Гибриды осваивают землю и воздух

Презентация авиационного электродвигателя во время выставки HeliRussia 2021. Фото автора

Сегодня цена топлива составляет 30–50% эксплуатационных расходов авиационных судов, в то время как совсем недавно было 10–15%. При этом сроки внедрения перспективных проектов для России должны быть более жесткими, чем в других странах. Проблема в том, что в России, имеющей огромную территорию, авиация зачастую – основной, а иногда и единственный вид транспорта. В достаточно короткие сроки необходимо найти возможности перехода на альтернативные виды топлива или на создание так называемых гибридных силовых установок (ГСУ), в том числе и в авиации. Но начиналось все с автомобилей.

Все четыре колеса

Основной причиной начала производства легковых гибридов стал рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным ужесточением требований к экологичности автомобилей. В ряде стран владельцам гибридов предоставляются существенные льготы – освобождение от уплаты дорожного налога, право пользования выделенной полосой на шоссе и бесплатными автостоянками и т.д.

Гибридные автомобили стали компромиссным решением в устранении таких недостатков электромобилей, как значительная масса аккумуляторов и длительная их зарядка. Кроме того, существенный фактор – недостаточно развитая инфраструктура зарядных станций.

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche, разработанный конструктором Фердинандом Порше еще в 1900–1901 годах. В США гибридные автомобили начал разрабатывать Виктор Воук в 60–70-е годы прошлого века.

Сегодня известен гибридный автомобиль, который позволяет совмещать тягу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Этот тип двигателя используется в автомобильной индустрии (Toyota Prius, Lexus, BMW 5-й, 6-й и 7-й серий), а также в судоходстве (Mochi Craft Long Range 23M).

Но и в авиации, если быть точным, ГСУ, как это ни странно звучит, применяются давно. Например, турбореактивный двигатель (ТРД) с форсажной камерой. Он состоит из двух силовых установок: собственно ТРД и прямоточного двигателя, функции которого выполняет форсажная камера. Или турбовинтовой двигатель, который в себе сочетает ТРД с реактивной струей, и воздушный винт, который и создает основную часть тяги.

Авиастроительные компании Airbus и DLR экспериментально доказали, что топливные элементы (устройства, преобразующие химическую энергию, например, водорода и кислорода, в электрическую) могут быть использованы в качестве наземной вспомогательной силовой установки. Подключенная к самолету, она обеспечивает подачу электричества на освещение, кондиционирование салона и для других нужд в то время, когда авиационные двигатели отключены.

А вот еще один вариант гибрида. Авиалайнер A320 ATRA (Advanced Technology Research Aircraft), оснащенный двумя электродвигателями на переднем шасси, продемонстрировал, что мощности электротяги достаточно, чтобы самолет проехал от начальной позиции до взлетно-посадочной полосы, не включая реактивные двигатели. Электродвигатели получали питание от бортовых топливных элементов самолета. В некоторых конструкциях самолетов кроме получения электроэнергии от батареи топливных элементов предусмотрено дополнительное получение электроэнергии от солнечных батарей и запас ее в аккумуляторах.

На голубом газу

Центральный институт авиационного моторостроения совместно с другими отечественными предприятиями отрасли разрабатывает демонстратор ГСУ большой мощности, который предполагается испытывать на летающей лаборатории, оборудованной на базе пассажирского самолета Як-40. Проектируемая ГСУ представляет собой воздушный винт с приводом от электродвигателя. Планируемая мощность – 500 кВт. Питание электродвигателя – от аккумуляторов и электрогенератора, вращаемого газотурбинным двигателем (ГТД). Одним из рассматриваемых вариантов ГТД для применения в составе ГСУ в качестве первичного источника энергии является отечественный двигатель ТВ7–117В.

Уже сегодня в России создаются двигатели-гибриды, которые могут стать основными для авиации завтрашнего дня. Об одном таком агрегате рассказал на XIV Международной выставке вертолетной индустрии HeliRussia 2021 заместитель директора программы разработки перспективного вертолетного двигателя «ОДК-Климов» Михаил Шемет. По его словам, это демонстратор на базе мотора ВК-650В. Газотурбинная энергетическая установка представляет собой газотурбинный двигатель в составе гибридной силовой установки. ГТД обеспечивает совместно с электрогенератором выработку электрической энергии, используемой для привода воздушного винта и энергообеспечения других потребителей на борту летательного аппарата.

Основной выигрыш в экономичности гибридных силовых установок достигается за счет постоянной работы ГТД на режиме максимальной эффективности. Это обеспечивается за счет управления энергопотреблением. Избыточная электроэнергия аккумулируется во время фаз полета, требующих малой мощности. В то же время накопленная энергия аккумуляторов используется во время некоторых (обычно коротких) фаз полета, когда необходима большая мощность.

Применение ГСУ, утверждает Шемет, позволяет снизить выброс газов в атмосферу, расход топлива, увеличить ресурс ТРД и надежность силовой установки, отказаться от механической трансмиссии, повысить энерговооруженность. Это может стать основой для создания новых типов летательных аппаратов с вертикальным взлетом. А, например, на «рулежке» в аэропорту использование электрической тяги позволяет избавиться от вредных выбросов авиационных двигателей.

Для реализации этой идеи наиболее перспективными могут оказаться топливные элементы с высокотемпературным твердоокисным электролитом (ТОТЭ). По сравнению с другими видами топливных элементов ТОТЭ обладают большей стойкостью к различным вредным воздействиям, а в качестве топлива помимо водорода в них можно использовать оксид углерода. То есть речь идет о смеси оксида углерода и водорода (синтез-газ), получаемой из жидкого авиационного топлива.

Важная особенность ТОТЭ – они выделяют горячие электродные газы, способные совершать работу на газовой турбине и вырабатывать дополнительную электрическую энергию. Поэтому при использовании ТОТЭ есть возможность создания гибридной двигательной установки, в которой батарея высокотемпературных топливных элементов аналогично традиционной камере сгорания служит источником горячего газа для газотурбинной установки.

Примерный технический облик гибридной установки уже определен: проект будет реализован на базе двигателя ВК-650В с тягой 400 кг и предназначен для самолетов типа Ил-112 и Ил-114. Однако конечная цель – создание полностью отечественного гибридного вертолетного двигателя мощностью в 2900 лошадиных сил. Как заявил Шемет, предварительная стоимость работ по этому проекту составит 500 млн руб.

Проблемы шумного гибрида

Сегодня применение ГСУ ограничено из-за их невысокой мощности. Кроме того, в настоящее время слишком тяжелыми получаются аккумуляторы. Бак с керосином и газотурбинный двигатель значительно легче, чем электрический с батареями. Поэтому гибридная технология становится оптимальной комбинацией для легких вертолетов и самолетов. Для будущей ГСУ необходимо создать новые высоко- и низкооборотные электрические машины, источники тока, системы охлаждения и управления и многое другое.

Кроме того, основной шум создает именно пропеллер, он даже громче свиста турбины. Так что выигрыша по шуму по сравнению с ТВД гибрид не дает. Более того, тащить балласт аккумуляторов вместо балласта двигателя рискованно: литиевые аккумуляторы воспламеняются очень быстро.

Представляет большую проблему и утилизация аккумуляторов. А в местах хранения они разлагаются и отравляют воздух. Сегодня самолеты поднимают в два раза больше своего веса. Для самолетов с ГСУ это пока проблематично.

Тем не менее за самолетами с ГСУ – будущее авиации. Со временем будут устранены все недостатки и недочеты, и в воздух поднимутся самолеты с экономичными и надежными гибридными авиадвигателями.