Центральному аэрогидродинамическому институту им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) в 2023 году исполняется 105 лет со дня основания, и представители ведущего научного центра авиационной науки России рассказали о перспективных проектах, над которыми сейчас трудятся специалисты института. Одно из направлений развития авиационной техники касается использования электрических технологий. Как же будут выглядеть самолеты уже через 30 лет?
Электрические системы самолетов
Развитие электрических технологий в авиации это одно из трех магистральных направлений, над которыми ведется работа в ЦАГИ.
«Электрические технологии можно разделить на два больших направления, — рассказывает директор Центрального аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского, член-корр. РАН Кирилл Сыпало. — Первое — это вспомогательные системы управления и исполнительные приводы, которые используют электрическую энергию. Они предполагают отказ от пневматических и гидравлических систем. Эталонными здесь можно считать „Аэробус 350“ и „Боинг 787“. Второе направление — это исследования, которые крутятся вокруг проектов с электрическими винтовыми двигателями».
Опыт эксплуатации дальнемагистрального Airbus A350 или Boeing 787 показывает, что перевод большинства вспомогательных систем самолета на электрическую энергию оказывается эффективным. Самолет становится более легким и экономичным. Однако возникают и трудности.
«Как только наши коллеги из Airbus и Boeing увеличили электромощности систем в два раза, возникли неожиданные проблемы, — рассказывает академик РАН, научный руководитель ЦАГИ Сергей Чернышев. — Стали возникать пожары. Слишком сложно оказывается удержать такую мощность в рамках прежнего объема самолета. Электролизуется пластиковая обшивка, возникают замыкания, плавятся материалы. Все это придется решать. Что же касается второго направления, то здесь перспективы очень большие».
В ЦАГИ в рамках совместных программ с другими авиационными научными центрами проводится работа по разработке электрических самолетов и вертолетов с двигателями на электрической тяге.
«Исследования касаются гибридных силовых установок на базе тепловых машин с добавлением электрической компоненты, — продолжает директор ЦАГИ, член-корр. РАН Кирилл Сыпало. — Здесь потенциально применимы многие передовые технологии, в том числе касающиеся и низкотемпературной сверхпроводимости».
Гибридные установки вместо реактивных двигателей
Будущее электрической авиации видится в гибридных энергоустановках, основу которых будут составлять турбины, считают эксперты. Дело в том, что реактивный двигатель, создающий тягу для самолета, и турбина для выработки электрической энергии на борту не могут сравниться по эффективности и экономичности. С использованием гибридной установки энергопотребление самолета снижается в несколько раз.
К примеру, на взлете авиационный двигатель развивает максимальную мощность, а при движении на крейсерском участке полета его отдача снижается в 5–6 раз. Тем самым, двигатель самолета должен уметь работать в широком диапазоне режимов, что очень неоптимально с точки зрения экономии. Гибридная же установка может постоянно работать в оптимальном режиме, создавая необходимое количество энергии.
Силовые установки на базе тепловых машин подобны газовым турбинам электростанций, которые всегда работают в одном режиме, что очень эффективно, говорят специалисты. Избыток энергии сохраняется в аккумуляторах. Работа электромоторов на взлетном режиме с максимальной мощностью длится всего несколько минут, отчего запас батарей на борту может быть небольшим, благодаря чему можно сделать их приемлемыми по весу и по размерам.
При этом самолет будет приводиться в движение не реактивными двигателями, а винтовыми. А их может быть гораздо больше, чем мы привыкли видеть.
«Электромоторы хороши тем, что могут масштабироваться. Их можно распределить по крылу, они создают малый шум и сравнительно безотказны. Если же какой-то мотор выйдет из строя, то не страшно, так как запаса по мощности других агрегатов будет хватать, чтобы благополучно завершить полет», — поясняет академик РАН Сергей Чернышев.
Много пропеллеров
В электросамолетах рассматривается схема размещения большого числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Часть из них будет работать на взлете и посадке, а маршевые должны применяться на крейсерских скоростях. Это позволит сделать крыло меньших размеров, сэкономить вес и увеличить грузоподъемность. На взлете при малой скорости набегающего потока электромоторы с винтами будут дополнительно обдувать крыло, создавая дополнительную подъемную силу.
Подобные схемы уже пробуются на зарубежных разработках, в том числе в проекте NASA — X-57 Maxwell. Самолет-демонстратор оснащен 14 электромоторами, размещенными вдоль крыла и на законцовках консолей.
«Электрические самолеты на регулярных рейсах появятся не то, чтобы скоро, — говорит Чернышев. — Самолеты регионального назначения могут выйти на рейсы в 30-е годы. Магистральные самолеты полетят в 50-е годы XXI века».
