Региональная авиация скоро полетит на криогенных двигателях

В качестве базовой конструкции используется Як-40. Соответственно летающий аппарат на электротяге существует на сегодня в одномоторной винтовой версии.

В конце декабря 2020 г. в Сибирском научно-исследовательском институте авиации имени С.А. Чаплыгина (СибНИА, структура НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») на летательный аппарат был установлен электродвигатель на сверхпроводниках. Выполнены пробные запуски в сопряжении с воздушным винтом. Согласно информации от Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, составная часть НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), в течение всего 2021 г. разработчики проекта будут продолжать наземные лабораторные испытания, а также и опытные полёты, готовясь к доводке новаторской техники, а в дальнейшем и к её сертификации. 

Время гибридов

Газотурбинные силовые установки, массово используемые в настоящее время в авиации, практически исчерпали свой ресурс развития. В поисках новых горизонтов конструкторы всё больше обращаются к так называемым гибридам.
 
С одной стороны, гибридные силовые установки должны позволить выйти на суборбитальные космические высоты. Для этих целей уже созданы опытные конструкции, успешно прошедшие тестирование в рамках российского проекта «Игла» и российско-европейского сугубо гражданского «Hexafly-INT». Примечательно, что в этом случае используется комбинированная силовая установка на паре кислород-водород. То есть до определённой высоты двигатель работает как чистый «атмосферник», а выше уже включается водородная силовая установка.

Для обеспечения экономичной доставки людей и грузов по региональной сети, которая по определению не выгодна и, как правило, функционирует в режиме госдотаций, другой гибрид - ГСУ с использованием электротяги также способен представлять очевидный интерес для нашей страны.

Считается, что применение подобных технологий увеличит на 60% эффективность использования энергии, понизит расходы на регламентные работы и сократит эмиссию. 

Российско-немецкий проект

Дело в том, что использование гибрида предпочтительнее классического электродвигателя. Такая силовая установка по определению не выгодна, так как создаваемая ею тяга ниже, чем у обычной газотурбинной установки.

Справка

Удельная мощность современных авиационных двигателей на электрической тяге не превышает 5 кВт/кг. У реактивных силовых установок мощность около 8 кВт/кг.

Для того, чтобы повысить КПД двигателя и был использован эффект высокотемпературной сверхпроводимости в гибридной силовой установке (ВТСП).

Проект чудо-техники начала в декабре 2016 г. российская компания ЗАО «СуперОкс». Российские инженеры представили в 2020-м прототип новейшего авиационного синхронного электродвигателя большой мощности с вращающимся моментом, за счёт электромагнитного поля на ВТСП платформе. Для демонстрации возможностей новой технологии созданы образцы мощностью 50 кВт и 500 кВт (679 л.с.). «СуперОкс» готов выпускать двигатели мощностью от 1 до 10 МВт (1.400 - 14.000 л.с.).

Генеральный директор «СуперОкс» Сергей Самойленков сообщил прессе, что в двигателе применены материалы с нулевым сопротивлением. По его словам, со временем после доводки перспективного изделия эксплуатационная экономия составит уже не 60, а целых 75% от нынешних удельных расходных величин авиалайнеров с газотурбинными установками. С этим полностью согласен и генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин.

Зачем нам иностранцы, и зачем мы иностранцам?

Следует учесть, что в течение последних 10 лет такие компании, как EADS, Siemens, Bye Aerospace, Diamond Aircraft далеко продвинулись в области создания «электрических самолётов». Не использовать их опыт в гражданском инновационном проекте означало бы ненужную трату времени на изобретение уже существующего «велосипеда». 

Справка

Компании Siemens и Bye Aerospace разработали прототип малого  двух/четырёхместного самолёта с электрической силовой установкой Sun Flyer 2 мощностью в 70 кВт (94 л.с.). В феврале 2018 г. он успешно осуществил пробные полёты в штате Колорадо и в настоящее время готовится к сертификации в США по системе FAA (FAR 23). 

Но если иностранцы и создают летающие прототипы из разряда авиации общего назначения, то продвинуться дальше и сделать двигатель для авиалайнера они не в состоянии, так как мощность электрической силовой установки им этого не позволяет. Получается, Запад нуждается в принципиально новом подходе в области двигателестроения и, как нередко бывает, за идеями и опытными разработками он отправился в Россию.

Водород и гелий всему голова

Именно тут важно понять, что наша силовая установка состоит из единой высокотемпературной сверхпроводниковой (ВТСП) платформы, в состав которой входят аккумуляторная батарея, ВТСП-кабель, ВТСП-токоограничивающее устройство и ВТСП-электродвигатель с системой охлаждения на основе жидких водорода (для статора) и гелия (для ротора).
 
Технология использования сверхпроводников и умение их охлаждать для достижения рабочей температуры - российское ноу-хау, без которого все дальнейшие проекты в этой области рискуют остаться мёртвой буквой. Мы также способны разрешить проблему «квадратуры круга», с которой столкнулись немецкие инженеры - контроль намагниченности сверхпроводящих элементов.  Дело в том, что Oswald Elektromotoren, работающая в кооперации с нашим «СуперОксом», именно фирма-«двигателист».

Справка

Свой первый прототип электродвигателя на сверхпроводниках, в рамках программы Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), компания представила ещё в 2018 г. Но дальше дело не пошло по вышеуказанной причине - неумение охлаждать сверхпроводники до сверхнизких температур. 

Похоже, что, заявляя о возможности выпускать установки мощностью в 14.000 л.с., именно умение рекордно охлаждать сверхпроводники и имеют в виду наши учёные. Чтобы оценить до конца, насколько важно подобное достижение, следует также уточнить для широкого читателя, что жидкий водород крайне взрывоопасен, что и сдерживает до сих пор его массовое применение. 

И тут следует учесть, что японские и немецкие учёные научились перевозить и хранить это вещество в форме инертного геля, о чём нам сообщил один из источников в японской фирме, работающей в этой перспективной области. 

Итак, получается, что западная техническая мысль нашла безопасный способ хранения, а также экономичный способ добычи свободного водорода (в России он до сих пор не считается полезным ископаемым). В свою очередь, мы уже приступили к строительству ВТСП-электродвигателей, работающих даже от аккумулятора. Зарядка батарей может производиться, к примеру, на АЭС, то есть без использования ископаемого топлива. Для Европы, в которой Франция получает более 85% электричества за счёт АЭС, это означало бы освобождение авиации от керосиновой зависимости и, следовательно, от поставок нефти для этих нужд. 

Электродвигатели на сверхпроводниках с водородным и гелиевым охлаждением могут использоваться для создания аэротакси с вертикальным взлётом и даже плавсредств (в том числе и военных кораблей).

Если же нам удастся охладить сверхпроводники при помощи жидкого водорода до -253°C , то удельная мощность изделия повысится до 30 кВт/кг.

Задача сегодняшнего дня - строительство летающего прототипа с дальностью до 250 километров, способного перевозить несколько десятков пассажиров и груз. Подобного на Западе делать точно не умеют.

Остаётся надеяться, что наши изобретения достаточно защищены патентным правом на международном уровне и не уйдут за рубеж, как это случилось с десятками российских талантливых открытий в лихие девяностые.