Электрические самолеты как они работают доклад
Обновлено: 04.07.2024
Современный мир стремится сохранить окружающую среду. Не секрет, что одним из самых сильных источников загрязнения атмосферы стал транспорт. Пандемия COVID-19 наглядно показала, что человечество в состоянии сделать воздух чище. По интернету ходило множество фотографий, которые демонстрировали, что остановка промышленности и транспорта может в кратчайшие сроки избавить города и страны от бесконечного смога. Но мир не готов отказаться от современных технологий и вернуться в Каменный век. Поэтому требуется найти новые виды топлива, которые станут экологически чистыми и помогут жителям всей планеты продолжать пользоваться благами цивилизации, не принося ущерб окружающей среде. Одной из таких разработок, всколыхнувших отрасль, стали электрокары. Весь мир скептически относился к их созданию, но, вопреки злым языкам, они появились и даже поступили в продажу. Так есть ли будущее у электрических пассажирских самолётов? Попробуем разобраться.
Есть ли необходимость в электрических самолетах
Вторые считают, что всё реально. Изобретение полностью электрического самолёта — это лишь вопрос времени.
В последние годы идея создания электросамолётов становится всё более актуальной в связи с глобальным потеплением. С уменьшением активности сферы гражданской авиации из-за пандемии коронавируса экологи всего мира отметили позитивные тенденции. Природа начала постепенно восстанавливаться. А это значит, что возникла необходимость в самолётах, потребляющих альтернативное топливо.
Существуют ли электросамолёты на сегодняшний день
Коммерческих самолётов, летающих исключительно на электричестве, на сегодняшний день нет. Однако существуют любопытные наработки.
В этом месяце две британские компании презентовали гибридную технологию.
16 июля Faradair объявил о тестировании гибридного самолёта (ВЕНА). Воздушное судно будет работать на турбовинтовых и электродвигателях, сжигая биотопливо. Пока разработку сложно назвать авиалайнером, поскольку она вмещает всего 18 человек и для коммерческой авиации не принесёт значительной пользы, так как дальность полёта, по предположениям конструкторов, составит всего 1 000 км. Однако гибридный планер сможет положить начало эре электросамолётов.
Первое гибридное воздушное судно Faradair планирует тестировать на аэродроме Даксфорд в 2023 или 2024 году.
Вторую разработку представила британская компания Electric Aviation Group (EAG). По словам представителей компании, они инвестируют средства в конструирование нового гибридного воздушного судна. Компания хочет создать самолёт, способный вместить 70 пассажиров и перевезти их на расстояние до 800 км.
Завершить работу по проектированию и созданию этого самолёта EAG планирует к 2030 году.
А в мае этого года AeroTEC и magniX запустили проект eCaravan. Во время испытательного полета, управлял летательным аппаратом всего один пилот. Однако вместить это воздушное судно способно до 9 человек. По слухам, этот проект является крупнейшим из когда-либо состоявшихся рейсов электрических самолетов.
Почему электрические самолёты до сих пор не появились на коммерческих маршрутах
Ответить на этот вопрос достаточно сложно. Проблем, которые не позволяют современному обществу перейти на альтернативную электроэнергию, достаточно много.
Технологические причины
Таким образом, необходимо полностью пересмотреть конструкцию планера и найти оптимальный вариант, который позволит тяжёлому судну приземлиться без препятствий.
Бюрократические причины
Ни в одной стране нет законодательства, которое бы позволило сертифицировать электросамолёты и, к сожалению, нормативно-правовые акты не появятся, пока разработчики не предоставят первые образцы, которые станут действительно безопасными для пассажиров. Получается замкнутый круг.
Финансовые причины
Неизвестно как воспримут полностью электрические самолёты авиакомпании. Возможно, некоторые прогрессивные перевозчики, как KLM, захотят приобрести такое воздушное судно или инвестировать средства в своё (как это было с V-образным самолётом ).
Однако большинство авиакомпаний предпочтут придерживаться классических моделей.
Основная цель авиакомпаний и других коммерческих организаций организаций — получение прибыли. Она напрямую зависит от количества клиентов. А пассажиры не захотят тестировать на себе новинки отрасли авиастроения, как минимум из-за страха катастрофы.
Так будут ли летать электрические самолёты в сфере коммерческой авиации
Скорее всего, да. Однако это произойдёт не в ближайшее десятилетие. Потребуется множество тестов, разработок и модернизаций, чтобы первые электросамолёты появились, а затем нашли своего покупателя.
Что читают сегодня с этим материалом? История Игр — как украинцы покоряли Зимние Олимпиады
Электрификация бывает разной
Для людей, мало сведущих в самолетостроении и авиации, электрический самолет — это машина, которая движется в воздухе с помощью электродвигателей. Сильно утрируя, можно сказать, что в электрическом самолете двигатели внутреннего сгорания, вращающие винты, заменяются на электродвигатели, питаемые аккумуляторными батареями.
Однако при более глубоком погружении в тему оказывается, что все гораздо сложнее и запутаннее.
Ведь летательный аппарат (самолет, вертолет, дрон) — сложнейшее устройство, включающее в себя механические, гидравлические, пневматические и электрические системы.
Специалисты в авиастроении выделяют несколько уровней электрификации летательных аппаратов. Первый — для создания тяги используются газотурбинные или поршневые двигатели. Но подавляющая часть оборудования получает энергию от общей системы электроснабжения. Это самолет с повышенной электрификацией оборудования.
Полностью электрический самолет на 100% использует электроэнергию. В том числе приводится таковой в движение.
Возможен еще и гибридный вариант. В этом случае для получения энергии и решения каких-то второстепенных задач используется двигатель внутреннего сгорания.
Электрический самолет — немного истории
Идея применить электричество для перемещения летательных аппаратов не давала человеку покоя с самого начала авиационной и даже воздухоплавательной эры.
В 1883 году француз Гастон Тиссандье первым взлетел на дирижабле, снабженном электромотором. Но еще полстолетия все, что делалось в этой области, оставалось не больше, чем экспериментами. Электроприводы в различных системах самолетов активно начинают применяться только через 50 лет.
Первыми самолетами с повышенной электрификацией оборудования историки авиации называют две машины. Это бомбардировщик Пе-2 (СССР, 1939 г.) и истребитель Focke-Wulf FW-190 (Германия, 1941 г.).
Что читают сегодня с этим материалом? Успешная карьера — 5 простых шагов и советы экспертов
Анализ боевых действий показал, что электромеханическое оборудование гораздо более живучим, чем его с гидравлические аналоги.
Интерес к повышению электрификации самолетов резко возрос в 80-х годах прошлого века. К тому времени уже появилось понимание того, какие огромные выгоды она даст пассажирским и грузовым авиаперевозкам. Но только в последние десять лет возникли предпосылки для принципиального рывка в области создания и применения электрических самолетов .
О выгодах и проблемах
В Стратегии развития авиации, утвержденной Еврокомиссией, указаны любопытные показатели, которые необходимо достигнуть в ближайшие десятилетия.
К 2050 году следует снизить объемы выбросов СО2 на 75%, а оксидов азота на 90%. Уровень шума должен быть снижен на 65%. При использовании существующих технологий таких показателей достичь нереально. Поэтому электрический самолет становится не просто модой, а необходимостью.
Кроме того, этот процесс принесет и другие выгоды: повышение безопасности эксплуатации, оптимизация внутреннего объема воздушного судна. Наконец, сокращаются расходы на сборку и техническое обслуживание летательных аппаратов, повышается их доступность для общества.
Однако светлые перспективы сильно омрачаются техническими реалиями. В конструировании электрических самолетов есть немало сложных вопросов, еще ждущих своего решения. Однако в первую очередь речь идет об источниках питания.
Тяжелые и слабые
На наших глазах появилось и получило широкое распространение новое поколение аккумуляторов на базе литий-ионной (Li-ion) технологии. Они заметно превосходят все существовавшие прежде электрохимические источники тока (Ni-Cd, Ag-Zn, свинцово-кислотные ).
Литий-ионные аккумуляторы применяются во многих сферах деятельности
Правда, несколько случаев самовозгорания аккумуляторов в смартфонах одного известного бренда вызвали пару лет назад громкий скандал. Службы авиабезопасности даже запретили проносить такие устройства на борт самолетов.
Увы, и эти батареи слишком массивны, а также они обладают недостаточной емкостью, чтобы их можно было широко применить в авиации. Показательный пример. Электрический самолет израильской компании Eviation перевозит на весьма скромное расстояние 6−9 пассажиров. При этом общий вес машины — 6 т, а вес батарей — 2,7 т.
Незатейливый расчет показывает, что самолет вместимостью 150 человек потребует до 40 т аккумуляторов. Для сравнения: взлетный вес Boeing 737−800 ( кол-во кресел 160−190) — около 79 т. При этом дальность полета такой машины — около 5 тысяч км, что для электросамолетов остается пока нереальным. Емкости батарей хватает на очень короткое время полета.
Трудности с аккумуляторами стали главной причиной того, что перспективные и уже существующие электросамолеты не могут составить конкуренции лайнерам, использующимся в массовых авиаперевозках. Большинство из них рассчитаны на перевозку нескольких человек на короткие расстояния.
Электрический самолет — поговорим об альтернативах
Пока проблема эффективных аккумуляторов не решена, приходится искать иные варианты. Одним из них является упомянутая выше гибридная схема.
В этом случае двигатель внутреннего сгорания приводит в действие электрогенератор, который и обеспечивает энергией все системы самолета. Такую машину в настоящее время совместно разрабатывают компании Airbus, Rolls-Royce и Siemens.
Самолет E-Fan X рассчитан на перевозку 50−100 пассажиров. Предполагается, что первый демонстратор взлетит в 2020 году.
Гибридный пассажирский самолет E-Fan X (иллюстрация Airbus)
Еще один возможный источник энергии — электрохимические генераторы, преобразующие водород в электроэнергию. Такие машины уже поднялись в воздух. Это HY4 — результат трудов немецких и словенских инженеров. Все его системы получают энергию от химического взаимодействия водорода и кислорода. Выхлоп у HY4 совершенно безвредный — водяной пар.
В КНР в 2017 г. также провели первые испытания гибридного электросамолета . Причем он создан на базе уже получившего лицензию на серийное производство Rui Xiang RX1E.
Наконец, в некоторых случаях могут пригодиться и солнечные батареи. Самый известный такой электрический самолет — Solar Impulse 2. Машина прославилась после того, как используя исключительно энергию Солнца, облетела вокруг света. 17 тыс. фотоэлементов покрывающих крылья Solar Impulse 2 питают 4 электромотора.
Конечно, такую необычную конструкцию не применишь в массовых авиаперевозках. Но для нее найдется масса других задач. Например, раздача мобильного интернета в труднодоступных регионах.
Не так давно мир скептически относился к электромобилям, но Tesla заставила в них поверить. Теперь на электричество переводят и авиацию. Рассказываем, как появляются электросамолеты и почему мы еще на них не летаем
Как устроены электросамолеты
Этот аппарат, как и обычный самолет, оснащен двигателем внутреннего сгорания. Мотор преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую и создает тягу — силу, которая толкает его сквозь поток воздуха. Но большую часть работы оборудования (регулировку крыла, выпуск шасси и так далее) выполняют электроприводы. Они питаются от системы электроснабжения и преобразуют электрическую энергию в механическую.
Советский бомбардировщик Пе-2 считается первым в мире электрифицированным самолетом. В 1930-х годах на нем установили около 50 электроприводов (Фото: avia.pro)
Летательный аппарат, у которого отсутствуют двигатели внутреннего сгорания, а все оборудование работает на электроэнергии. Для создания тяги в таких самолетах используют электродвигатели, которые питаются от аккумуляторов.
Самолет Yuneec International E430 китайского производства с электрическим двигателем, который питается от литий-полимерных аккумуляторов (Фото: avia.pro)
Применение батарей в качестве основных источников энергии ограничивало возможности летательных аппаратов — дальность, время полета, грузоподъемность. Поэтому специалисты в области авиации стали рассматривать альтернативные варианты получения энергии. Среди них:
- солнечные батареи — преобразуют энергию излучения в электроэнергию;
- топливные элементы — преобразуют химическую энергию топлива в электрическую без процессов горения; чаще всего в качестве топлива используется водород.
Оснащен гибридной силовой установкой. Она преобразует энергию дважды: сначала в механическую с помощью двигателей внутреннего сгорания, затем в электрическую с помощью генераторов.
Сергей Кравченко:
Кто создает и тестирует электросамолеты сегодня
Разработчики по всему миру, включая Россию, работают над созданием электросамолетов. Мы собрали примеры нескольких успешных проектов.
Стартап Kitty Hawk — персональный электросамолет
В 2017 году стартап Kitty Hawk, в который инвестирует сооснователь Google Ларри Пейдж, показал прототип первого персонального электросамолета Heaviside. Одноместный аппарат может вертикально взлетать и садиться, причем для этого ему достаточно площадки размером примерно 10х10 м.
Heaviside может преодолеть на одном заряде батареи до 160 км — примерно как от Москвы до Твери (Фото: Kitty Hawk)
Pipistrel — двухместный электросамолет
Компания Pipistrel представила двухместный электрический самолет Velis Electro, который прошел сертификацию Европейского агентства авиационной безопасности EASA. Аппарат получает энергию от двух аккумуляторов, развивает скорость до 181 км/ч и может находиться в воздухе до 50 мин.
Pipistrel уже запустила серийное производство Velis Electro: сертификат типа EASA позволяет эксплуатировать самолет в коммерческих целях (Фото: Pipistrel)
MagniX и AeroTEC — самый крупный коммерческий самолет
В 2020 году компании MagniX и AeroTEC испытали самый большой коммерческий самолет Cessna Caravan 208B с электрическим двигателем. По словам исполнительного директора Роя Ганзарски, самолет может перевозить 4–5 пассажиров на расстояние до 160 км.
Разработчики рассчитывают, что когда электродвигатель Cessna Caravan 208B пройдет сертификацию, самолет сможет выполнять рейсы с полной загрузкой из девяти пассажиров (Фото: MagniX)
Siemens — электросамолет с максимальной скоростью
Компания Siemens запустила самолет Extra 330LE с электродвигателем на аккумуляторных батареях. Аппарат побил рекорд среди аналогов: во время полета в 2017 году он достиг максимальной скорости 340 км/ч.
Siemens планируют использовать разработки Extra 330LE для производства (в партнерстве с компанией Airbus) региональных авиалайнеров, работающих на гибридных двигательных установках (Фото: Siemens)
ЦИАМ — первый пилотируемый российский электросамолет
ЦИАМ — летающая лаборатория с уникальной гибридной силовой установкой
На МАКС-2021 ЦИАМ также представил летающую лабораторию Як-40ЛЛ. В носовой части аппарата установлен воздушный винт, который приводится в движение электродвигателем. А электроэнергию он получает от генератора, который вращается двигателем внутреннего сгорания.
Зачем переводить авиацию на электричество
Очевидная причина повышенного спроса на электрификацию — экология. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2–3% выбросов углекислого газа. Причем за один короткий перелет, например из Лондона в Рим, образуется 234 кг углекислого газа на одного человека — больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год.
Переход на электричество поможет решить экологические и другие проблемы современной авиации.
Сокращение количества выбросов в атмосферу
Снижение затрат на топливо
Именно эта перспектива мотивирует многие крупные авиакомпании вкладывать средства в разработку электросамолетов. Расходы на топливо составляют до 30% их затрат и значительно влияют на прибыль.
В 2020 году электросамолет компаний MagniX и AeroTEC Cessna 208B совершил успешный 30-минутный полет. Исполнительный директор Рой Ганзарски отметил, что цена полета составила всего $6. А если бы они использовали обычное моторное топливо, полет обошелся бы в $300-400.
По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, применение гибридных силовых установок позволит в будущем уменьшить расход топлива на 70%.
Снижение количества шума
Электрические и гибридные летательные аппараты гораздо тише обычных с ДВС. Например, вертолет на высоте 500 м создает звук в 60 дБ, который по громкости можно сравнить с проезжающим мимо мотоциклом. А электросамолет Heaviside (разработка компании Kitty Hawk) во время полета на той же высоте создает звук в 38 дБ — примерно тот же уровень громкости, что и во время разговора людей.
В результате переход авиации на электричество позволит бороться с шумовым загрязнением и строить аэропорты ближе к черте города.
Снижение затрат на эксплуатацию
Электрические двигатели устроены проще двигателей внутреннего сгорания. У них меньше движущихся и соприкасающихся частей, а значит, они менее подвержены износу. Специалисты авиационной промышленности предполагают, что электрические самолеты будут реже нуждаться в техобслуживании, что снизит эксплуатационные расходы.
Даже самые современные батареи уступают топливу в удельной энергоемкости — количестве энергии, которую они могут накопить. Реактивное топливо содержит примерно в 30 раз больше энергии, чем литий-ионная батарея.
Самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 может пролететь 15 000 километров за один рейс и перевезти до 700 пассажиров. По подсчетам преподавателя кафедры прикладной аэродинамики университета Лафборо Дункана Уолкера, тот же самолет сможет преодолеть максимум 1 000 км с батареями в качестве источника энергии. Чтобы Airbus A380 пролетел на аккумуляторах свой максимум, ему понадобится комплект батарей весом в 30 раз больше, чем его текущий расход топлива. То есть из-за веса он просто не сможет оторваться от земли.
Даже если заменить всех пассажиров и груз на батареи, дальность полета Airbus A380 все равно была бы меньше 2 000 км по сравнению с обычными 15 000 км на топливе (Фото: Airbus)
Кроме того, самолет с традиционными двигателями во время полета сбрасывает топливо. Так судно становится легче, поэтому расход топлива, которое необходимо для полета, уменьшается. А вес аккумуляторов остается постоянным на протяжении всего полета, даже когда заряд израсходован.
По оценкам экспертов в области авиации, для безопасных и рентабельных полетов можно будет использовать батареи с энергоемкостью 2 000 Вт·ч/кг. Сейчас это показатель не превышает 250 Вт·ч/кг, а за год энергоемкость батарей растет примерно на 3%.
Сергей Кравченко:
«По мнению специалистов, батареи как источник энергии станут коммерчески привлекательными при достижении удельной мощности 600 кВт/кг (удельная мощность — количество тока, которое может выдавать аккумулятор на единицу веса. Показатели современных батарей находятся в пределах 10 кВт/кг. — РБК Тренды).
Какие перспективы у электрических самолетов
Сергей Кравченко:
Глава ЦИАМ Михаил Гордин отметил, что в ближайшем будущем крупные пассажирские лайнеры будут использовать именно гибридные силовые установки. А полностью электрические самолеты, вероятно, найдут применение только в малой авиации из-за ограниченной дальности и вместимости пассажиров.
Сергей Кравченко:
«В среднесрочной перспективе ожидается широкое распространение летательных аппаратов с гибридной силовой установкой. Появление полностью электрических систем будет связано с успехами электрохимии. Однако текущие достижения не позволяют ожидать существенного прогресса в этой области в ближайшее время.
Современный газотурбинный (турбовентиляторный) двигатель, который приводит в движение лайнеры, – это, конечно, не двухтактная тарахтелка для садовых инструментов, а высокоэффективная и очень надежная машина. Однако, по мнению авиастроителей, она близка к исчерпанию резервов для дальнейшего совершенствования. Да что там двигатели – все строящиеся ныне авиалайнеры настолько похожи друг на друга, что лишь знаток авиации сходу отличит Boeing или Airbus от Bombardier или МС-21. И хотя нет ни малейшего сомнения в том, что лайнеры современного типа с двумя ГТД под крыльями будут еще десятилетиями катать нас по небу, большие надежды на новую компоновку и новую аэродинамику самолетов связывают с электрическим движением.
Быстро, но недолго
Блок из 14 литий-ионных батарей дает возможность находиться Extra 330LE (масса около 1 т) в воздухе в течение примерно 20 минут.
Один из реально летающих электрических самолетов, существующих в мире. Впервые он оторвался от земли 4 июля 2016 года. Его единственный 50-килограммовый мотор от компании Siemens имеет мощность 260 кВт. Siemens ожидает, что к 2030 году реально появление региональных самолетов, перевозящих 100 пассажиров на расстояние до 1000 км полностью на электрической тяге.
Конечно, есть проекты, в которые заложены куда более впечатляющие показатели. В сентябре прошлого года британская авиакомпания-лоукостер EasyJet объявила, что через десять лет выведет на линии полностью электрический региональный лайнер (дальность 540 км, что для внутриевропейских рейсов весьма немало) вместимостью 180 пассажиров. Партнером по проекту стал американский стартап Wright Electric, который уже построил пока двухместный летающий демонстратор. Однако на сегодняшний день энергетическая плотность самых лучших литий-ионных батарей более чем на порядок уступает углеводородному топливу. Предполагается, что к 2030 году батареи улучшат свои показатели максимум в два раза.
Турбина, останься!
Намного выигрышней выглядит ситуация с топливными элементами, в которых химическая энергия топлива превращается в электрическую непосредственно, минуя процесс горения. Наиболее перспективным топливом для такого источника питания считается водород. Эксперименты с топливными элементами в качестве источника питания для электросамолета ведутся в разных странах мира (в России над проектами по созданию таких летательных аппаратов в первую очередь работает ЦИАМ, а топливные элементы для них создаются в ИПХФ РАН под руководством профессора Юрия Добровольского). Из летавших и пилотируемых концептов можно вспомнить европейский демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC – в нем использовались одновременно как электробатареи, так и топливные элементы. Но и эта технология нуждается еще в значительной доработке и дополнительных исследованиях.
Наиболее реальными на сегодня кажутся перспективы электросамолетов, построенных по гибридной схеме. Это означает, что движитель летательного аппарата (винт или винтовентилятор) будет приводиться в движение электромотором, а вот электричество он получит от генератора, вращаемого. газотурбинным двигателем (или другим ДВС). На первый взгляд такая схема кажется странной: от ГТД хотят отказаться в пользу электродвигателя, но не собираются этого делать.
Эскиз одного из вариантов российского регионального самолета с гибридной силовой установкой (ГТД - электрогенератор - электромотор)
Взлет на батарейке
«Переход на электродвигатели в авиации открывает немало интересных перспектив, – говорит Сергей Гальперин, – но рассчитывать на создание коммерческого электросамолета с приличной для российских условий дальностью на чисто химических источниках энергии (батареях или топливных элементах) в ближайшем будущем не приходится: слишком разнится энергетический потенциал килограмма керосина и килограмма аккумуляторов. Гибридная схема могла бы стать разумным компромиссом. Надо понимать, что ГТД, непосредственно создающий тягу, и ГТД, который будет приводить в движение вал генератора, – это совсем не одно и то же.
Концепт полностью электрического самолета, разработанный немецким исследовательским институтом Bauhaus Luftfahrt. Авторы полагают, что прогресс в области электробатарей позволит их детищу пролетать до 1300 км на одной зарядке уже к 2030 году, а к 2040-му – до 3000 км.
С помощью генератора ГТД сможет вырабатывать энергию для непосредственного питания электродвигателей, а также для создания запаса в аккумуляторах. Помощь аккумуляторов понадобится как раз на взлете. Но поскольку работа электромоторов на взлетном режиме продлится всего несколько минут, запас энергии не должен быть очень большим и батареи на борту могут быть вполне приемлемыми по размеру и весу. У ГТД при этом никакого взлетного режима не будет – его дело спокойно вырабатывать электричество. Таким образом, в отличие от авиадвигателя ГТД в гибридном электросамолете будет менее мощным, более надежным и экологичным, проще по конструкции, а значит, дешевле и, наконец, будет обладать большим ресурсом.
Дуем на крыло
При этом переход на электродвигатели открывает перспективы принципиальных новшеств в конструкции гражданских самолетов будущего. Одна из наиболее обсуждаемых тем – создание распределенных силовых установок. Сегодня классическая схема компоновки лайнера предполагает две точки приложения тяги, то есть два, редко четыре, мощных двигателя, висящих на пилонах под крылом. В электросамолетах рассматривается схема размещения большого числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Зачем это нужно?
Дело опять же в разнице взлетного и крейсерского режимов. На взлете при малой скорости набегающего потока летательному аппарату для создания подъемной силы необходимо крыло большой площади. На крейсерской скорости широкое крыло мешает, создавая избыточную подъемную силу. Проблема решается за счет сложной механизации – выдвижных закрылков и предкрылков. Самолеты меньшего размера, взлетающие с небольших аэродромов и имеющие для этого большие крылья, вынуждены идти на крейсерском участке с неоптимальным углом атаки, что приводит к дополнительному расходу топлива.
Но, если на взлете множество электромоторов, соединенных с винтами, будут дополнительно обдувать крыло, его не придется делать слишком широким. Самолет взлетит с коротким разбегом, а на крейсерском участке узкое крыло не создаст проблем. Машину будут тянуть вперед винты, вращаемые маршевыми электродвигателями, а пропеллеры вдоль крыла на этом этапе будут сложены или убраны до посадки.
В качестве примера можно привести проект NASA – X-57 Maxwell. Концепт-демонстратор оснащен 14 электромоторами, размещенными вдоль крыла и на законцовках консолей. Все они работают только во время взлета и посадки. На крейсерском участке задействованы только двигатели на концах крыла. Такое размещение моторов позволяет снизить негативное влияние вихрей, возникающих в этих местах. С другой стороны, силовая установка получается сложной, а значит, ее дороже обслуживать и вероятность отказов тоже выше. В общем, ученым и конструкторам есть над чем подумать.
Разрабатываемый NASA прототип полностью электрического самолета воплощает в себе популярную идею распределенной электрической силовой установки. На крыле размещают 14 пропеллеров – из них 12 работают только на взлете и посадке, дополнительно обдувая крыло и увеличивая таким образом подъемную силу.
Выручит жидкий азот
Сегодня реактивные двигатели полностью обеспечивают энергетические потребности самолетов. Их принцип действия основан на сжигании топлива и образовании выхлопных газов, которые и создают силу тяги. Однако использование такого двигателя наносит ущерб экологии. Именно из-за него уровень шума повышен как в салоне самолета, так и на расположенной вблизи аэродрома местности.
Альтернатива реактивному двигателю — электрический. Проблема в том, что удельная мощность современных электродвигателей для авиации не превышает 5 кВт/кг, в то время как реактивные обладают мощностью до 8 кВт/кг. То есть замена повлечет за собой снижение грузоподъемности самолета. Поэтому пока такой переход экономически нецелесообразен.
Применение сверхпроводниковых материалов способно увеличить удельную мощность электродвигателей. Ведь главная особенность сверхпроводников — значительное снижение или даже полное отсутствие электрического сопротивления. Следовательно, величина тока, обратно пропорциональная сопротивлению, возрастает, а вместе с ней увеличивается и мощность двигателя.
Система состоит из газотурбинного двигателя, вращающего электрический генератор, электродвигателя и кабельной линии, соединяющей их. Удельная мощность такой установки составляет свыше 10 кВт/кг, то есть больше, чем у реактивного двигателя.
Основная сложность перевода летательных аппаратов с реактивных на электрические двигатели заключается в необходимости перестроения всех внутренних систем самолета. Чтобы такой переход был эффективен с точки зрения экономики, необходимо не просто сравнять удельную мощность электрических двигателей с турбинными, а значительно увеличить.
Это можно будет осуществить, перейдя на охлаждение сверхпроводниковых двигателей жидким водородом (-253°C). Данная степень охлаждения сверхпроводников способна повысить удельную мощность двигателя до 30 кВт/кг. Но на данный момент проблема применения жидкого водорода заключается в том, что он взрывоопасен, дорого стоит и требует немало энергии для производства.
MagniX
В январе 2019 года австралийская компания MagniX объявила, что выпустит первую партию электродвигателей для авиации уже в 2022 году. Установить их можно не только на новые, но и на нынешние самолеты, утверждают разработчики. Электродвигатели для самолетов от MagniX сделают перелеты в пять раз дешевле
MagniX обещает в ближайшие годы выпустить линейку электродвигателей для винтовых самолетов. Установки первого поколения подойдут для легких воздушных судов вместимостью не больше 20 пассажиров.
Сообщается, что разработка австралийской компании выдает до 750 л. с. Предполагается, что установка станет аналогом турбовинтового авиационного двигателя Pratt and Whitney PT6, которым оснащены популярные модели легких пассажирских самолетов Beechcraft King Air и Cessna 208.
MagniX создаст несколько модификаций электромоторов. Одни подойдут для переоснащения уже существующих самолетов, в том числе популярной Cessna 208, другие предназначены для новых проектов. По расчетам, Cessna на электротяге пролетит до 280 км. А электросамолет, построенный с нуля, преодолеет уже 925 км на одном заряде. Инженеры MagniX приступили к испытаниям электродвигателя еще в сентябре. Тогда компания протестировала 350-сильную установку. Особый акцент на низкий вес - всего 50 кг..
Хотя электросамолетам потребуется дополнительная инфраструктура, авиаперевозчики все равно смогут сэкономить. Полеты на электротяге будут обходиться на 50-80% дешевле, чем обычные рейсы. В первую очередь, авиаперевозчики сэкономят на топливе. Например, расстояние в 185 км на Cessna 208, на топливо придется потратить $300-400. Такой же рейс на электротяге потребует электроэнергии на $12-14.
Полеты станут не только экономичными, но и экологичными, обещает MagniX. Самолет не будет производить вредных выбросов, а если для его зарядки использовать электроэнергию от возобновляемых источников, то рейс будет на 100% зеленым. Для Австралии это вполне достижимая цель, поскольку уже к 2030 году страна может полностью перейти на ВИЭ.
Siemens
В 2015 году компания Siemens представила авиационный электромотор с рекордными характеристиками - двигатель весом всего 50 кг развивает мощность в 260 КВт. Такие характеристики двигателя позволяют создавать воздушные суда со взлётной массой до двух тонн. При этом для работы воздушного винта не требуется трансмиссия, поскольку мотор выдаёт 2500 оборотов в минуту.
Соотношение веса к мощности у нового электродвигателя Siemens составляет больше 5 кВт на один килограмм, что превышает аналогичный показатель даже турбореактивных двигателей. Электродвигатель может вращаться со скоростью практически от 0 до 2.5 тысяч оборотов в минуту, что позволяет устанавливать пропеллер прямо на его вал без необходимости использования промежуточного редуктора. И один такой двигатель может без особых затруднений поднять в воздух самолет с взлетным весом до двух тонн.
В апреле 2017 года прототип электрического самолета Extra 330LE, построенный Siemens, установил два мировых рекорда скорости в классе электрических самолетов с аккумуляторным питанием. Siemens, которым удалось создать новый двигатель, в котором сочетается большая энергетическая плотность, мощность и малый вес.
На дистанции 3 километра самолет развил максимальную скорость в 337.50 километров в час, при весе самолета до 1000 килограмм, и скорость 342.86 километров в час при весе самолета более 1000 килограмм.
Электродвигатель, приводящий в действие самолет Extra 330LE, обеспечил 260 кВт мощности при его весе всего в 50 килограмм. Разработка данного двигателя была выполнена в рамках более глобальной программы компании Siemens, целью которой является разработка электрических гибридных силовых систем для небольших самолетов регионального класса. Данная программа проводится при участии в ней специалистов компании Airbus, которая уже давно работает над собственным вариантом подобной системы под названием.
Airbus
В 2014 году Airbus Group представила двухместный электрический самолёт E-Fan, созданный при поддержке французского правительства. Довольно тихий электросамолёт из углеволокна весит около 500 кг, использует литий-ионные полимерные аккумуляторы и оснащён двумя моторами мощностью по 60 КВт. Час полёта стоит около £10, а батареи полностью заряжаются за 90 минут.
Boeing
SUGAR, оснащен двигательной системой, которая была разработана для уменьшения расхода топлива более чем на 70 процентов, а потребления энергии - примерно на 55 процентов.
Самолет рассчитан на 154 пассажира и полет со скоростью 0,79 маха. Он будет требовать короткую взлетную дистанцию, и сможет летать на расстояние до 5630 километров.
По плану обычное топливо используется в таких энергозатратных манёврах, как взлёт, а в полёте двигатели самолёта по большей части или почти полностью будут питаться от аккумуляторов. Точных сроков завершения проекта компания не назвала и планируют выдать готовый продукт примерно к 2030-2050 годам.
Eviation Aircraft
В июне 2017 года, на авиашоу в Ле-Бурже, израильский стартап Eviation Aircraft показал полностью электрический пассажирский самолёт Alice, способный на одном заряде аккумуляторных батарей преодолеть дистанцию в 965 километров. Технологии, использованные при создании электрического самолета, были разработаны во время участия компании Eviation Aircraft в программе NASA On-Demand Mobility Program.
Небольшой электрический самолет может перевозить от шести до девяти пассажиров и двух членов экипажа на расстояния, покрывающие основную массу внутренних в большинстве стран и некоторую часть международных маршрутов. Основным достижением специалистов компании Eviation Aircraft является разработка нового типа воздушно-алюминиевой аккумуляторной батареи, емкости которой достаточно для накопления энергии, необходимой для дальнего перелета.
В самолете использована модернизированная воздушно-алюминиевая батарея, изначально разработанная компанией Phinergy Ltd. К этому добавлен буфер на традиционных аккумуляторных батареях, и умная система распределения энергии, основанную на использовании аналитических алгоритмов. Все это вместе представляет собой самую высокоэффективную энергетическую систему, позволяющую использовать каждую "крупинку" дефицитной энергии аккумуляторных батарей".
Компания Eviation Aircraft не намерена вступать в конкуренцию с другими компаниями, выпускающими самолеты. Компания Eviation Aircraft видит свет будущее в качестве воздушного аналога сервиса Uber.
Готовый прототип компания Eviation Aircraft покажет в середине 2019 года на парижском авиасалоне Ле-Бурже. Если после этого компании удастся привлечь $100 млн инвестиций, то к 2021 году Alice поступит в продажу. Ожидается, что девятиместный электросамолет будет стоить около $2 млн, но, стоит помнить, что владельцы судна сэкономят на топливе и на затратах на эксплуатацию.
Глава Tesla Илон Маск, который также проявляет интерес к области электрической авиации, считает, что для массового производства электросамолётов необходимо создать аккумулятор с плотностью энергии 400 Вт/ч на килограмм. Между тем, сегодня выпускаемые его компанией электромобили питаются от батарей с плотностью 250 Вт/ч на килограмм.
А в Норвегии планируют к 2040 году полностью перевести все местные пассажирские авиаперевозки на использование электрических летательных аппаратов.
Читайте также: