Прогноз исследователей ЦИАМ по развитию технологий создания гибридных и электрических авиационных силовых установок

«Электрификация» является сегодня одним из ведущих направлений в авиастроении: с ней связывают снижение расходов топлива, вредных выбросов, повышение надежности авиационной техники. Формирование обликов гибридных и электрических силовых установок (СУ), исследования их эффективности в составе летательных аппаратов (ЛА), разработка и испытания демонстраторов технологий – вот неполный перечень задач, над которыми работают специалисты Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»).

Исследователи ЦИАМ провели анализ ключевых технологий, необходимых для создания гибридных и электрических силовых установок, и на основании экспертных оценок сделали прогноз по их развитию до 2035 года.

За последние годы произошел качественный прорыв в повышении удельных характеристик электрических машин, что связано прежде всего с появлением мощных редкоземельных постоянных магнитов и высокочастотной силовой электроники. Уже сейчас в промышленности выпускаются электродвигатели и электрогенераторы, обладающие удельной мощностью 5-6 кВт/кг и КПД на уровне 96%. «Через 10 лет ожидается увеличение удельной мощности в два раза – до 10-12 кВт/кг и увеличение КПД до 98%», – делится выводами исследований начальник отдела ЦИАМ Антон Варюхин.

Использование электрических двигателей для привода воздушных винтов или вентиляторов позволяет создавать принципиально новые концепции летательных аппаратов, например, различные многороторные схемы ВКЛА (винтокрылые летательные аппараты), обеспечивающие укороченный взлет и посадку.

Наибольшую сложность вызывает вопрос источников электрической энергии. «К сожалению, несмотря на все достигнутые успехи, уровень емкости современных аккумуляторов достаточен пока лишь для коротких развлекательных полетов или обучения, но не обеспечивает создание полностью электрических коммерческих летательных аппаратов с требуемой дальностью и продолжительностью полета, – заключает Антон Варюхин. – Прогнозы разработчиков показывают, что к 2030 году уровень емкости не превысит 400 Вт*ч/кг. Этого будет достаточно только для довольно ограниченного класса летательных аппаратов типа аэротакси».

В области электрохимических источников энергии наибольшие перспективы имеют твердополимерные водородные топливные элементы (ТПТЭ). Наилучшие обладают удельной мощностью 2кВт/кг. Но сложности вызывает вопрос хранения водорода. Сейчас наилучшие системы хранения сжатого водорода при давлении 700 атмосфер обеспечивают удельную энергию всей системы, включающей ТПТЭ и систему хранения, на уровне 700-800 Вт*ч/кг. Это существенно больше емкости современных аккумуляторов. Перспективным является хранение водорода в жидком состоянии. По оценкам, хранение водорода в криогенных сосудах может обеспечить удельную энергию системы на уровне 3000 Вт*ч/кг. 

Большинство разработчиков сегодня ведут исследования в области создания гибридных СУ, то есть таких, которые характеризуются наличием двух или более источников энергии на борту ЛА. Одним из них может быть аккумулятор, другим – генератор, приводимый во вращение газотурбинным двигателем.

Ряд исследователей сходятся во мнении, что 2 МВт – это предельная мощность для традиционных электрических машин. «Для дальнейшего увеличения мощности требуется использовать в конструкции двигателя сверхпроводящие материалы, – рассказывает Антон Варюхин. – Например, ЦИАМ в сотрудничестве с компанией «СуперОкс» - лидером в области создания ВТСП-лент (высокотемпературные сверхпроводники) разрабатывает гибридную СУ на базе электромотора на сверхпроводниках. В ближайшие годы запланированы ее наземные испытания, а в 2020 году – летные».

Можно спрогнозировать, что в 2030 году единичная мощность сверхпроводниковых электрических машин составит не менее 2МВт при удельной мощности 10-12 кВт/кг, с учетом криогенной системы охлаждения. А к 2035 году мощность достигнет уровня 5МВт при удельной мощности 20 кВт/кг.

Заместитель Председателя Правительства РФ Дмитрий Рогозин отметил важность разработки ЦИАМ, посетив во время работы «МАКС-2017» стенд Института. Демонстратор электрической (гибридной) силовой установки стал объектом повышенного интереса журналистов, гостей и участников авиакосмического салона.