Прошедшая в июле Международная промышленная выставка "Иннопром-2024" стала площадкой для представления наработок "Объединенной двигателестроительной корпорации" (ОДК, входит в Госкорпорацию Ростех) в области создания гибридной силовой установки (ГСУ). По мнению экспертов ОДК, сегодня получен достаточный объём знаний, сформированы ноу-хау, позволяющие вскоре перейти к опытно-конструкторским работам. И пускай товарную ГСУ мы увидим только через несколько лет, судить о её перспективном облике можно уже сейчас.

Следим за проектом по выставкам

Нынешний показ стал не первым для ОДК – в минувшие годы на выставках уже демонстрировались наработки по теме ГСУ, отражавшие последовательность поиска и возможные варианты применения новинки. Так в ходе Международного авиационно-космического салона МАКС-2021 была представлена концепция демонстратора ГСУ для лёгкого беспилотного летательного аппарата с четырьмя подъёмно-маршевыми электродвигателями. Спустя три недели после завершения выставки МАКС ОДК представила общественности макет ГСУ уже с акцентом применения на морских летательных аппаратах, произошло это в ходе Международного военно-технического форума "Армия-2021". Тогда же ОДК анонсировала возможность создания ГСУ морского применения мощностью 200-250 кВт для скоростных маломерных судов, с возможностью масштабирования разработки для применения на судах большей размерности. 2021 год запомнился и проведением круглого стола на тему перспектив применения ГСУ, итогом которого стала оценка перспективных ниш применения этой технологии, особенности ведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, развития инфраструктуры, формирования нормативной базы.

Важная презентация работ по ГСУ состоялась в 2023 году в ходе форума технологического развития "Технопром-2023", состоявшегося в Новосибирске. Там ОДК представила уже демонстратор ГСУ с целевой мощностью в 500 кВт, в основе которой – двигатель ВК-650В. Помимо этого, на "Технопром-2023" корпорация организовала ряд панельных дискуссий, две из которых – "Перспективы развития городской аэромобильности на горизонте 2050 года" и "Электрические машины и накопители энергии" – перекликались с темой ГСУ.

Наконец, на выставке "Иннопром-2024", где экспозиция ОДК была развёрнута на едином стенде Ростеха, посетители смогли увидеть полноразмерный демонстратор ГСУ, в составе которого присутствуют газотурбинный двигатель ВК-650В, электрический генератор, аккумуляторные батареи, два тяговых электродвигателя и силовая электроника. В демонстраторе реализована последовательная схема, в которой тяга создаётся только винтами, приводимыми электродвигателям, в то время как газотурбинный двигатель используется в составе энергоузла. Между демонстрациями 2023 и 2024 годов – стендовая отработка элементов конструкции, позволившая последовательно повышать уровень мощности и вплотную приблизиться к целевому показателю в половину мегаватта.

Электричество в авиации: предпосылки к прорыву

Ключевыми факторами, повлиявшими на усиление интереса к использованию электрической энергии в авиации, стали ужесточение экологических требований и прогресс в области создания электрических машин и систем хранения электроэнергии. Экологические требования охватывают несколько факторов негативного влияния авиации на окружающую среду. Первый связан с предотвращением изменения климата. Оценки масштаба выброса CO2, производимого авиацией, показывают, что доля этого сектора в совокупном объёме выбросов постоянно растёт. Так в 1992 году авиационная индустрия формировала порядка 2 % выбросов CO2, к 2015 году эта доля достигла 2,5 %.

Нельзя сказать, что авиастроители стоят на месте и не уделяют внимания повышению топливной эффективности и экологичности воздушных судов. В период с 1967 по 2007 год реактивные самолёты улучшили экономичность на внушительные 70 %. Однако возможности по повышению эффективности с опорой только на прогресс в области создания новых поколений авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и планеров, обладающих меньшей массой и лучшими аэродинамическими характеристиками, не безграничны. На заре освоения ГТД в гражданской авиации, с 1960 по 1980 год, прирост эффективности оценивался в 55-67 %, но в следующие 20 лет эффективность удалось повысить всего на 20-26 %. Каждый следующий шаг будет занимать больше времени и стоить дороже, в то время как сокращение расхода топлива будет замедляться.

В то же время объёмы авиационных перевозок до 2020 года неуклонно увеличивались. С 1960 по 2018 год мировая гражданская авиация увеличила пассажирооборот со 109 до 8 269 миллиардов пассажиро-километров. Эксперты указывают, что при прогнозируемых уровнях повышения эффективности ГТД и роста пассажиропотока вклад авиаотрасли в выброс CO2 к середине столетия может достичь 15 %, если не предпринимать экстраординарные меры.

Международная организация гражданской авиации (International Civil Aviation Organization, ICAO, ИКАО) на своей 40-й сессии в 2019 году приняла резолюцию A40-18 "Сводное заявление о постоянной политике и практике ИКАО в области защиты окружающей среды – изменение климата". Документ подтвердил для отрасли две глобальные желательные цели: ежегодное повышение топливной эффективности на 2 % на горизонте до 2050 года и углеродно-нейтральный рост с 2020 года.

Среди других неблагоприятных факторов воздействия авиации на окружающую среду называют выбросы окислов азота и эмиссию твёрдых частиц. Они также неразрывно связаны со сжиганием топлива, то есть являются родовыми проблемами двигателей внутреннего сгорания. Наконец, существует проблема авиационного шума, производимого как силовой установкой, так и элементами планера.

Международное отраслевое сообщество предложило несколько путей решения экологических проблем. Часть из них – организационные и экономические, они связаны с оптимизацией управления воздушным движением, с введением "углеродного сбора" и даже с принудительным ограничением масштаба авиаперевозок. Есть общетехнические мероприятия, связанные с повышением весовой отдачи конструкций за счёт перехода на новые материалы, новые методы проектирования и изготовления деталей.

Одним из ключевых вопросов в климатической повестке является достижение углеродной нейтральности, когда выбросы углекислого газа в полной мере компенсируются за счёт так называемых углеродно-отрицательных проектов. Для гражданской авиации это один из магистральных подходов: ведущие авиапроизводители воздушных судов и двигателей, компании нефтегазового сектора и эксплуатанты уже экспериментируют с "устойчивым топливом" (Sustainable aviation fuel, SAF), получаемым из переработки биомассы, пищевых отходов и так далее. Такое топливо не решает проблемы с эмиссией NOx и шумовым воздействием, не сокращает выбросы CO2 в момент сжигания топлива, но считается, что при производстве SAF происходит поглощение углекислого газа, а переработка отходов благоприятно влияет на объём захораниваемого мусора. Однако переход на такое топливо позволяет в сжатые сроки сократить карбоновый след на десятки процентов. Несколькими ложками дёгтя в бочке мёда являются стоимость SAF, пока кратно превышающая стоимость традиционного реактивного топлива, а также отсутствие мощностей по производству SAF в необходимых объёмах и возможный дефицит сырья для его выпуска. Площадь посевов рапса или рыжиков, из которых можно производить биотопливо, можно увеличить, но ситуация, когда энергетические культуры будут конкурировать с пищевыми, в перспективе потребует сделать непростой выбор.

Электрический привод традиционного движителя, такого как пропеллер у самолёта, либо несущий и рулевой винты у вертолёта, обещает множество экологических преимуществ. В месте, где осуществляется полёт, отсутствуют выбросы вредных веществ. Уровень шума электродвигателя ощутимо ниже, чем у ГТД. Помимо экологических плюсов, электрификация имеет другие достоинства: потоками электроэнергии легко управлять, электродвигатели проще в производстве и обслуживании, чем обычные тепловые машины, КПД электродвигателя выше, моментные характеристики – благоприятнее, приёмистость – отличная. Создатели летательных аппаратов получают гибкость в реализации новых конструктивных схем и аэродинамических компоновок, а кроме того – в построении систем управления, ведь электрический привод позволяет, помимо традиционного управления шагом винта, управлять и частотой его вращения. Словом, плюсов видится множество, в то время как минусов было только два, но очень весомых. Устройства хранения и преобразования электроэнергии до недавнего времени имели высокую цену и буквально неподъёмную массу.

При этом электричество пришло в авиацию не вчера. Ещё в середине и второй половине 1930-х годов талантливый специалист Всесоюзного электротехнического института Андроник Иосифьян проводил опыты по созданию вертолёта, несущий винт которого приводился электромоторами. Созданные модели успешно летали, достигая высоты 5-10 метров. Однако полёты осуществлялись на привязи: бортового источника энергии, способного обеспечить автономный полёт, тогда не существовало. Теперь же у создателей летательных аппаратов на выбор сразу несколько решений, откуда черпать энергию: аккумуляторные батареи, топливные элементы, генераторы, приводимые традиционными двигателями, и даже солнечные батареи.

Предназначение имеет значение

Гибридная силовая установка (ГСУ) включает в себя электрический двигатель или двигатели, приводящие движитель, систему хранения и генерации электроэнергии, систему управления, а также вспомогательные системы, к примеру – систему охлаждения. Двумя полюсами, между которыми находится ГСУ, являются чисто электрические силовые установки, в которых запас энергии сохраняется в аккумуляторных батареях, и традиционные силовые установки с тепловыми машинами, включая поршневые, ракетные, турбореактивные, турбовинтовые и турбовальные двигатели.

Можно констатировать, что "на нижних этажах" электрический привод уже доминирует: сегодня обыватель может за очень умеренные деньги приобрести дрон мультикоптерного типа, в котором электродвигатели питаются от компактной литий-ионной батареи. Относительно продвинутые модели могут обеспечить продолжительность полёта в 30-40 минут, грузоподъёмность от сотен граммов до килограмма. Есть и более "взрослые" решения, такие как Pipistrel Velis Electro. Это первый в мире "электролёт", сертифицированный в 2020 году по гражданским нормам. При максимальной взлётной массе в 600 кг масса полезной нагрузки составляет 172 кг. Запаса энергии, согласно заявлениям производителя, достаточно на 50-минутный полёт плюс резерв. Весьма амбициозный проект компании Eviation, получивший название Alice, предполагает создание 9-местного самолёта, способного преодолеть более 800 км со скоростью порядка 400 км/час, а перезарядка батарей обеспечит достижение максимальной дальности после часовой зарядки. Но два часа электрического полёта – это показатель, близкий к пределу, обеспечиваемому современными технологиями. В отличие от традиционного топлива, сжигаемого в полёте, что приводит к сокращению массы воздушного судна, аккумуляторные батареи, теряя заряд, не теряют в весе. Чтобы обеспечить длительный полёт, нужно принять на борт батареи, заметно превышающие по массе топливо вместе со всей топливной системой.

Ситуация не выглядит тупиковой. Свинцовые аккумуляторы позволяли запасать до 40 Вт*час на килограмм массы. Кадмиевые и никель-металлогидридные батареи позволяют достичь удельной энергии 50 и 70 Вт*час/кг, массовые литий-ионные аккумуляторы – до 150 Вт*час/кг, наиболее продвинутые разработки – до 250 Вт*час/кг. Но в лабораториях уже созданы твердотельные батареи, имеющие удельные показатели почти втрое выше, чем у литий-ионных. Это позволяет утверждать, что сфера применения "чистых электролётов" будет расширяться, пусть и в относительно узких пределах. По крайней мере, создатели небольших беспилотников, аэротакси, самолётов авиации общего назначения, в особенности учебных и пилотажных машин, уже предчувствуют революцию в создании новых летательных аппаратов.

Рассуждая о хранении энергии на борту воздушного судна, не обойтись без сравнений. Обычно синонимом низкой эффективности считается паровоз. Однако даже древесина, сжигаемая в его топке, позволяет запасти куда больше энергии, чем самая современная аккумуляторная батарея. Удельная энергия перспективных литий-ионных батарей в 250 Вт*час/кг – это всего 2 % от показателей сжиженного природного газа или бензина. Дизельное топливо и пропан ещё выгоднее, а водород остаётся непревзойдённым вариантом с точки зрения запаса энергии в килограмме массы.

Как рассказывал в интервью РИА "Новости" Михаил Гордин, экс-директор Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ), ниша "электролётов" – самолёты и вертолёты вместимостью до 19 пассажиров, аэротакси с вместимостью до четырёх человек. Более крупные воздушные суда будут ориентироваться на ГСУ. И здесь перед создателями летательных аппаратов встаёт выбор, какие именно устройства использовать для преобразования химической энергии топлива в электричество. Газотурбинные двигатели широко освоены в производстве и эксплуатации, их удельные показатели как по массе, так и по расходу топлива, достаточно высоки. В качестве топлива они применяют повсеместно распространённые марки Jet A-1, ТС-1 и аналоги. Турбовальные двигатели с лёгкостью превращаются в приводные агрегаты для выработки электроэнергии. Все необходимые доработки связаны не с усложнением, а с упрощением конструкции, так как двигатель становится фактически однорежимным (не считая переходных режимов запуска, прогрева, охлаждения и выключения). Теоретически, на 20-30 % должны повыситься показатели ресурса, сократиться риски выключения в полёте. Правда, точные данные ещё предстоит получить в ходе экспериментальной отработки ГСУ.

Выигрыш в результате перехода от ГТД к ГСУ заключается в сокращении расхода топлива и выброса вредных веществ. Сегодня мощность или тяга силовой установки самолёта гражданского назначения определяется, прежде всего, требованиями выполнения продолженного взлёта, в то время как на крейсерском режиме двигатели задросселированы. При этом вполне возможно использовать двигатели, оптимизированные по своей размерности для обеспечения крейсерского полёта, а электрическую составляющую использовать на взлёте или как добавку при отказе одного из моторов. Схема последовательного гибрида подразумевает, что ГТД вовсе не создаёт тяги, а вся вырабатываемая им энергия преобразуется в электричество для питания маршевых электромоторов и подзарядки батарей.

Альтернативой керосину в качестве топлива может стать водород. Его главное достоинство – колоссальная удельная энергия. Правда, низкая плотность означает, что хранение на борту водорода даже в сжиженном состоянии потребует громоздких резервуаров, сложной системы заправки, трубопроводов. При этом и авиационная индустрия в целом не готова к переходу на водород: он дорого в производстве, транспортировке и хранении, он чрезвычайно летуч, что дополнительно усложняет создание инфраструктуры.

Пока применение водорода видится оправданным в трёх сферах. Прежде всего, его можно преобразовывать в электричество с помощью водород-воздушных топливных элементов с протон-обменной мембраной. КПД такого преобразователя достигает внушительных 60 %. Вместо токсичного выхлопа – чистый водяной пар. Никаких движущихся частей и относительно простая система охлаждения дополняют картину. За почти 90 лет, прошедших с момента создания первого топливного элемента, были созданы образцы, пригодные для применения на борту воздушных судов. Вторая возможность, которую даёт водород, важна для создания электрических машин высокой мощности, использующих эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Создав систему охлаждения, в которой в качестве хладагента применяется жидкий водород, можно создать электродвигатель с высочайшим КПД и с мощностью, исчисляемой несколькими мегаваттами. Третья возможность уже не связана с ГСУ – водород выглядит привлекательным топливом для перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов.

Источником энергии на борту воздушного судна могут быть и достаточно экзотические решения: крупные высотные беспилотные летательные аппараты, позиционируемые в нише "атмосферных спутников", могут получать достаточную для обеспечения длительного крейсерского полёта энергию от солнечных батарей, в качестве эксперимента такие беспилотники были созданы. Однако сфера их возможного применения пока очень узка. Также в формате лабораторной и экспериментальной отработки находится технология дистанционной передачи энергии с земли. Она даёт несколько больше свободы, нежели в случае с вертолётами А. Иосифьяна, но о гибкости и универсальности такого решения говорить не приходится.