Со сверхпроводящим движком на борту

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».

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».

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).

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.

«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.

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.

«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».

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.

«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.