18.06.2013

Насколько серьёзна европейская ставка на электросамолёты?

Европейские разработчики летательных аппаратов намерены довести до сертификации и коммерциализации несколько проектов электросамолётов — и малого формата, и настоящих авиалайнеров.

Европейский аэрокосмический и оборонный концерн (EADS) объявил на Авиасалоне в Ле-Бурже сразу о трёх проектах по разработке электро- и гибридных самолётов малых и больших форматов.

Основная проблема электромобилей и гибридов в автомобильный индустрии (дороговизна их аккумуляторов) в авиапромышленности существенного значения не имеет — даже малые пассажирские самолёты сегодня всё равно дороже драгоценных металлов того же веса, так что литиевые аккумуляторы не способны существенно поднять их стоимость. Правда, это далеко не все сложности, ведь есть ещё дальность и скорость «электрозаправки»... Посмотрим, насколько заявленным концептам удаётся с ними сладить.

E-Fan

EADS и французская фирма Aero Composites Saintonge создают полностью электрический летательный аппарат E-Fan. Это двухместный двухмоторный самолёт, винты которого находятся в кольцевых обтекателях, улучшающих тягу на малых оборотах и дополнительно уменьшающих и без того сниженный шум. Две группы аккумуляторов размещены в крыльях; длина ЛА — всего 6,7 м при размахе крыльев в 9,5 м.

Хотя мощность двух основных моторов равна 60 кВт (как у бюджетной машины), их общая тяга — 1 500 Н·м, что обеспечивает приличную динамику разгона и теоретически означает умеренные требования к длине разбега и пробега после посадки. Взлётная скорость — 110 км/ч, крейсерская — 160 км/ч, а максимальная достигает 220 км/ч — ожидаемые показатели для учебного самолёта.

Отличительная особенность аппарата — активное шасси, оснащённое собственным малогабаритным электромотором в 6 кВт, способным не только возить E-Fan по земле без использования основной машинерии, но и ускоряющим ЛА при взлёте вплоть до 60 км/ч.

Заметим, что рулёжка на земле без привлечения буксиров (не слишком оправданных для малой авиации) традиционно является проблемой для обычных самолётов с турбинами: у земли они наименее эффективны, поэтому их использование для рулёжки по аэродрому суть настоящее расточительство топлива и недешёвого ресурса таких двигателей. Обычный авиалайнер может проехать по земле до 200 000 км за свою жизнь, и если с него эту нагрузку рационально снимать наземными буксировщиками, то для малого самолёта это не слишком практично, то есть подход E-Fan в этом смысле любопытен.

Интересен и сдвиг концепции электросамолёта, вызванный отсутствием расходуемого жидкого топлива. Поскольку центровка при полёте у такой машины не меняется, центр тяжести оказалось возможным сдвинуть назад, не вредя устойчивости. Кроме того, даже при отказе одного мотора из-за неизменной центровки полёт будет вполне стабильным, под силу и начинающему пилоту.

Но есть и минусы: учебная машина летает от часа в крейсерском режиме до 45 минут при максимальной скорости. Тем не менее конструкторы отмечают, что пока в прототипе используются литий-полимерные батареи южнокорейской KOKAM (120 батарей на 4 В при 40 А·ч каждая), однако компания обещает в ближайшее время поставить на испытания новые литий-полимерные аккумуляторы, которые позволят довести гарантированное время полёта до полутора часов, чего вполне достаточно для учебных целей. Собственно, именно поэтому первый электросамолёт EADS и запланирован учебным — длительность и дальность здесь не так значимы. Ну а для снижения простоев ЛА при перезарядке аккумуляторов их блок сделан съёмным и заменяемым на заранее заряженный.

Но проект, разумеется, будет коммерциализироваться, потому что рядом с другими учебными ЛА он довольно дёшев в эксплуатации. Нет потребления топлива (электричество намного дешевле керосина), нет дорогостоящих и неэффективных у земли турбин, нет шумового загрязнения, ограничивающего возможности многих аэропортов Европы...

VoltAir

Ещё один концепт, VoltAir, прорабатываемый EADS и Siemens, — принципиально иной самолёт. Это большая конструкция, в которой, увы, поднимает голову извечная проблема электромоторов. Будучи эффективными в создании тяги, они располагают не такой высокой мощностью на единицу веса, как турбины крупных ЛА. Чтобы компенсировать это, EADS собирается впервые в мире внедрить на пассажирском VoltAir электромоторы со сверхпроводящей обмоткой, причём охлаждать их намерена сравнительно дешёвым жидким азотом. Тут возникает вопрос: что за сверхпроводник будет применён, ведь азотное охлаждение пригодно только для высокотемпературных сверхпроводников, известных своей низкой критической плотностью тока? Увы, этим секретом конструкторы не торопятся делиться.

Зато удельную мощность новых электромоторов обещают в районе 7–8 кВт·ч на килограмм, что даже выше, чем у современных турбин на ЛА сходного типа. Моторы будут крутить два винта, вращающихся в разных направлениях и расположенных прямо друг за другом.

Сами батареи размещены в носу, в виде легко заменяемого цельного блока, чтобы вместо долгой подзарядки на аэродроме быстро демонтировать отработавший аккумулятор и установить заранее заряженный.

Конструкция будет «масштабируемой под разное количество пассажирских мест» (цифры пока не называются). К слову, крылья у концепта невелики, что вызывает вопрос о величине нагрузки на крыло и о том, не Starfighter-2 ли перед нами.

E-Thrust

Третий концепт, действующий на электромоторах, казалось бы, не столь амбициозен, но вот его партнёр — Rolls-Royce — внушает к разработке некоторое дополнительное доверие. В конце концов, именно эта компания в прошлом году потратила £919 млн на НИОКР, причём две трети — на снижение выхлопов и шумового загрязнения от самолётов. И именно в эту канву вписывается их совместная с EADS разработка системы распределенной электротяги (DEAP, Distributed Electrical Aerospace Propulsion).

По сути, это последовательная гибридная схема (E-Thrust), при которой отдельно размещённая турбина только вырабатывает электричество для шести электромоторов (по три с каждой стороны), а те, будучи расположенными в самых оптимальных точках ЛА, за счёт малых габаритов не портят его аэродинамику так сильно, как нынешние авиамоторы, размещаемые под крылом, прямо в набегающем воздушном потоке.

В итоге сопротивление резко падает, снижая общий расход топлива. В системе почти нет буфера, то есть накопителей электроэнергии. Они сведены до относительно небольших ёмкостей, подающих энергию для взлётного режима, когда потребление топлива максимально. Это резко уменьшает вес и стоимость гибридной схемы (мало накопителей) и одновременно позволяет ограничить мощность основной турбины (той, что необходима для крейсерского полёта), то есть сделать её легче, дешевле, экономичнее.

Здесь читатель непременно заметит: современные аккумуляторы не позволяют быстро отдавать те мегаватты энергии, что потребуются в E-Thrust. Именно поэтому нынешние автомобили-гибриды имеют огромную ёмкость литиевых батарей, полностью используемых только при торможении и разгоне, а всё остальное время утяжеляющих транспортное средство.

Однако конструкторы описывают свою систему энергонакопления без упоминания слова «аккумуляторы» или «батареи», поэтому не исключено, что речь идёт об альтернативах, таких как суперконденсаторы или же аккумуляторы нового поколения, которые могут иметь другие параметры скорости отдачи. В этом случае схема предельно приблизится к оснащённому небольшой турбиной и ионисторами гибриду типа довольно спорного «ЭКОбуса Тролзы».

Благодаря снятию «рывкового» напряжения при взлёте одно из ключевых преимуществ такой схемы — возможность увеличить степень двухконтурности турбины, работающей на керосине. Она определятся соотношением расхода воздуха через внешний контур двигателя к расходу через контур внутренний. Чем выше этот параметр, тем больший КПД двигателя удаётся получить и тем меньше удельный расход топлива. С другой стороны, чем выше степень двухконтурности, тем меньше скорость реактивной струи, истекающей из сопла, и тем менее резким будет ускорение разгоняющегося самолёта.

Разработчики E-Thrust намерены довести степень двухконтурности до рекордных на сегодня 12:1, компенсируя снижение динамики набора скорости накопителем электрической энергии, который и раскрутит электромоторы в момент взлёта.

Александр Березин

Источники:

1. compulenta.computerra.ru