Двойное сердце: гибридные двигатели для авиации
Фото: ОДК
Вы когда-нибудь задавались вопросом, почему человечество все активнее пересаживается на электротранспорт на земле и даже под землей, но по воздуху мы по-прежнему летаем, сжигая тонны керосина? Почему, когда вокруг нас становится все больше электрокаров, трамваев, троллейбусов, электросамокатов, метро и электропоездов, мы не видим в небе электрические самолеты? Разве не странно, что электродвигатели, которые значительно более эффективны, чем тепловые, до сих пор не позволяют нам экономить на стоимости перелетов? Ведь всем известно, что цена на топливо − одна из причин высокой цены билетов на самолеты.
Можно сказать, что ответ очевиден. На сегодняшний день у нас нет аккумуляторов достаточной мощности и емкости, соответствующих габаритно-размерным характеристикам для применения в авиации. Одно дело небольшой беспилотник с минимальной полезной нагрузкой и довольно коротким временем полета, а другое − пассажирский самолет. Сложно даже предположить, какой объем займут аккумуляторы, например, в российском авиалайнере SSJ-100 для обеспечения полета на стандартное для него расстояние. Вполне вероятно, что для пассажиров места не останется, если он вообще сможет взлететь под завязку набитый довольно тяжелыми батареями.
Макет гибридной силовой установки для авиации
Именно потому, что топливо для турбореактивных двигателей (ТРД) занимает значительно меньше места, мы до сих пор вынуждены мириться с его высокой стоимостью, относительно низким КПД двигателей, вредными выбросами, шумом и сложностью обслуживания.
Логичным получается вывод, что, пока не изобрели новые компактные и емкие источники энергии, электротягу будут применять только в малой авиации, где требование к грузоподъемности, пассажировместимости и дальности полетов значительно ниже. На самом деле это не совсем так.
Автопроизводители сталкивались с аналогичными проблемами. Довольно долго высокая стоимость и низкая емкость аккумуляторов не позволяли производить электромобили, способные проехать расстояние, сопоставимое с машинами на двигателях внутреннего сгорания. И это при том, что вес автомобильных батарей − значительно менее значимый параметр для колесного транспорта, чем для самолетов.
Но только в последние годы автопроизводители стали уделять большее внимание стопроцентным «электричкам». К этому привели разработки новых аккумуляторов, которые становятся все более компактными и емкими. Тем не менее для авиации они все еще слишком большие и тяжелые.
Гибридная силовая установка на базе ВК-650В
А немного раньше повысить эффективность автомобилей, значительно снизив расход топлива и тем самым попутно снизив вредные выбросы, позволило внедрение гибридных автомобилей. На сегодняшний день «гибриды» − вполне рядовая технология в автомобилестроении.
В авиации оценили этот опыт и решили, что созданию гибридных силовых установок (ГСУ) нужно уделить повышенное внимание. На сегодняшний день все ведущие производители авиадвигателей ведут работы в этой области. В списке есть такие гиганты, как американские Pratt & Whitney и General Electric, английский Rolls-Royce, французский Safran и, конечно, российская Объединенная двигателестроительная корпорация.
Несмотря на различные характеристики разрабатываемых силовых установок, у всех ГСУ есть общая черта − симбиоз теплового и электрического двигателя. Этим летом ОДК представила на международном форуме «Технопром-2023» демонстратор гибридной силовой установки мощностью 500 кВт, созданной на основе перспективного вертолетного двигателя ВК-650В.
Разберемся на его примере, как работает гибридная силовая установка в авиации. Турбовальный двигатель ВК-650В, работающий на оптимальном режиме, соединен с генератором, а тот через специальную электрическую систему подключен к аккумуляторам и электродвигателям летательного аппарата. В крейсерском режиме полета на питание электродвигателей подается мощность только от генератора, а избыток энергии идет на зарядку аккумуляторов. На взлете и посадке, т.е. в режиме повышенной нагрузки двигателей, подключается дополнительная мощность от батарей.
Постоянный режим работы ВК-650В обеспечит высокую топливную эффективность, увеличит ресурс и обеспечит стабильную генерацию мощности. Аккумуляторы закроют кратковременные повышения мощности электродвигателей на полетных режимах и, что немаловажно, не позволят «заглохнуть» электродвигателям при выходе из строя турбовального и мгновенно увеличат электрическую мощность. Все эти инновации обеспечат экономичность и безопасность полетов.
Нам осталось только дождаться, когда мы сможем увидеть первые полноценные летательные аппараты с ГСУ. У этой технологии большой потенциал применения – от беспилотников до пассажирских самолетов и вертолетов. Конечно, ГСУ вряд ли смогут сразу вытеснить другие силовые установки из авиации. Но уже сегодня их возможности привлекают разработчиков из разных стран.