Инновации 15 Марта 2021

Со сверхпроводящим движком на борту

В Новосибирске прошли первые в мире испытания самолета — летающей лаборатории с демонстратором новой гибридной силовой установки. В ее состав входит электрический авиадвигатель, созданный на основе технологий высокотемпературной сверхпроводимости компанией — национальным чемпионом «СуперОкс»
Со сверхпроводящим движком на борту
Летающую лабораторию на базе самолета Як-40 разработали специалисты СибНИА им. С. А. Чаплыгина
«СуперОкс»

Уникальный электрический авиадвигатель мощностью 500 кВт разработан специалистами компании — национального чемпиона ЗАО «СуперОкс», одного из мировых лидеров в технологиях высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), в рамках контракта с Фондом перспективных исследований. Наземные отработки прошли на аэродроме новосибирского ФГУП «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского»).

В ходе испытаний, включающих в себя запуски электрического двигателя и всех систем самолета, была произведена проверка их устойчивой совместной работы.

«Испытания прошли в полном соответствии с программой, — рассказал “Стимулу” заместитель генерального директора ЗАО “СуперОкс” Алексей Воронов. — Была совершена пробежка самолета по полосе. Тягу самолету сообщали как штатные двигатели, так и испытуемый ВТСП-электродвигатель. Для испытаний нового двигателя в составе летающей лаборатории традиционно первые запуски проводятся в режиме пробежки по полосе без отрыва от земли. Необходимо убедиться, что новые системы не вносят помех в работу существующих, отработать совместное взаимодействие и согласованное управление испытуемого двигателя со штатными двигателями самолета. Необходим также ряд технических доработок самолета для его соответствия требованиям для допуска к полету».


ВОРОНОВ.jpg
Заместитель генерального директора ЗАО “СуперОкс” Алексей Воронов
«СуперОкс»

На самолет — летающую лабораторию ВТСП-электродвигатель установили впервые в мире. Все вспомогательное оборудование было сделано в компактном исполнении, это позволило разместить его на мотораме в носу летательного аппарата.

«Мы продемонстрировали подход к использованию более высокого класса напряжения на борту летательного аппарата — 800 вольт (сейчас — 270 вольт только в перспективе!) — отметил Алексей Воронов. — ВТСП-материалы позволяют повысить эффективность электроэнергетического тракта одновременно со снижением массогабаритных характеристик агрегатов. Применение сверхпроводимости также имеет высокий синергетический эффект с использованием криогенного топлива, такого как жидкий водород: он может быть использован для охлаждения ВТСП, что не создает потребности в дополнительной криогенной системе. Россия сейчас лидирует в области разработки электрического криосамолета будущего».

Оборудование от чемпиона

В июле 2020 года «СуперОкс» испытала свой перспективный сверхпроводниковый авиационный электродвигатель на стенде, изготовленном специалистами компании.

«На стенде ЗАО “СуперОкс” впервые собрана вся цепочка агрегатов электрической силовой установки с токонесущими элементами на основе ВТСП: генератор, кабельная система, токоограничительное устройство и двигатель, а также коммутационное оборудование, большая буферная аккумуляторная батарея и единая система криогенного обеспечения, — рассказал Алексей Воронов. — Таким образом, на нашем стенде имеется возможность отработать их совместное использование, что позволяет делать оценки для силовой установки целиком, а не только для отдельных ее частей. Это уникальный стенд, к созданию аналогичного отдельные компании за рубежом только приступают».

magnifier.png На самолет — летающую лабораторию ВТСП-электродвигатель установили впервые в мире. Все вспомогательное оборудование было сделано в компактном исполнении, это позволило разместить его на мотораме в носу летательного аппарата

По словам замгендиректора «СуперОкс», в ходе июльских испытаний ВТСП-электродвигатель показал расчетные характеристики. Доработки были связаны с необходимостью перенести двигатель и его обеспечивающие системы с «земли» на борт летательного аппарата. В частности, потребовалось разработать и изготовить компактную и высокопроизводительную систему криообеспечения для установки на летающую лабораторию. Ряд доработок касался замены крепежных и коммутационных элементов на соответствующие авиационным стандартам.

Об этих испытаниях, а также об устройстве, уникальных характеристиках и возможностях электродвигателя разработки ЗАО «СуперОкс» мы уже писали.

Всероссийская кооперация

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 (УГАТУ). 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).


ОЖГИБЕСОВ.jpg
Ведущий инженер-конструктор СибНИА им. С. А. Чаплыгина Дмитрий Ожгибесов
СибНИА им. С. А. Чаплыгина

Как рассказал «Стимулу» ведущий инженер-конструктор СибНИА им. С. А. Чаплыгина Дмитрий Ожгибесов, 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 расположены аккумуляторы, питающие электродвигатель, силовая электроника и система управления ГСУ.

magnifier.png На стенде ЗАО «СуперОкс» впервые собрана вся цепочка агрегатов электрической силовой установки с токонесущими элементами на основе ВТСП: генератор, кабельная система, токоограничительное устройство и двигатель, а также коммутационное оборудование, большая буферная аккумуляторная батарея и единая система криогенного обеспечения

«Что касается хвостовой части самолета, — отметил Дмитрий Ожгибесов, - то предварительно была проведена работа по ремоторизации самолета с целью оснащения его двумя двигателями TFE-731 с большей тягой, чем штатные. Это позволило обеспечить летное состояние самолета не с тремя двигателями, а уже с двумя, при этом открыв возможность для установки турбогенератора на место среднего двигателя».

Турбогенератор имеет две важные составляющие: турбовальный газотурбинный двигатель ТВ2-117 является приводом генератора высокой мощности. «На первый взгляд вся эта цепочка преобразования энергии выглядит нерационально, — говорит Дмитрий Ожгибесов. — По сути, в этой установке энергия сгорания углеводородного топлива преобразуется в электрическую энергию, затем электрическая энергия поступает в электродвигатель, где происходит дополнительное преобразование в механическую энергию. При этом мы еще должны учитывать потери энергии на проводах, аккумуляторах и необходимость питания систем управления всей установкой. Такая цепочка кажется неоправданно громоздкой, и возникает резонный вопрос: зачем? Ответ на него прост: отработка технологий».

По словам специалиста, на сегодняшний день камнем преткновения на пути к созданию полностью электрической авиации является емкость аккумуляторных батарей. Энергоемкость одного килограмма литий-ионных аккумуляторов меньше энергоемкости килограмма керосина в десятки раз, а значит, брать их с собой на борт для совершения полета по коммерческим маршрутам нужно больше в десятки раз, и это непозволительная роскошь для авиации.

«Однако сейчас мы имеем экспериментальные образцы ранее недоступных устройств, которым только предстоит найти место в авиации, автомобилестроении, судостроении. Поэтому наша летающая лаборатория — первый шаг на пути отработки технологий установки этого оборудования на летательные аппараты, а также отработки взаимной увязки радиоэлектронного оборудования с электрическими агрегатами подобной мощности. Во всем мире разработчики аккумуляторных батарей бьются над задачей увеличения энергоемкости своих продуктов, и когда этот показатель достигнет приемлемых для авиации значений, наш опыт по установке электродвигателей и генераторов высокой мощности пригодится современникам», — считает Дмитрий Ожгибесов.


ПРОПЕЛЛЕР.jpg
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 расположены аккумуляторы, питающие электродвигатель, силовая электроника и система управления ГСУ
«СуперОкс»

Летающая лаборатория

Летающую лабораторию на базе самолета Як-40 разработали специалисты СибНИА им. С. А. Чаплыгина. Решение использовать самолет Як-40 было принято в 2018 году. В том же году была создана и испытана аэродинамическая модель лаборатории в аэродинамической трубе.

Летающая лаборатория представляет собой испытательный стенд для анализа поведения экспериментального оборудования в условиях, максимально приближенных к реальным эксплуатационным. С точки зрения конструкции фюзеляжа этот летательный аппарат не несет в себе чего-то принципиально нового. По словам Дмитрия Ожгибесова, опыт создания летающей лаборатории подобного вида был в Чехословакии в конце 1980-х. Тогда необходимо было провести испытания двигателя М-602 с воздушным винтом В-518, которые также были установлены в носовую часть самолета Як-40.

magnifier.png Работу планируется завершить в 2022 году, ее результатом будут летные испытания демонстратора ГСУ. Они позволят проверить конструктивные подходы к созданию подобных силовых установок, оценить эффективность применяемых технических решений

«На первый взгляд может показаться, что устанавливать винтовой движитель на реактивный самолет (маршевые двигатели которого априори обладают большим запасом мощности, чем экспериментальный образец) — бессмысленная затея, но этому есть свои причины. С точки зрения чистоты эксперимента хорошо бы подошел самолет по типу Ан-28, но, когда работа только начиналась, мы до конца не знали, как в конечном виде будет выглядеть гибридная силовая установка, сколько потребуется аккумуляторов, какие будут аккумуляторы, какой конечный вес, габариты установки и так далее. Все эти вопросы важны, но, так как сама установка экспериментальная, не все идет по задуманным заранее планам: у природы свой взгляд на все процессы, которые происходят в оборудовании, а у людей — свой, следовательно, приходится что-то менять на ходу. По этим причинам, — говорит Дмитрий Ожгибесов, — было принято решение использовать самолет с большим запасом максимального взлетного веса».


САМЛТ В АНГР.jpg
Летающая лаборатория представляет собой испытательный стенд для анализа поведения экспериментального оборудования в условиях, максимально приближенных к реальным эксплуатационным
«СуперОкс»

Будущее авиации

Работу планируется завершить в 2022 году, ее результатом будут летные испытания демонстратора ГСУ. Они позволят проверить конструктивные подходы к созданию подобных силовых установок, оценить эффективность применяемых технических решений.

Направление малошумных и экологичных гибридных и электрических силовых установок — одна из определяющих технологий для будущего авиации. Их исследованием, прежде всего для перспективных серийных самолетов малой и региональной авиации, занимаются все авиаконцерны мира и профильные научные центры. Преимущество гибридных силовых установок состоит в возможности, с одной стороны, получить выгоду от энергоэффективных, экологически чистых электрических технологий, с другой — сохранить приемлемую весовую эффективность за счет оптимизации конструкции и режимов работы газотурбинных или поршневых авиационных двигателей.

magnifier.png «Применение гибридных технологий в авиации позволит уменьшить расход топлива до 70 процентов и существенно сократить вредные выбросы. Кроме того, в связи с тем, что авиационные требования к технологиям наиболее жесткие, это дает возможность использовать их в других отраслях промышленности при создании новой техники»

«Применение гибридных технологий в авиации позволит уменьшить расход топлива до 70 процентов и существенно сократить вредные выбросы. Кроме того, в связи с тем, что авиационные требования к технологиям наиболее жесткие, это дает возможность использовать их в других отраслях промышленности при создании новой техники. И именно здесь прикладная наука является драйвером высокоинтеллектуальных и сложных инновационных технологий», — отметил директор НИЦ «Институт им. Н. Е. Жуковского» Андрей Дутов.

По его словам, в Институте имени Жуковского сформирована комплексная научно-техническая платформа «Электрический ЛА» (летательный аппарат), в рамках которой все ведущие научно-исследовательские центры авиационной промышленности — ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, СибНИА — совместно создают новейшие технологические решения.

Темы: Инновации

Еще по теме:
19.04.2021
Ведущий оператор авиатопливного бизнеса «Газпромнефть-Аэро» завершил испытания блокчейн-платформы для моментальной оплат...
12.04.2021
Для создания помех иностранным радарам, способным засечь гагаринский старт, с самолетов разбрасывали фольгу, произведенн...
24.03.2021
Фостеровский огурец, токийская телебашня, башня в Гуанчжоу — их не было бы без изобретения Владимира Шухова. Но, оказыва...
12.03.2021
LG Energy Solution планирует наладить серийный выпуск перспективной линейки аккумуляторных ячеек, главными заказчиками к...
Наверх