Двигатель для самолета электрический

Двигатели для электрических самолетов: на пороге революции

Гибридные и электрические автомобили уже ни у кого не вызывают удивления. В больших городах для них создана полноценная инфраструктура. Позиции электродвигателя для самолета гораздо слабее. Тем не менее, с каждым годом появляется все больше проектов электросамолетов, создатели которых делают ставку на электротягу.

В последние годы электродвигатели для самолетов существенно шагнули вперед в своей надежности, экономичности и весовом совершенстве. В мире существует уже несколько производителей, готовых к полноценному серийному производству. Бум электромоторов в авиации сдерживается только отсутствием доступной технологии изготовления аккумуляторов, которые бы имели преимущество перед традиционными видами топлива.

Электродвигатели для самолетов нового поколения

На прошедшем недавно в Париже авиасалоне компания MagniX представила сразу 2 модели электромоторов для самолетов: magni250 мощностью 375 лошадиных сил и 750-сильный magni500. Последний позиционируется как более экономичная и экологичная замена газотурбинным двигателям Pratt and Whitney PT6, традиционно применяемым на самолетах малой авиации. На этап серийного производства компания планирует выйти к 2022 году. MagniX – изначально австралийская компания, которая к данному времени перебазировалась в американский Сиэтл.

Alice от Eviation Aircraft – первый электрический самолет

Также в Ле-Бурже был показан самолет Alice, который компания-разработчик позиционирует как первый в мире полностью электрический самолет. Он создан специалистами израильской компании Eviation Aircraft. Аппарат оборудован тремя электродвигателями, два из которых установлены на консолях крыла, а третий размещен в задней части фюзеляжа.

Вместимость самолета – 9 пассажиров, которых он может перевезти на расстояние 1000 км. Самолет позиционируют как относительно доступное транспортное средство для перелетов на небольшие расстояния. Впереди у проекта цикл испытаний и сертификационных работ. В качестве основного рынка компания рассматривает США.

Силовой установкой служат двигатели Siemens. Вторым вариантом двигателя выбран magni250 от компании MagniX. Серийное производство запланировано на 2021-2022 гг.

Электросамолеты Pipistrel Alpha Electro

Пока многоместные самолеты лишь готовятся к испытательным полетам, ультралегкая авиация уже обзавелась серийно выпускаемой моделью электросамолета. Словенская компания Pipistrel запустила производство двухместных самолетов Alpha Electro. Их основное назначение – первоначальное летное обучение и полеты ради удовольствия. Максимальная взлетная масса составляет 550 кг, из которых 200 кг – вес полезной нагрузки.

Себестоимость электроэнергии для одного полета составляет всего 3 доллара. Одного заряда хватает на 1 час полета, при этом еще 30 минут остается в резерве.

Электрический самолет Airbus E-Fan

От небольших компаний не отстают и гранды мирового авиапрома. Так, европейский концерн Airbus работает над эволюционной программой создания ближнемагистрального пассажирского самолета с электрической силовой установкой. Одним из ключевых этапов программы является создание полностью электрического самолета E-Fan, оснащенного двумя электроприводными вентиляторами.

Как и у Pipistrel Alpha Electro, максимальная взлетная масса самолета составляет 550 кг. К настоящему времени производство опытных самолетов E-Fan остановлено, а полученный опыт будет использован концерном Airbus для создания нового гибридно-электрического 90-местного самолета E-Thrust.

Электросамолет X-57 Maxwell

Кроме освоения космоса, NASA известна своими инновационными разработками в авиации. Аппарат X-57 Maxwell создается на базе серийного самолета Tecnam P2006T, у которого оригинальная силовая установка заменена на 14 электроприводных пропеллеров, из которых 12 работают только на взлете и посадке. Самолет будет развивать скорость 280 км/ч.

Электрический самолет Wright Electric

Американская компания Wright Electric совместно с британским авиаперевозчиком EasyJet работают над проектом 180-местного электрического авиалайнера, производство которого запланировано на 2030 год. Партнеры надеются, что электрический привод позволит существенно сократить стоимость авиаперевозок в лоукост-сегменте.

Илон Маск: самолеты будут электрическими

Как считает создатель Tesla и SpaceX Илон Маск, в будущем все виды транспорта кроме ракет перейдут на электродвигатели. Судя по всему, Илон планирует участвовать в разработках электросамолетов в качестве поставщика батарей, емкость которых пока недостаточна для полноценной замены традиционных источников энергии в авиации.

У России есть авиационный электродвигатель

На прошедшем двумя годами ранее авиасалоне МАКС-2017 НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» представил масштабный макет перспективной силовой установки на базе гибридно-электрического двигателя. Назначение – региональные самолеты. Возможно, на предстоящем МАКС-2019 мы увидим новый шаг в развитии данного проекта.

Еще одна российская организация в области инноваций, Фонд перспективных исследований (ФПИ), сообщила о разработке авиационного электродвигателя мощностью 500 кВт. Испытания прототипа запланированы на 2020 год.

Источник

Сверхпроводник на борту: в МАИ создали мощный электрический авиадвигатель

Специалисты Московского авиационного института впервые применили сверхпроводниковые материалы для разработки мощных электрических двигателей. Такие моторы могут стать альтернативой реактивным, которые наносят вред окружающей среде и являются источниками повышенного шума.

Читайте также:  Линейка двигателей мерседес 221

Маёвцы сумели добиться большей мощности электродвигателя по сравнению с реактивным, что долгое время оставалось непреодолимой проблемой.

В небо на батарейках

Сегодня реактивные двигатели полностью обеспечивают энергетические потребности самолётов. Их принцип действия основан на сжигании топлива и образовании выхлопных газов, которые и создают силу тяги. Однако использование такого двигателя наносит ущерб экологии. Именно из-за него уровень шума повышен как в салоне самолёта, так и на расположенной вблизи аэродрома местности.

Альтернатива реактивному двигателю — электрический. Проблема в том, что удельная мощность современных электродвигателей для авиации не превышает 5 кВт/кг, в то время как реактивные обладают мощностью до 8 кВт/кг. То есть замена повлечет за собой снижение грузоподъёмности самолёта. Поэтому пока такой переход экономически нецелесообразен.

Однако применение сверхпроводниковых материалов способно увеличить удельную мощность электродвигателей. Ведь главная особенность сверхпроводников — значительное снижение или даже полное отсутствие электрического сопротивления. Следовательно, величина тока, обратно пропорциональная сопротивлению, возрастает, а вместе с ней увеличивается и мощность двигателя.

Учёные МАИ задействовали сверхпроводниковые материалы при создании различных типов электрических машин. Пока это ещё не полноценные самолётные двигатели, а лишь база для них — участок, где происходит преобразование энергии из электрической в механическую.

— Наш коллектив рассмотрел концепцию электрического самолёта с гибридной силовой установкой и сверхпроводниковыми электрическими машинами, — рассказал «Известиям» заведующий кафедрой «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Константин Ковалёв. — Эта система состоит из газотурбинного двигателя, вращающего электрический генератор, электродвигателя и кабельной линии, соединяющей их. Удельная мощность такой установки составляет свыше 10 кВт/кг, то есть больше, чем у реактивного двигателя.

Также в установку входит система криогенного обеспечения. Дело в том, что сверхпроводники обладают низким сопротивлением только при очень низких температурах. Сейчас для охлаждения разработчики применяют жидкий азот, температура которого −196 градусов по Цельсию. Использование хладагента также практически полностью блокирует возможность возгорания в случае короткого замыкания проводки, что повышает безопасность на борту самолёта. Поддерживать криогенную температуру планируется бортовыми системами криообеспечения, которые сегодня достаточно компактны для применения в авиации.

— Основная сложность перевода летательных аппаратов с реактивных на электрические двигатели заключается в необходимости перестроения всех внутренних систем самолёта, — пояснил доцент МАИ Дмитрий Дежин. — Чтобы такой переход был эффективен с точки зрения экономики, необходимо не просто сравнять удельную мощность электрических двигателей с турбинными, а значительно увеличить.

По мнению авторов работы, это можно будет осуществить, перейдя на охлаждение сверхпроводниковых двигателей жидким водородом (−253 градуса по Цельсию). Данная степень охлаждения сверхпроводников способна повысить удельную мощность двигателя до 30 кВт/кг. Но на данный момент проблема применения жидкого водорода заключается в том, что он взрывоопасен, дорого стоит и требует немало энергии для производства.

Источник

Электродвигатели для авиации

Проблему можно решить, используя гибридные энергетические установки, в которых обычные авиадвигатели, использующие традиционное горючее, вращают электрогенераторы. Однако это решение лишит аппарат тех преимуществ, которые дает чисто электрическое решение. К примеру, у гибридных выше вредные выбросы и уровень шума. Кроме того, на аппаратах с гибридными двигателями меньше скорость.

MagniX своими моторами рассчитывает изменить традиционные пассажирские и грузовые самолеты на линиях протяженностью до полутора тысяч километров. Компания уже работает с канадским оператором Harbour Air, переводя ее легкие гидросамолеты на электрическую тягу.

Австралийская компания MagniX выпустит первую партию электродвигателей для авиации уже в 2022 году. Установить их можно не только на новые, но и на нынешние самолеты, утверждают разработчики. MagniX обещает в ближайшие годы выпустить линейку электродвигателей для винтовых самолетов. Установки первого поколения подойдут для легких воздушных судов вместимостью не больше 20 пассажиров.

Новый двигатель Magnix, разработанный специально для авиации, который имеет меньший вес и большую мощность, он так же, как автопроизводители пришел к мысли, что электрические трансмиссии эффективнее, тише и гибче.. Такие компании, как Zunum, Eviation и даже NASA с новым X-57, все исследуют идею замены двигателей и, в конечном итоге, реактивных двигателей на электродвигатели.

Magnix пришлось спроектировать и интегрировать систему жидкостного охлаждения на масляной основе в свой двигатель, чтобы избавиться от избыточного тепла. Он также должен был сконструировать свою машину так, чтобы она могла отвечать строгим требованиям, которые влечет за собой утверждение безопасности для полета, с пристальным вниманием к материалам и конструктивной целостности. Провалиться в воздухе намного серьезнее, чем сломаться на обочине дороги.

Сообщается, что разработка австралийской компании выдает до 750 л. с. Предполагается, что установка станет аналогом турбовинтового авиационного двигателя Pratt and Whitney PT6, которым оснащены популярные модели легких пассажирских самолетов Beechcraft King Air и Cessna 208.

MagniX создаст несколько модификаций электромоторов. Одни подойдут для переоснащения уже существующих самолетов, в том числе популярной Cessna 208, другие предназначены для новых проектов. По расчетам, Cessna на электротяге пролетит до 280 км. А электросамолет, построенный с нуля, преодолеет уже 925 км на одном заряде. Инженеры MagniX приступили к испытаниям электродвигателя еще в сентябре. Тогда компания протестировала 350-сильную установку. Особый акцент на низкий вес — всего 50 кг.

Читайте также:  Двигатель со всеми описаниями

Хотя электросамолетам потребуется дополнительная инфраструктура, авиаперевозчики все равно смогут сэкономить. По словам главы MagniX Роя Ганзарски, полеты на электротяге будут обходиться на 50-80% дешевле, чем обычные рейсы.

Полеты станут не только экономичными, но и экологичными, обещает MagniX. Самолет не будет производить вредных выбросов, а если для его зарядки использовать электроэнергию от возобновляемых источников, то рейс будет на 100% зеленым. Для Австралии это вполне достижимая цель, поскольку уже к 2030 году страна может полностью перейти на ВИЭ.

Источник

Вверх на электричестве: электросамолеты будущего

Современный газотурбинный (турбовентиляторный) двигатель, который приводит в движение лайнеры, – это, конечно, не двухтактная тарахтелка для садовых инструментов, а высокоэффективная и очень надежная машина. Однако, по мнению авиастроителей, она близка к исчерпанию резервов для дальнейшего совершенствования. Да что там двигатели – все строящиеся ныне авиалайнеры настолько похожи друг на друга, что лишь знаток авиации сходу отличит Boeing или Airbus от Bombardier или МС-21. И хотя нет ни малейшего сомнения в том, что лайнеры современного типа с двумя ГТД под крыльями будут еще десятилетиями катать нас по небу, большие надежды на новую компоновку и новую аэродинамику самолетов связывают с электрическим движением.

Быстро, но недолго

Еще недавно под термином «электросамолет» понимался «более электрический самолет» – летательный аппарат с фиксированным крылом, в котором механическая и гидравлическая трансмиссия по максимуму заменялась электрической. Никаких больше трубок и тросов – всю механическую работу, как, например, приведение в движение рулей и механизацию крыла, выполняют небольшие электродвигатели-актуаторы, к которым подводится электропитание и канал для управляющего сигнала. Теперь термин наполнился новым смыслом: истинный электросамолет должен и сам двигаться на электрической тяге.

Разумеется, перспективы электроавиации зависят не только (и даже не столько) от авиаконструкторов, сколько от прогресса в области электротехники. Ведь самолеты, что называется, «на батарейках», существуют. Вспомогательные электромоторы на планеры ставили еще несколько десятилетий назад. А самолет Extra 330LE, впервые поднявшийся в воздух в 2016 году, уже сам таскает за собой планеры и ставит рекорды скорости. Вот только его блок из 14 мощных литий-ионных батарей и электродвигатель от Siemens позволяют этому крохе брать на борт лишь двух человек, включая пилота, и находиться в воздухе не дольше 20 минут.

Конечно, есть проекты, в которые заложены куда более впечатляющие показатели. В сентябре прошлого года британская авиакомпания-лоукостер EasyJet объявила, что через десять лет выведет на линии полностью электрический региональный лайнер (дальность 540 км, что для внутриевропейских рейсов весьма немало) вместимостью 180 пассажиров. Партнером по проекту стал американский стартап Wright Electric, который уже построил пока двухместный летающий демонстратор. Однако на сегодняшний день энергетическая плотность самых лучших литий-ионных батарей более чем на порядок уступает углеводородному топливу. Предполагается, что к 2030 году батареи улучшат свои показатели максимум в два раза.

Турбина, останься!

Намного выигрышней выглядит ситуация с топливными элементами, в которых химическая энергия топлива превращается в электрическую непосредственно, минуя процесс горения. Наиболее перспективным топливом для такого источника питания считается водород. Эксперименты с топливными элементами в качестве источника питания для электросамолета ведутся в разных странах мира (в России над проектами по созданию таких летательных аппаратов в первую очередь работает ЦИАМ, а топливные элементы для них создаются в ИПХФ РАН под руководством профессора Юрия Добровольского). Из летавших и пилотируемых концептов можно вспомнить европейский демонстратор ENFICA-FC Rapid 200FC – в нем использовались одновременно как электробатареи, так и топливные элементы. Но и эта технология нуждается еще в значительной доработке и дополнительных исследованиях.

Наиболее реальными на сегодня кажутся перспективы электросамолетов, построенных по гибридной схеме. Это означает, что движитель летательного аппарата (винт или винтовентилятор) будет приводиться в движение электромотором, а вот электричество он получит от генератора, вращаемого. газотурбинным двигателем (или другим ДВС). На первый взгляд такая схема кажется странной: от ГТД хотят отказаться в пользу электродвигателя, но не собираются этого делать.

Гибридных проектов в мире тоже уже немало, однако нас в первую очередь интересует Россия. Работы по электросамолету, в частности с гибридной схемой, велись в разных научных институтах авиационного профиля – таких, как ЦАГИ или ЦИАМ. Сегодня эти и некоторые другие учреждения объединены (с 2014 года) под эгидой Научно-исследовательского центра «Институт имени Н. Е. Жуковского», призванного стать единым мощным «мозговым трестом» отрасли. Задача комплексирования в рамках центра всех работ по электроавиации возложена на Сергея Гальперина, которого мы уже цитировали в начале статьи.

Взлет на батарейке

«Переход на электродвигатели в авиации открывает немало интересных перспектив, – говорит Сергей Гальперин, – но рассчитывать на создание коммерческого электросамолета с приличной для российских условий дальностью на чисто химических источниках энергии (батареях или топливных элементах) в ближайшем будущем не приходится: слишком разнится энергетический потенциал килограмма керосина и килограмма аккумуляторов. Гибридная схема могла бы стать разумным компромиссом. Надо понимать, что ГТД, непосредственно создающий тягу, и ГТД, который будет приводить в движение вал генератора, – это совсем не одно и то же.

Читайте также:  Коробка передач норма масла

Дело в том, что у самолета в ходе полета значительно изменяются энергетические потребности. На взлете авиационный двигатель развивает мощность, близкую к максимальной, а при движении на крейсерском участке (то есть большую часть полета) энергопотребление самолета снижается в 5–6 раз. Таким образом, традиционная силовая установка должна уметь работать в широком диапазоне режимов (не всегда оптимальных с точки зрения экономики) и быстро переходить от одного к другому. Ничего подобного не потребуется от ГТД в гибридной установке. Он будет подобен газовым турбинам электростанций, которые работают всегда в одном и том же, самом экономически выгодном режиме. Работают годами, без остановки».

С помощью генератора ГТД сможет вырабатывать энергию для непосредственного питания электродвигателей, а также для создания запаса в аккумуляторах. Помощь аккумуляторов понадобится как раз на взлете. Но поскольку работа электромоторов на взлетном режиме продлится всего несколько минут, запас энергии не должен быть очень большим и батареи на борту могут быть вполне приемлемыми по размеру и весу. У ГТД при этом никакого взлетного режима не будет – его дело спокойно вырабатывать электричество. Таким образом, в отличие от авиадвигателя ГТД в гибридном электросамолете будет менее мощным, более надежным и экологичным, проще по конструкции, а значит, дешевле и, наконец, будет обладать большим ресурсом.

Дуем на крыло

При этом переход на электродвигатели открывает перспективы принципиальных новшеств в конструкции гражданских самолетов будущего. Одна из наиболее обсуждаемых тем – создание распределенных силовых установок. Сегодня классическая схема компоновки лайнера предполагает две точки приложения тяги, то есть два, редко четыре, мощных двигателя, висящих на пилонах под крылом. В электросамолетах рассматривается схема размещения большого числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Зачем это нужно?

Дело опять же в разнице взлетного и крейсерского режимов. На взлете при малой скорости набегающего потока летательному аппарату для создания подъемной силы необходимо крыло большой площади. На крейсерской скорости широкое крыло мешает, создавая избыточную подъемную силу. Проблема решается за счет сложной механизации – выдвижных закрылков и предкрылков. Самолеты меньшего размера, взлетающие с небольших аэродромов и имеющие для этого большие крылья, вынуждены идти на крейсерском участке с неоптимальным углом атаки, что приводит к дополнительному расходу топлива.

Но, если на взлете множество электромоторов, соединенных с винтами, будут дополнительно обдувать крыло, его не придется делать слишком широким. Самолет взлетит с коротким разбегом, а на крейсерском участке узкое крыло не создаст проблем. Машину будут тянуть вперед винты, вращаемые маршевыми электродвигателями, а пропеллеры вдоль крыла на этом этапе будут сложены или убраны до посадки.

В качестве примера можно привести проект NASA – X-57 Maxwell. Концепт-демонстратор оснащен 14 электромоторами, размещенными вдоль крыла и на законцовках консолей. Все они работают только во время взлета и посадки. На крейсерском участке задействованы только двигатели на концах крыла. Такое размещение моторов позволяет снизить негативное влияние вихрей, возникающих в этих местах. С другой стороны, силовая установка получается сложной, а значит, ее дороже обслуживать и вероятность отказов тоже выше. В общем, ученым и конструкторам есть над чем подумать.

Выручит жидкий азот

«Электрический самолет предоставляет множество возможностей для оптимизации, – говорит Сергей Гальперин. – Можно экспериментировать, например, с комбинированием тянущего и толкающего винтов. Электродвигатели гораздо выигрышней по сравнению с ГТД в конвертопланах, так как безопасный поворот электромотора в горизонтальное положение не представляет такой сложной инженерной проблемы, как в случае с традиционными двигателями. В электросамолете можно обеспечить полную интеграцию всех систем, создать новую систему управления. Даже гибридные машины будут производить меньше шума и вредных выбросов».

Как и аккумуляторы, электромоторы по мере увеличения мощности наращивают массу, объем и тепловыделение. Требуются новые технологии, которые сделали бы их более мощными и легкими. Для отечественных разработчиков гибридных силовых установок настоящим прорывом стало сотрудничество с российской компанией «СуперОкс» – одним из пяти крупнейших в мире поставщиков материалов со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Сейчас «СуперОкс» разрабатывает электродвигатели со статором из сверхпроводящих материалов (охлаждаемых жидким азотом). Эти моторы с хорошими для авиации характеристиками станут основой гибридной силовой установки для регионального самолета, который, возможно, поднимется в небо в середине будущего десятилетия. В этом году на авиасалоне «МАКС» специалистами ЦИАМ был представлен демонстратор такой установки мощностью 10 кВт. Планируемый самолет будет оснащен гибридной силовой установкой с двумя двигателями мощностью 500 кВт каждый.

Источник

Ответы на популярные вопросы