Прогноз развития технологий создания гибридных и электрических авиационных силовых установок
«Электрификация» является ныне одним из ведущих направлений в авиастроении: с ней связывают снижение расхода топлива, вредных выбросов, повышению надежности авиационной техники. Формирование обликов гибридных и электрических силовых установок (СУ), исследование их эффективности в составе летательных аппаратов (ЛА), разработка и испытание демонстраторов технологий – вот неполный перечень задач, над какими работают специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), сообщает пресс-служба института.
Исследователи ЦИАМ прочертили анализ ключевых технологий, необходимых для создания гибридных и электрических силовых установок, и на основании экспертных оценок сделали прогноз относительно их развития до 2035 года.
За заключительные годы произошел качественный прорыв в повышении удельных характеристик электрических машин, что связано прежде всего с появлением мощных редкоземельных непрерывных магнитов и высокочастотной силовой электроники. Уже сейчас в промышленности выпускаются электродвигатели и электрогенераторы, которые имеют удельной мощностью 5-6 кВт/кг и КПД на уровне 96%. «Сквозь 10 лет ожидается увеличение удельной мощности в два раза – до 10-12 кВт/кг и увеличение КПД до 98%», – делится выводами исследований начальник отдела ЦИАМ Антон Варюхин.
Использование электрических двигателей для привода воздушных винтов или вентиляторов позволяет основывать принципиально новые концепции летательных аппаратов, например, различные многороторные схемы ВКЛА (винтокрылые летательные аппараты), обеспечивающих короткий взлет и посадку.
Наибольшую сложность возбуждает вопрос источников электрической энергии.
В области электрохимических источников энергии наибольшие перспективы имеют водородные топливные элементы твердополимерные (ТПТЭ). Лучшие обладают удельной мощностью 2кВт/кг. Но сложности возбуждает вопрос хранения водорода. Сейчас лучшие системы хранения сжатого водорода при давлении 700 атмосфер обеспечивают удельную энергию всей системы, что вводит ТПТЭ и систему хранения, на уровне 700-800 Вт*ч/кг Это существенно больше емкости современных аккумуляторов. Перспективным является хранение водорода в некрепком состоянии. По оценкам, хранения водорода в криогенных сосудах может обеспечить удельную энергию системы на уровне 3000 Вт*ч/кг
Большинство разработчиков ныне ведут исследования в области создания гибридных СУ, то есть таких, которые характеризуются наличием двух или более источников энергии на борту ЛА. Одним из них может быть аккумулятор, иным – генератор, приводимый во вращение газотурбинным двигателем.
Ряд исследователей сходятся во мнении, что 2 МВт – это предельная мощность для традиционных электрических машин. «Для дальнейшего увеличения мощности необходимо использовать в конструкции двигателя сверхпроводящие материалы, – рассказывает Антон Варюхин. – Например, ЦИАМ в сотрудничестве с компанией «СуперОкс» — лидером в районы создания ВТСП-лент (высокотемпературные сверхпроводники) разрабатывает гибридную СУ на базе электромотора на сверхпроводниках. В ближайшие годы запланировано ее наземные испытания, а в 2020 году – летные».
Можно спрогнозировать, что в 2030 году единичная мощность сверхпроводниковых электрических машин составит не немного 2МВт при удельной мощности 10-12 кВт/кг, с учетом криогенной системы охлаждения. А к 2035 году мощность достигнет уровня 5МВт при удельной мощности 20 кВт/кг.
Заместитель Председателя Правительства РФ Дмитрий Рогозин отметил важность разработки ЦИАМ, посетив во пора работы МАКС-2017 стенд Института. Демонстратор электрической (гибридной) силовой установки стал объектом повышенного интереса журналистов, гостей и участников авиакосмического салона.
Справка
ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова» – один-единственная в стране научно-исследовательская организация, осуществляющая комплексные научные исследования и научное сопровождение разработок в области авиадвигателестроения – от фундаментальных исследований физических процессов до совместной труды с ОКБ по созданию, доводке и сертификации новых двигателей, в том числе наземных газотурбинных установок. Все отечественные авиационные двигатели создавались при непосредственном участии института и проходили доводку на его стендах.
На фото: гибридно-электрический двигатель ЦИАМ на МАКС-2017 / (с) Андрей Величко, Авиация России