное (токоограничивающее) не требует измерительных датчиков, обратной связи и исполнительных механизмов. ВТСП ТОУ срабатывает за счет свойств материала и в сто раз быстрее аналогов. После устранения короткого замыкания происходит самовосстановление сверхпроводящих свойств, и ТОУ автоматически возвращается в рабочий режим.

Как рассказал Сергей Самойленков, подобные электродвигатели сегодня разрабатываются в развитых странах с целью создать экономичный и легкий привод для авиационного винта. Работы ведут Rolls-Royce, SAFRAN, Oswald Elektromotoren, NASA, японское аэрокосмическое агентство JAXA. Первой нишей должна стать авиация: европейские и американские регуляторы поставили задачу снизить шум и уменьшить углеродный след от самолетов, а это возможно только при применении гибридных силовых установок с электрическими двигателями. ВТСП позволяет уменьшить вес двигателей в несколько раз, что становится критически важным преимуществом.

По словам Сергея Самойленкова, потребление топлива в гибридной системе, по самой скромной оценке, будет на 15% меньше. А наиболее смелые прогнозы — экономия в 75%. Сейчас авиаперевозчики страдают от низкой маржинальности перевозок. Расходы на топливо составляют примерно треть всей стоимости перевозки. То есть если экономится половина топлива, то маржинальность увеличится с очень малой величины до 15%.

Технология также позволит разрабатывать полностью электрические летательные аппараты с вертикальным взлетом и посадкой. Открываются новые возможности в области создания электрических морских судов и большой колесной техники.