Силовая установка для самолета на основе электродвигателей?
Тема: Силовая установка для самолета на основе электродвигателей?
"ЦИАМ-Рекорд": электричество в воздухе
Вчера, 14:18
"ЦИАМ-Рекорд": электричество в воздухеВпервые БЛА «ЦИАМ-Рекорд» поднялся в небо год назад – 2 июля 2014 г. Это был первый полет летательного аппарата с топливными элементами отечественного производства. 27 июля 2015 года на небольшом аэродроме недалеко от подмосковного наукограда Черноголовка состоялся очередной тестовый полет для подготовки к этому рекорду. Увы, погода вмешалась в ход эксперимента: разразилась сильнейшая гроза, которая перешла в почти тропический ливень. Экстремальная влажность не понравилась одному из электронных компонентов на борту БЛА, поэтому полет пришлось прервать ранее планируемого времени. Впрочем, испытания для того и предназначены, чтобы заранее выявлять проблемы. К тому же они практически подтвердили работоспособность созданной энергетической установки в крайне тяжёлых условиях.
Двигатель прогресса
Подробнее о самом БЛА и о перспективах применения топливных элементов в авиации поведали главные участники эксперимента, сотрудники ЦИАМ. Рассказ о проекте начал его инициатор, соруководитель темы «Технологии чистой энергии» ЦИАМ Олег Дмитриевич Селиванов:
– В чем преимущества использования топливных элементов на беспилотных ЛА?
– На небольших БЛА используются либо ДВС, либо электродвигатели на литий-ионных аккумуляторах. ДВС дают большую продолжительность полета, но у таких БЛА высокая заметность – и визуальная, и акустическая, и тепловая. Кроме того, ДВС порождает вибрации, которые мешают работе целевой аппаратуры. Наконец, ДВС – это вредные выбросы. А проблема аккумуляторов в том, что они дают продолжительность полета не более 2 часов. Топливный же элемент с 7-литровым баллоном с водородом в 300 атмосфер, по расчетам позволяет нашему БЛА продержаться в воздухе 20-25 часов, а в оптимальных условиях – и более 30. Поэтому мы и собираемся проводить рекордную попытку в Коктебеле, где в советское время планеристы устанавливали все свои рекорды. На легких беспилотниках эта технология уже вне конкуренции,кроме того, за рубежом на данный момент летает по крайней мере три легких пилотируемых самолета с топливными элементами: в Италии, в Германии и в США.
– Неофициальный мировой рекорд продолжительности полета на топливных элементах принадлежит американскому БЛА IonTiger – 48 часов. Сможете ли вы замахнуться на это достижение?
– Когда мы только начали заниматься этим направлением, то IonTigerуже существовал и в 2009 г. установил рекорд – 26 часов в воздухе. Этот самолет делала Лаборатория военно-морского флота США – мощная организация с передовым оснащением и хорошим финансированием. Однако мы принялись с энтузиазмом создавать ЛА, который этот рекорд побьет. Увы, американцы за это время установили новый рекорд – 48 часов. Но рекорд для нас не самоцель, главное – это практическая демонстрация возможностей технологий топливных элементов. В результате реализации этого проекта ЦИАМ вместе с партнёрами из Института проблем химической физики РАН и НТЦ «ОАК»имеет сегодня исключительнуюкомпетенцию в сфере примененияданной технологии в авиации. В России ни у кого другого такого опыта нет.
– Этот проект является совместным для ЦИАМ и Института проблем химической физики. Почему именно ИПХФ был выбран в качестве партнера?
– Тут надо немного рассказать об истории проекта. Эти работы начинались в 2009 г. по инициативе ОАК. Несколько команд соревновались, чтобы первыми в России осуществить полет ЛА с топливными элементами. Нам это удалось раньше других. К 80-летнему юбилею ЦИАМ были сделаны два беспилотника – ЦИАМ-80 и ЦИАМ-80-2. 4 ноября 2010 года мы с ЦИАМ-80 первыми в России совершили такой полет. В нем мы использовали импортные топливные элементы Aeropak сингапурской фирмы Horizon. Это одно из лучших подобных изделий для авиационного применения. И японцы, и израильтяне, и немцы свои первые беспилотники делали с этими топливными элементами. Однако наши оппоненты, проигравшие гонку, упрекали нас в том, что мы использовали импортную технику. Поэтому мы начали искать партнера для разработки топливных элементов у нас в стране. Перебрав очень много организаций, которые этим занимаются, решили, что ИПХФ в Черноголовке в наибольшей степени к этому готов. Проблема в том, что разрыв между академическими исследованиями и практическим их применением в нашей стране слишком велик.В общем-то, ИПХФ тоже не занимался этой проблемой, пока мы к ним не обратились, но взялся за дело с большим энтузиазмом. Директор ИПХФ вице-президент РАН Сергей Михайлович Алдошин поддержал эту тематику, к 2014 году топливный элемент был готов, и 2 июля 2014 года состоялся первый полет ЛА с отечественными топливными элементами. Сейчас мы уже ни с кем в России не соревнуемся, мы решили, что лучше объединить усилия в рамках совместного проекта ОАК, ЦИАМ, ИПХФ и целого ряда других организаций.
– Какова роль ЦИАМ в этом проекте?
– ЦИАМ был его инициатором и таким образом стал пионером применения топливных элементов в авиации в России. Топливный элемент разрабатывался ИПХФ по техническому заданию ЦИАМ. Для того, чтобы этот проект состоялся, мы исследовали множество проблем, связанных с применением такой технологии, после чего нашим коллегам из ИПХФ и ОАК гораздо легче было преодолевать многие трудности. К примеру, проблема водорода: такие ЛА работают от водородного баллона высокого давления: нужны 300 атмосфер. Но оказалось, что у нас в стране практически нет доступного водорода с давлением выше 150 атмосфер. Когда мы начали этим заниматься, ситуация выглядела благоприятной: была масса статей, люди якобы занимались водородом с давлением до 1000 и даже 2000 атмосфер. Я им звоню и прошу заправить литровый баллончик хотя бы до 300 атмосфер. В ответ извиняются: теоретически мы знаем, как его получить, но физически такого водорода у нас нет.
– В чем же проблема? Почему нельзя накачать водород до давления 300 атмосфер?
– Подшипники компрессоров смазываются маслом, пары которого попадают в водород, а для твёрдополимерных топливных элементов, применяемых в нашем случае, к примеру, нужен был водород особой чистоты – 99,999%. Иначе примеси «отравят» мембрану. Даже чистый водород с давлением 150 атмосфер мы достали с большим трудом. Так что пришлось ИПХФ в рамках нашего проекта купить очень дорогой импортный компрессор, который наш стандартный 150-атмосферный водород перегоняет в 300 атмосфер.
– С организационной ролью понятно, а какие именно разработки ЦИАМ применены в БЛА?
– «Начинку» топливных элементов делал ИПХФ по техническому заданию ЦИАМ, но вся электроника, управляющие системы разрабатывались совместно.
– А планер?
– Для рекордного аппарата проектировался специальный планер и предполагалось, что мы его запустим на МАКС-2013. На специально спроектированном планере, который, кстати, уже готовит ОАК, можно продолжительность полета поднять с 30 до 40 часов и больше с той же энергоустановкой. Но на первом этапе по финансовым соображениям мы решили силами авиамоделистов изготовить планер по готовым чертежам. Для ЦИАМ важнее было показать возможности энергетической установки, чем гнаться за совершенством планера. Еще раз повторю, в этом проекте рекорд – не самоцель, гораздо важнее то, что в результате родилось и активно развивается новое, очень актуальное направление и решается проблема импортозамещения в высокотехнологичной области.
– Есть ли уже практические результаты в этом направлении?
– В 2013 году мы вместе с нашими партнёрами из ИПХФ демонстрировали эти разработки министру обороны Сергею Кужугетовичу Шойгу и представителям других силовых ведомств. С их стороны был проявлен практический интерес, получивший воплощение в реальных, уже серийных изделиях.
Наука и жизнь
Подробнее об устройстве топливных элементов рассказал их создатель Юрий Анатольевич Добровольский, заведующий лабораторией ионики твердого тела ИПХФ РАН.
– Расскажите, пожалуйста, научно, но популярно о принципе действия топливных элементов.
– Вспомните школьные уроки химии с демонстрацией процесса электролиза – разложения воды на кислород и водород: когда мы берем две металлические пластины и пропускаем по ним ток, то на одной пластине выделяется водород, на другой – кислород. Если делать наоборот, то есть разомкнуть цепь, над одной пластинкой продувать водород, а над другой – кислород, то возникает разность потенциалов. Получается электролиз наоборот: процесс окисления водорода в кислороде. Но в отличие от горения вместо тепла выделяется электричество с КПД 60%, то есть в тепло на нагрев атмосферы уходит всего 40%. КПД самой лучшей тепловой машины – 30-35%. Разница в два раза по КПД достигается уже на начальной стадии. Топливный элемент осуществляет прямое преобразование химической энергии в электрическую, поэтому правильное его название – электрохимический генератор (ЭХГ).
– Топливные элементы в СССР разрабатывались еще в 80-е годы для многоразового корабля «Буран». Вы использовали эти наработки?
– Топливные элементы для «Бурана» и лунного модуля делала кооперация во главе с «Энергией», а изготовителем был Уральский электрохимический комбинат. Но этот тип ЭХГ не годится для авиации. Ему нужен кислород в баллонах. Он подходит для космоса, для подводных лодок. И у него были совсем другие массово-габаритные параметры: 16 кг массы на 1 кВт вырабатываемой мощности, а у нас установка весом 800 г дает 1 кВт. Это связано и с прогрессом материаловедения за прошедшие 30 лет, и с применением иных конструкционных материалов, и сам рабочий процесс по-другому организован. Рывок в развитии топливных элементов произошел около 10 лет назад, когда их начали использовать в массовой продукции, например – на автомобилях. Недавний пример – ToyotaMirai, которая с этого года продается в США, Западной Европе и Японии.
– Расскажите об устройстве топливных элементов для «ЦИАМ-Рекорда».
– Энергетическая установка состоит всего из двух элементов: основной источник – топливный элемент весом 800 г. и аккумуляторная батарея, которая играет роль буфера и гасит пиковые нагрузки. Водород из баллона через регулятор расхода поступает в топливный элемент, куда двумя вентиляторами гонится воздух через биполярные пластины, где находящийся в воздухе кислород вступает в реакцию с водородом. Одновременно вентиляторы служат и для охлаждения системы. Вся система управления помещается на одной маленькой плате нашего изготовления. Из импортных компонентов здесь только редуктор, литий-полимерная батарея, вентиляторы и электронные компоненты к плате. Сам топливный элемент – российский, и даже композитный баллон российский.
– Как выглядит ваш топливный элемент на фоне зарубежных аналогов?
–Это разработка не просто на уровне зарубежных, но и по многим параметрам превосходит их. В частности, наш топливный элемент может работать при отрицательных температурах и использовать отечественный «грязный» водород. По габаритам наша установка чуть лучше, по массе – чуть хуже, но разница в пределах 10%. При этом зарубежные аналоги вообще невозможно использовать в России. Не только из-за морозов и «грязного» водорода, но и потому что они теперь запрещены для ввоза в нашу страну.
– Вы использовали в своей разработке зарубежный опыт? Копировали зарубежный аналог, если спросить проще?
– Скопировать иностранный аналог невозможно хотя бы потому, что материалы, которые там используются, в России не производятся. Проблема-то не в конструкции. Эта схема применяется уже лет десять и никакой тайны не составляет. А вот никелевых сплавов, которые не корродируют и не отравляют мембрану, у нас нет, и мы заменили их титаном российского производства, которому подобрали отечественное покрытие. 100-процентное импортозамещение.
– Как удалось заставить топливный элемент работать при отрицательных температурах?
– Мы научились соответствующим образом модифицировать мембраны. Почему топливный элемент не работает при отрицательных температурах? Внутри полимерных мембран находится вода, она замерзает и перестает проводить, а мы нашли способ модифицировать мембрану так, чтобы вода не замерзала до минус 60 градусов. Это чисто материаловедческая проблема. Проводимость падает, но не ниже критического уровня. А поскольку топливный элемент греется при работе, то за 5-10 минут проводимость восстанавливается до номинального значения. Важен холодный старт. Мы приезжаем в поле и запускаем БЛА при любом морозе. А сингапурские батареи Олег Дмитриевич грел за пазухой, потому что температура 4 ноября, во время первого полета ЦИАМ-80, была отрицательной.
– Что при создании этой топливной батареи было самым сложным?
– Самое сложное – эта часть, генерирующая ток, мембранно-электронный блок. Там-то как раз и «спрятано» все материаловедение. В первую очередь – это мембрана, которую мы научили работать при отрицательной температуре, и катализаторы – слой платины толщиной 1-2 нм на оксидном носителе, которые с хорошей интенсивностью «съедают» даже грязный водород. Все это разработано нами «с нуля».
Электрификация будущего
О дальнейшем развитии этого проекта и перспективах использования топливных элементов в авиации рассказал научный руководитель – заместитель генерального директора ЦИАМ Александр Игоревич Ланшин.
– Какова перспектива использования топливных элементов в большой авиации?
– Самая близкая перспектива – это вспомогательные силовые установки для больших пассажирских самолетов. Олег Дмитриевич – энтузиаст и цель его жизни – создать самолет с топливными элементами. Но для ЦИАМ основная задача использования топливных элементов – создание ВСУ для самолетов и вертолетов. ЦИАМ ведет разработки в этом направлении. В результате этого проекта сложилась концепция ВСУ мощностью до 350 кВт, которую ЦИАМ разрабатывает вместе с НПП «Аэросила».
– Насколько это близкая перспектива?
– В 2017 году Boeing и Airbus обещают поставить на свои самолеты ВСУ на топливных элементах мощностью до 150…200 кВт. Они нужны, например, чтобы питать электропривод перспективного шасси, с помощью которого самолет по земле будет перемещаться с выключенными маршевыми двигателями. Такие испытания уже проводились. Что касается нас, то при адекватном финансировании уже через три-пять лет может быть создан демонстратор такой ВСУ.
– Каковы шансы получить адекватное финансирование на этот проект?
– Работа, начатая Олегом Дмитриевичем в 2010 году, привела к тому, что эта тема – ВСУ на топливных элементах – вошла в нашу программу «Двигатели-2025». В рамках этой темы, во-первых, в 2011-12 годах был сделан фундаментальный обзор организаций – и промышленных предприятий, и институтов академии наук, и сформирована команда, которая в состоянии заниматься развитием этой технологии и в реальные сроки достичь успеха. Во-вторых, были выявлены критические технологии, над которыми надо работать. Сейчас эта тема включена в НИР «Концепт-2030». Ее финансирование осуществлялось в рамках федеральной целевой программы развития гражданской авиационной техники России до 2015 г. Но это работа одна из нескольких, у нее нет пока отдельного приоритета. Сейчас мы включаем эту тему в комплексный план НИР в рамках Национального плана развития науки и технологий в авиастроении. Составлен план работ на ближайшие три года – 2016-18 годы, согласно которому будет создано уже что-то материальное. У руководства отрасли есть понимание важности этой темы. Но для продвижения этого направления надо аккумулировать средства из нескольких источников, надо привлекать ресурсы ОАК и других организаций. ЦИАМ в данном случае выступает как инициатор, организатор и двигатель работ в данном направлении.
– Вы упомянули о критических технологиях для создания ВСУ на топливных элементах. Расскажите о них.
– Главная трудность состоит в том, что в качестве исходного топлива для ВСУ целесообразно применять керосин. Соответственно, его надо очистить и выделить из него водород необходимого качества. Boeing и Airbus, к примеру, на первом этапе будут использовать запас чистого водорода. Далее, необходимо масштабировать сам топливный элемент, поскольку это будет не маленькая установка мощностью 1 кВт с воздушным охлаждением, а мощная система с жидкостным охлаждением. Необходимо создать каталитическую камеру сгорания, которая без вредных выбросов будет сжигать все отходы от процесса получения водорода из керосина. Необходимо создать газотурбинный блок на «сухих» газовых подшипниках для получения воздуха высокого давления без примесей масла. От маршевого двигателя воздух отобрать нельзя, во-первых, поскольку он «грязный», а во вторых – это не рационально, так как снижает эффективность маршевого двигателя. Смысл разработки ВСУ с топливными элементами как раз и состоит в том, чтобы не отбирать от двигателя мощность на электросистемы самолета. Сейчас идет борьба за каждые полпроцента КПД маршевого двигателя, а для внутреннего обеспечения самолета нужны уже мегаваттные мощности. Boeing и Airbus в перспективе планируют создать ВСУ мощностью около 750 кВт.
– В чем преимущества ВСУ на топливных элементах по сравнению с ВСУ на основе ГТД?
– КПД традиционных ВСУ – это процентов 20% максимум, а топливные элементы сразу дают КПД до 60%, значит топлива надо брать меньше. Плюс экология – нет вредных выбросов, нет шума при движении по аэродрому.
– ВСУ – это ближайшая перспектива. А если заглянуть дальше в будущее?
– Топливные элементы можно будет применять не только для ВСУ, но и для гибридных СУ. Пока на электричестве могут летать только легкие ЛА. Региональные 100-местные самолеты уже могли бы использовать гибридные двигатели. Это двигатели той же двухконтурной схемы, в которой вентилятор на взлете, когда необходима большая мощность, приводится от турбины, а в крейсерском полете на высоте, где потребная мощность меньше, турбина отключается и вентилятор работает от электрического двигателя. Для работы этого электромотора идеально подошли бы топливные элементы. ЦИАМ занимается и этим направлением. Но практические результаты этих работ ожидаются ближе к 40-м годам.
P2 Excursion (сокращенно EQP2) имеет форму растянутой капли, увенчивающейся Т-образным хвостовом оперением с установленным на нем 66-сильным электромотором. Это низкоплан, 10-метровое крыло которого должно по замыслу разработчиков обеспечить плавучесть и избавить конструкцию от спонсонов, поплавков и других подобных «лишних» приспособлений. Убираемое шасси позволяет не только садиться на воду, но и улучшает аэродинамику в полете. Как отмечают в Equator Aircraft, EQP2 на шаг опережает амфибии Icon A5, Vickers Wave или MVP. В том плане, что создает меньше лобового сопротивления. С полностью выпущенными закрылками скорость сваливания амфибии 83 км/ч, а максимальная крейсерская скорость составляет 222 км/ч! Самолет имеет цельнокомпозитную конструкцию, в которой везде, где было возможно, создатели отказались от использования коррозирующих материалов. В качестве основных материалов применены армированное углеродное стекловолокно и карбон/кевларовый текстиль. Самолет рассчитан на двух пассажиров, хотя в будущем планируется создать и четырехместную версию. Кабине шириной 58 дюймов (147 см) может позавидовать любой LSA. Особое внимание конструкторы уделили вопросам посадки и высадки пилотов, когда самолет на воде. Лучшим способом признана посадка через нос, для чего передняя часть кабины выполнена особо прочной и водостойкой. Багажное отделение также отличается большой вместимостью. В него можно погрузить велосипед, лыжи и т.д. По крайней мере, в одном эта машина действительно уникальна. На ней нет педалей руля направления. Управление осуществляется поворотом ручки управления вокруг вертикальной оси, а сама система управления строится по принципу ЭДСУ. Гибридная система собственной разработки Equator, названная «EHPS for Equator Hybrid Propulsion System», в настоящее время проходит финальные тесты в Германии. Используется двигатель внутреннего сгорания производства WankelSuperTec (Котбус, Германия), способный работать на биодизеле. Топливный бак емкостью 100 л, по расчетам, должен обеспечить продолжительность полета 5-6 часов. На пропеллер будет выдаваться 130 л.с., еще 80 мотор-генератор будет отдавать аккумуляторам.
Работа над проектом, начатая в 2011-м, должна увенчаться успехом в этом году. Этим летом прототип должен быть готов, а его полет может состояться в текущем году.
по материалам http://www.bydanjohnson.com
Источник http://www.privat.aero/articles/.../P2-Excursion-poletit-v-yetom-godu/
Перспективный самолет пока еще находится на ранней стадии проектирования, но, по всей видимости, Airbus уже склоняется к окончательной конфигурации. Идеология самолета основывается на концепции NASA N3-X, возникшей около пяти лет назад, с интегральной компоновкой, в которой крыло плавно сопрягается с фюзеляжем и газотурбинными двигателями для выработки электроэнергии для электрических моторов, расположенных вдоль задней кромки фюзеляжа. Только в Airbus решили применить дизельные двигатели.
Особую озабоченность, которая возникла еще в проекте N3-X, вызывает объем экранирования, который требуется для защиты пассажиров от электрической системы. И этот вопрос будет также особо рассмотрен в конструкции Airbus.
Ранее Airbus предполагал, что разработка гибридного электрического 100-местного самолета будет осуществлена в течение 10 лет, но в реальности разработчики нацеливаются почти на 10 лет больше работать. «Более реалистично временное окно для коммерчески жизнеспособного самолета – 2032 год», - говорят в компании.
В концепции гибридной электрической системы используются наработки Airbus в проекте полностью электрического двухместного E-Fan 2.0, который планируется ввести в эксплуатацию в 2017 году, и четырехместного гибридного электрического E-Fan 4.0.
Разработка гибридно-электрической системы для E-Fan 4.0 даст критически важную информацию инженерам Airbus, работающим над 100-местной машиной. Силовая установка на четырехместном самолете будет иметь необычную конфигурацию – один двигатель с генератором и два электрических мотора с винтами. Такой дизайн напоминает конфигурацию 100-местного концепта, и это поднимает интригующие вопросы, как, например, проблему компенсации рыскания, если один из электромоторов откажет. Решая эту проблему в E-Fan 4.0, разработчики продвинутся в концепции большого самолета.
Источник http://www.bizavnews.ru/230/15416
«После тщательного анализа имеющихся вариантов для этой критической фазы процесса развития, мы выбрали компанию, которая предлагает гибкий процесс сборки высокого качества для первого прототипа», - сказал Джордж Баи, генеральный директор AEAC. «Наш текущий график предполагает начало летных испытаний до конца года». В настоящее время Arion Aircraft, базирующаяся в Шелбивилле (штат Теннеси, США), выпускает S-LSA LS-1 Lightning. Как сообщается, после сертификации Sun Flyer будет предлагаться рынку тренировочных самолетов. В прошлом году разработчики представили полностью электрический одноместный самолет Skyhawk, но решили создать двухместную тренировочную машину. Сведение о самолете мало. Известно, что авионику для него предоставит Avidyne Corporation. Если говорить об Elektra One, созданном в 2011-м, то полного заряда батарей этой машине хватало на три часа полета, что эквивалентно дальности около 400 км. Электродвигатель с максимальной мощностью 16кВт позволял развивать крейсерскую скорость 160 км/ч. Из 300 кг максимальной взлетной массы самолета 100 составлял вес аккумулятора и 100 кг - полезная нагрузка. Новая модель — Elektra One Solar, показанная на AERO-2012, получила солнечные батареи на крыльях и оперении, что позволило достигнуть дальности полета 1080 км. К настоящему времени AEAC получила 20 заказов на Sun Flyer от американского летного колледжа Spartan и подписала соглашение о поставках с французской летной школой.
по материалам http://www.aero-news.net
Источник http://privat.aero/articles/.../Nachalasmg-sborka-prototipa-Sun-Flyer/
Сравнение нового типа ячеек (красный столбик) с бензином (синий), жидким водородом (голубой), цинковым элементом (зелёный), литиево-ионным аккумулятором (жёлтый), никелево-металлогидридной батареей (розовый) и аккумулятором свинцово-кислотным (чёрный). Слева — плотность энергии (ватт-часы на литр). Шкала — нелинейная (иллюстрация Licht et.al.).
Группа исследователей из университета Массачусетса в Бостоне (University of Massachusetts, Boston) во главе с доктором Стюартом Личтом (Stuart Licht) разработала новый тип возобновляемого электрохимического источника тока. По расчётам, он впервые сможет превзойти по удельной ёмкости бак с бензином, а также — все другие электрохимические генераторы и все типы перезаряжаемых аккумуляторных батарей.
Пока это только первое исследование, подкреплённое вычислениями и химическими опытами, однако если оно дойдёт до практического устройства, пригодного для массового применения, это может означать новый этап в истории электромобилей. Ведь их распространение сдерживает отсутствие источников питания электромоторов, способных потягаться с бензином по удельной (на литр объёма) ёмкости.
Авторы работы, опубликованной в ChemComm, подчёркивают — когда они говорят о превосходстве новой системы хранения энергии над бензином, подразумеваются практически достижимые значения удельной ёмкости, с учётом всех потерь. То есть включая реальный КПД мотора для бензинового авто, а для электрохимического бортового генератора — потери напряжения в элементе, необходимость в электродах, электролите, корпусе и прочих узлах и деталях самой системы, занимающих немалый объём и имеющих существенный вес, и так далее...
Итак, новый тип электрохимической ячейки может превзойти по «калорийности» и бензин (причём — почти вдвое), и жидкий водород (в два с лишком раза), и воздушно-цинковые элементы (почти втрое), и литиево-ионные батареи (в десять раз), и уж тем более — свинцово-кислотные аккумуляторы (примерно в 60-70 раз).
Называется новинка vanadium boride air cell, что можно перевести как воздушно-ванадиево-боридный элемент. По принципу действия и устройству, а также по составу электролита и катода он сходен с давно известным воздушно-цинковым элементом (zinc-air fuel cells), в котором электричество производится при окислении цинка. Последний находится в самом элементе, и по израсходовании этого топлива его нужно менять — путём смены каких-либо картриджей или цинковой пасты.
Точно так же дело обстоит и в ванадиево-боридном генераторе. Только топливом служит не цинк, а борид ванадия. Причём окисляются оба элемента, так что при работе новой ячейки образуются оксид ванадия и оксид бора.
Каковы же его возможности? Теоретическая плотность энергии самого VB2 составляет 27 киловатт-часов на литр. А вот практическую плотность энергии, с учётом присутствия всех реальных элементов такой ячейки, авторы исследования оценили как 5 киловатт-часов на литр. Сравните это с бензином: 9,6 киловатт-часа на литр для самого топлива в теории и 2,7 киловатт-часов на литр — на практике, с учётом реального КПД ДВС.
Те же серийные воздушно-цинковые батареи со сменными картриджами, родственные VB2-ячейке, обладают фактической удельной ёмкостью 1,75 киловатт-часа на литр, а типичные литиевые аккумуляторы могут похвастать лишь показателем в 0,5 киловатт-часа на литр.
Интересно, что в своей работе авторы предусмотрели решение многих проблем ванадиево-боридного элемента. Скажем, коррозию VB2, приводящую к быстрой потере ёмкости, но главное — к выпуску водорода, который может разрушить элемент и к тому же — огнеопасен. Учёные говорят, что стабилизировать анод из борида ванадия довольно легко путём нанесения на него тонкого покрытия из диоксида циркона.
Цикл круговорота соединений, обеспечивающий поставку солнечной энергии в авто с плотностью её «аккумулирования», превосходящей плотность энергии в бензине (иллюстрация Licht et.al.).
Ещё интереснее, что исследователи разработали и схему регенерации прореагировавшего с воздухом борида ванадия. Она представляет собой целую цепочку реакций с участием магния в присутствии соляной кислоты, воды и при энергетической подпитке всего этого круговорота веществ от солнечных лучей.
Фактически, предполагают авторы работы, специальные предприятия могут довольно просто «паковать» солнечную энергию в виде борида ванадия, который пойдёт на зарядку электрохимических ячеек авто и после израсходования — уже в виде оксидов бора и ванадия — вернётся на тот же завод для повторного восстановления.
Boeing’s SolarEagle UAV for Darpa’s Vulture program would have used SOFCs. Credit: Boeing
Plans to build Boeing’s SolarEagle demonstrator for the five-year-endurance Vulture were canceled, but work on the propulsion system continued under the Vulture 2 effort and ground demonstrations of the regenerative solar/SOFC power system are underway.
NASA’s proposed light-aircraft demonstrator would use Boeing’s fuel cell paired with a reformer that allows conventional hydrocarbon fuels to be used as the energy source, says Nick Borer, an aerospace engineer at NASA Langley.
“PEMs are low-temperature and use pure hydrogen, but you need to store the hydrogen on the aircraft, which is an overhead,” he says. “SOFCs have high operating temperatures, but are tolerant to the sulfur and carbon monoxide byproducts of the reformation process.”
The seedling study “is to take an existing aircraft, put the electric motor and fuel cell on and see if the design comes close to closing,”said Borer, addressing a workshop on transformative vertical-takeoff-and-landing at NASA Ames Research Center on Aug. 4.
The initial idea is to use a Lancair Columbia 300 now in flyable storage at Langley. This class of aircraft has the speed, payload and range to be useful for point-to-point transport with early adopters, which are seen as the gateway to a larger commercial market, he says.
Baseline performance goals are a 160-190-kt. cruise speed on 130-190 kW (175-255 hp) of power. Initial power-system integration and scaling studies indicate the Columbia 300 would achieve the same maximum range on half the fuel with an SOFC power system replacing the piston engine.
Target fuel-to-electricity efficiency for the hybrid battery-SOFC energy system is greater than 60%. The motor and energy system is heavy, so it would be designed for cruise or climb power and operated in “overdrive” for takeoff with a moderate efficiency penalty. Alternatively, batteries could provide the extra power. “You only need a 56-kW fuel cell to replace a 100-hp engine,” he says.
JAXA’s blended wing-body concept has internal hybrid cores driving distributed fans. Credit: Japan Aerospace Exploration Agency
While SOFCs are sulfur-tolerant, they cannot handle the high levels in jet fuel, so NASA’s demo would use low-sulfur road diesel or ground desulfurization. There is an opportunity to create flight-weight desulfurization equipment, Borer says, particularly for a fuel-cell auxiliary power unit in a large commercial aircraft—one of the potential near-term applications for the energy system.
Other potential issues include fuel-cell response time to throttle movement, but Borer says batteries could handle power surges more efficiently. Start-up is another, as it takes time for the fuel-cell stack to come up to temperature. This could be overcome by making SOFC startup part of the preflight checks and using batteries and wheel motors for taxiing.
JAXA, meanwhile, sees a hybrid fuel-cell/turbine system overcoming the disadvantages of a solid oxide fuel cell and enabling the advantages of its high efficiency and zero emissions. The Japanese study is based on NASA’s N3-X turbo-electric distributed propulsion (TeDP) airliner concept, in which two gas-turbine turbogenerators produce electricity to power multiple fans.
TeDP dramatically increases bypass ratio and propulsive efficiency, reducing fuel burn and emissions. JAXA’s concept is to replace the turbogenerators with more-efficient SOFC/turbine cores. The hybrid system overcomes key concerns with SOFCs: achieving the high operating temperatures required and the stable operation needed, as the stacks are vulnerable to sudden airflow and pressure changes.
Core-compressor bleed air flows through the SOFC subsystem in JAXA’s hybrid concept. Credit: Japan Aerospace Exploration Agency
While NASA’s N3-X uses hydrogen, the primary gas-turbine core in JAXA’s SOFC/turbine concept burns jet fuel. The air leaving the compressor is split. One flowpath is through a heat exchanger, where the air is heated by the exhaust from the core before entering the SOFC subsystem. Here a secondary compressor further boosts the air temperature before it enters the SOFC, which is fueled by hydrogen.
This approach reduces the size and weight of the heat exchanger system required to achieve the high fuel-cell operating temperature, says JAXA. Excess hydrogen is burned in the SOFC subsystem to power a turbine that drives the “subcompressor” to boost temperatures and suppress disturbances entering the fuel cell, JAXA says. The turbine exhaust reenters the primary core, increasing its efficiency.
Together, the gas-turbine core and SOFC subsystem generate electricity to power the fans. The advantage of using liquid hydrogen, beyond high energy content and zero emissions, is that the cryogenic fuel can be used to cool superconducting power-transmission wires to minimize losses. JAXA’s studies assume normal-conductivity motors, but with cryogenic cooling.
JAXA studies suggest, compared with a conventional turbogenerator, the hybrid SOFC/turbine has the potential to increase the total efficiency of a turbo-electric distributed propulsion system, says Tokyo University researcher Keiichi Okai. Weight and operability are the key technology hurdles to be overcome, he told last month’s American Institute Of Aeronautics and Astronautics Propulsion & Energy conference in Orlando, Florida.
Самарское предприятие демонстрирует образцы двух полноразмерных стоек шасси для перспективного российского вертолета Ка-62 и инновационную разработку - опытный образец электропривода колес шасси (ЭПК ВПУ) для ближнемагистрального самолета "Сухой Суперджет-100".
"Авиаагрегат" является интегратором по созданию ЭПК ВПУ. Для реализации проекта он собрал широкую кооперацию из таких ведущих предприятий отрасли, как ОАО "ОАК", ЗАО "ГСС", ОАО "АК "Рубин", ОАО "Электропривод" (входит в состав холдинга "Технодинамика"), ФГУП "ЦАГИ", ОАО "Аэроэлектромаш", ФГУП "НИИСУ".
Для выполнения работ используются как собственные средства предприятий, так и финансирование в рамках федеральной целевой программы "Развитие гражданской авиационной техники".
На выставочном стенде холдинга "Технодинамика" будет проводиться демонстрационный показ работы электрического привода колеса шасси, размещенного на макете опоры шасси.
С помощью проекционных экранов, изображающих взлетную полосу в реальных условиях, участники выставки смогут оценить инновационное устройство в действии.
Такой электропривод позволит самолету выполнять руление по перрону и рулежным дорожкам с выключенными основными двигателями и без помощи аэродромных тягачей, пользуясь энергией от маломощной вспомогательной силовой установки. При заруливании на стоянку или при развороте самолет может без проблем двигаться хвостом вперед.
Специалисты утверждают, что электропривод колес позволит сократить время работы маршевых двигателей на земле на 30-40 минут. Экономится топливо, сокращается объем вредных выбросов, а также шум в районе аэропорта.
Кроме того, самолет уже не ждет, пока тягач поставит его на отведенное место, он заруливает сам, а это дополнительное удобство для пассажиров. Без дополнительных затрат увеличивается пропускная способность аэропорта.
"Работа над шасси с электрическим приводом является инновационной не только для нашего предприятия, но и для всего авиастроения в целом, причем в глобальном масштабе, - рассказал генеральный директор "Авиаагрегата" Павел Майоров. - Сейчас европейские требования по безопасности, шуму, уровню эмиссии вредных выбросов подвергаются пересмотру, и со временем самолеты, не оснащенные электроприводом, не будут допускаться во многие зарубежные аэропорты".
Авиапорт.Конференции
Агентство «АвиаПорт» является разработчиком программного обеспечения, позволяющего зарегистрированным пользователям сайта общаться друг с другом. Все сообщения отражают собственное мнение их авторов, и агентство не несет ответственность за достоверность и законность информации, публикуемой пользователями на страницах раздела.
![[image]](../../../pics.aviaport.ru/cache/news/170x/723423.jpg)
