В рамках Международного авиакосмического салона МАКС-2021 Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») показал несколько перспективных разработок, посвященных гибридным (ГСУ) и электрическим силовым установкам. Самой впечатляющей стала летающая лаборатория Як-40 с ГСУ на основе электродвигателя на высокотемпературных сверхпроводниках, которая во второй день работы авиасалона совершила демонстрационный полёт. На стенде института был представлен макет сверхмощной ГСУ, а на статической стоянке – полностью электрический двухместный самолёт «Сигма-4Э».
О тенденциях развития авиационных двигателей, о высокотемпературных сверхпроводниках и их преимуществах в интервью «Авиации России» рассказал генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин.
– Михаил Валерьевич, расскажите, пожалуйста, когда ЦИАМ начал заниматься тематикой ГСУ, какой научно-технический задел был использован или пришлось всё полностью разрабатывать с нуля?
– Заниматься этой тематикой ЦИАМ начал с конца 2008 года. Первоначально нами было разработано четыре БПЛА на водородных топливных элементах. Сначала – зарубежных, а семь лет назад, в июле 2014 года, мы впервые подняли в небо беспилотник на топливных элементах отечественного производства. Они были разработаны Институтом проблем химической физики РАН по техническому заданию ЦИАМ. В те же годы проводились первые расчётные исследования по перспективным проектам. В частности, была выполнена большая работа по оценке эффективности применения различных типов гибридных и электрических силовых установок для гражданских вертолётов.
В 2017 году стартовала первая целенаправленная работа по формированию научно-технического задела в области ГСУ, и ЦИАМ был выбран её головным исполнителем. В том же году в институте создали тематический отдел, специалисты которого сосредоточились на оценке эффективности технологий ГСУ для различных типов летательных аппаратов, разработке математических моделей отдельных элементов и совершенствовании экспериментальной базы для их исследований, разработке и создании первых экспериментальных образцов.
До начала работ нами был проведён комплексный анализ мирового опыта, проблемных мест и критических технологий. Такой анализ мы делаем регулярно, чтобы быть в курсе мировых тенденций. И параллельно мы провели тщательный отбор соисполнителей для последующих работ.
Полностью электрическая силовая установка сверхлёгкого пилотируемого самолёта «Сигма-4Э»
– Для многих выражение «высокотемпературные сверхпроводники» звучит впечатляюще и одновременно загадочно, непонятно, что это за технология и почему высокотемпературные. Не могли бы вы рассказать, почему сверхпроводимость легла в основу гибридной силовой установки? Почему нельзя было применить обыкновенный мощный электродвигатель?
– Сверхпроводник – это материал, в котором при охлаждении до криогенных температур практически полностью исчезает электрическое сопротивление. Низкотемпературные сверхпроводники работают при температурах жидкого гелия, т.е. меньше 4К (-269°С). Высокотемпературные сверхпроводники работают при больших температурах, вплоть до температуры кипения жидкого азота в нормальных условиях (77К или -196°С). Именно отсутствие электрического сопротивления позволяет сделать электрическую машину очень компактной и лёгкой, добиться КПД порядка 99%.
Мы сейчас работаем с жидким азотом, но при температуре кипения жидкого водорода (20К или -253°С) максимальный удельный ток сверхпроводника вырастет в разы и составит 5000 А/мм² и более. Столь высокий показатель удельного тока позволяет кратно увеличить мощность электродвигателя и генератора при сохранении прежних габаритов и массы. Так, генератор при охлаждении жидким азотом выдаёт мощность 800 кВт, а при переходе на жидкий водород будет выдавать 2,5 МВт. Аналогично, мощность электрического двигателя вырастет с 500 кВт до 1,5 МВт – практически втрое.
И водород, в отличие от азота, можно будет использовать не только для охлаждения электродвигателя и генератора, но и в качестве топлива. Это позволит увеличить экономичность двигателя и сократить объём выбросов СО2 до нулевых показателей.
Схема ГСУ на высокотемпературных сверхпроводниках
– Михаил Валерьевич, при всех плюсах гибридной силовой установки, нельзя не заметить и явные минусы – необходимость тяжёлых аккумуляторов, жидкий азот (или водород) для охлаждения электродвигателя. С аккумуляторами всё понятно: существующие сегодня технологии пока не позволяют изготовить ёмкие, компактные и лёгкие аккумуляторы, но жидкий азот – это агрессивная среда. Как обеспечивается безопасность экипажа, обслуживающего персонала и самолёта в целом от возможных протечек этого газа?
– В схеме ГСУ, представленной на Як-40ЛЛ, мы вынесли бак с азотом за пределы герметичного корпуса самолёта, чтобы сделать его обслуживание максимально безопасным. Что касается водорода, он имеет критически низкую молярную массу, из-за чего в случае утечки очень быстро улетучивается и не образует опасной концентрации. Если отойти немного в сторону от авиации, то на всех мощных электростанциях водород используется для охлаждения электрических генераторов – речь идёт уже о сотнях мегаватт. Главное – это соблюдение правил технической безопасности, оно актуально для любого типа топлива – авиакеросина, бензина, природного газа.
– Как работает ГСУ в полёте? Каков цикл работы турбовального двигателя – он включен постоянно или только периодически, чтобы подзарядить блок аккумуляторных батарей, которые уже запитывают электродвигатель?
– Гибридные силовые установки могут быть построены по параллельной и последовательной схемам. При параллельной схеме на валу теплового двигателя расположена обратимая электромашина, которая работает либо как мотор, создавая дополнительную мощность на валу при взлёте и наборе высоты, либо как генератор, отбирая мощность для зарядки аккумуляторов. При последовательной схеме питание одного или нескольких электромоторов осуществляется одновременно от блока аккумуляторных батарей и от электрического генератора, вращаемого тепловым двигателем. Оба источника выдают энергию в режимах взлёта и набора высоты, когда требуется большая мощность. На крейсерском режиме тепловой двигатель даёт энергию на электродвигатель и может дополнительно заряжать аккумуляторы. В случае отказа теплового двигателя заряда аккумуляторных батарей хватит для совершения экстренной посадки воздушного судна.
– Где в мире, кроме России, идут разработки подобных ГСУ? Насколько они продвинулись вперед?
– Программы, посвящённые гибридизации, есть в активе у всех ведущих разработчиков и производителей авиационной техники. Среди них – Airbus, Boeing, NASA, Rolls-Royce, Safran и другие. Стоит также отметить большое количество стартапов и особый интерес со стороны автопроизводителей.
Россия достигла однозначного первенства именно в применении сверхпроводимости. Его удалось добиться за счёт тесной кооперации между ведущими научными институтами и высокотехнологичными предприятиями-разработчиками. Координатором выступает НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского». Каждый из институтов, входящих в НИЦ, вносит свой вклад в создание перспективного электрического самолёта в рамках своих основных компетенций: ЦИАМ – головной исполнитель проекта по разработке демонстратора ГСУ, ЦАГИ отвечает за облики летательного аппарата, ГосНИИАС – за бортовые системы, СибНИА – за испытания демонстраторов в составе летающих лабораторий.
Компания «СуперОкс» разработала обмотку из сверхпроводников для электродвигателя. Коллеги из УГАТУ совместно с ЦИАМ создали компактный и мощный генератор на 400 кВт.
Финансирование проектов осуществлялось Фондом перспективных исследований и Минпромторгом России.
– ЦИАМ участвует в разработке полностью сверхпроводящей ГСУ мощностью 2500 кВт, где в качестве топлива и хладоагента будет применён жидкий водород. На каком этапе работ вы сейчас находитесь? Когда планируется создать работающий демонстратор этой силовой установки?
– В проекте создания сверхмощной ГСУ на основе модернизированного турбовального двигателя ВК-2500 нами уже выполнен ряд наработок, а начало работ запланировано на 2022 год. Пойдём по уже отработанной схеме: создание наземного демонстратора, который пройдёт через комплекс испытаний на стендах, затем установка на летающую лабораторию для прохождения наземных экспериментов и последующая подготовка к выполнению первых полётов. С учётом сложности инженерных задач весь проект рассчитан на период до пяти лет.
– В электрическом контуре этой ГСУ будут применены топливные элементы. Какова их роль и почему в них нет необходимости в демонстраторе на Як-40ЛЛ?
– В схеме ГСУ с жидким водородом будут применены два источника энергии – топливные элементы и электрический генератор, вращаемый турбовальным газотурбинным двигателем. Топливный элемент имеет высокий КПД практически во всем диапазоне режимов работы, но его удельная масса в разы больше, чем у газотурбинного двигателя. По этой причине он не годится в качестве основного источника энергии и будет использоваться только в тех режимах, когда требуется дополнительная мощность.
В демонстраторе технологий на жидком азоте топливного элемента нет, так как у проекта иные задачи, которые не предполагали его создания и применения.
– В качестве двигателя в этой ГСУ будет применен турбовальный ВК-2500. Насколько трудоёмкая работа с точки зрения конструктора при перепроектировании двигателя с керосина на жидкий водород, какие узлы требуют пересмотра? Будет ли в этой ОКР использоваться задел, полученный ещё в СССР в ходе работ по двигателю НК-88 для Ту-155?
– Безусловно, нами будет использован научно-технический задел по советским проектам использования жидкого водорода в качестве авиатоплива. ЦИАМ принимал в них самое непосредственное участие. Замечу, что этот проект был первым и пока остаётся единственным в своем роде. В 1988 году при научно-технической поддержке ЦИАМ был создан двигатель НК-88, работающий на жидком водороде, совершён комплекс полётов летающей лаборатории Ту-155 с этим двигателем. Этот опыт пока никто в мире не смог повторить.
Экспериментальный самолёт Ту-155 с двигателем НК-88 (правый) в экспозиции МАКС-2019
Что касается конструкторских работ, изменения будут внесены в систему автоматического управления двигателя, топливную систему и камеру сгорания. Работа предстоит сложная, но понимание, как её выполнить, есть.
– Сейчас на Як-40ЛЛ установлен электромотор мощностью 500 кВт, мощность ГСУ на жидком водороде будет 2500 кВт. Ведутся ли у нас в России хотя бы предварительные проработки самолётов, которые в будущем могли бы получить подобные гибридные силовые установки? Будут ли у этих ЛА какие-либо принципиальные отличия от существующих сегодня винтомоторных самолётов?
– Освоение технологий ГСУ открывает возможности для создания новых обликов летательных аппаратов. Речь может идти как о классических схемах самолётов, так и о принципиально новой архитектуре летательных аппаратов – мультироторного типа, конвертопланах с вертикальным или ультракоротким взлётом и посадкой и др. Это ещё одна из причин, почему разработка таких силовых установок стала тенденцией развития авиации не только в России, но и во всем мире.
В настоящее время ЦИАМ в кооперации с организациями, входящими в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», реализует научно-исследовательскую работу по формированию обликов и оценке эффективности региональных и ближнемагистральных самолётов с ГСУ, в том числе и на водороде.
Як-40ЛЛ — наземные испытания демонстратора гибридной СУ. Новосибирск, февраль 2021 г.
– Расскажите, пожалуйста, о программе лётных испытаний экспериментального Як-40 с демонстратором ГСУ. Где они будут проходить и сколько продлятся, что Вы от них ожидаете? Какие цели и задачи стоят перед ЦИАМ?
– Основной комплекс лётных испытаний проводится в Новосибирске в СибНИА им. С.А. Чаплыгина. Этим летом часть взлётно-посадочной полосы была на ремонте, поэтому мы приняли решение совершить перелёт в ЛИИ им. Громова для продолжения части испытаний и участия в МАКС. Сейчас Як-40ЛЛ уже вернулся в Новосибирск и готовится к очередным лётным испытаниям. Они будут включать отработку режимов работы силовой установки на различных высотах и скоростях полёта. Этот этап продлится до начала следующего года.
– А как велась подготовка к первому полёту, какие доработки были выполнены после наземных испытаний в Новосибирске зимой этого года? Когда и как был доставлен Як-40ЛЛ в Жуковский?
– Одной из самых заметных «предполётных» доработок стала замена винта самолёта. Ранее использовался временный 6-лопастной винт с фиксированным шагом. Его установка была предусмотрена только программой наземных испытаний, так как полёты на таком винте невозможны. В настоящий момент на летающую лабораторию установлен 3-лопастной винт изменяемого шага с возможностью флюгирования. Новый винт ГСУ можно было увидеть в действии во время демонстрационного полета на МАКС-2021.
Летающая лаборатория Як-40ЛЛ совершила самостоятельный перелёт из Новосибирска в Жуковский и обратно на двух своих турбореактивных двигателях.
Демонстрационный полёт Як-40ЛЛ с ГСУ на МАКС-2021
– Что последует в дальнейшем по окончании лётных испытаний? Когда вы планируете перейти от демонстратора гибридной СУ к готовому законченному изделию?
– В настоящий момент разработка находится на стадии научно-исследовательской работы, коммерческий интерес непосредственно со стороны эксплуатантов появится позже. Производство ГСУ с последующей установкой на самолёты – это будущая задача для отечественных конструкторских бюро.
– Можно ли говорить, что с появлением серийных «электросамолётов» с ГСУ винтовую авиацию ожидает ренессанс? Когда, по вашим оценкам, это может произойти?
– Да, это так. На первом этапе мы рассчитываем на то, что технологии ГСУ будут использоваться в малой авиации, самолётах местных воздушных линий, а затем настанет очередь региональных воздушных судов. В более далёкой перспективе возможности использования ГСУ смогут быть реализованы для магистральных самолётов. Будут ли использоваться в этом случае винты, вентиляторы или реактивная тяга – вопрос пока открытый и является темой наших совместных исследований с ЦАГИ.
– Михаил Валерьевич, спасибо за интересное и обстоятельное интервью!
