Р
аботы над сверхпроводящим авиадвигателем велись в рамках программы Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), координируемой немецкой компанией Oswald Elektromotoren при поддержке европейской программы Horizon 2020, сообщает Aviation Week.
Конфигурация ASuMED представляет собой синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет магнитного поля, генерируемого в высокотемпературных сверхпроводящих роторе и статоре, работающих при температуре минус 250 °C.
Движение на сверхпроводимости
Сверхпроводимостью называется обращение в ноль электрического сопротивления при достижении проводником некоторой (критической) температуры. Низкотемпературная сверхпроводимость связана с прекращением теплового движения атомов вещества и образованием куперовских квазичастиц (связанных пар электронов). Высокотемпературные сверхпроводники имеют отличающиеся от низкотемпературных свойства, прежде всего квазидвумерность и многозонность, которые приводят к появлению сверхпроводимости, как правило, при температурах до минус 243 °C. Двумерность обусловлена слоистой структурой сверхпроводника, а многозонность — различием в организации кристаллических решеток слоев и их взаимодействием.
Использование высокотемпературных сверхпроводников в электродвигателях позволяет значительно снизить вес и размеры машин и силовых установок на их основе.
Народный банк Китая принял решение использовать двухуровневую структуру, чтобы «в полной мере использовать ресурсы, таланты, технологические наработки различных коммерческих организаций и стимулировать их инновационную активность»
ВТСП-провода позволяют создавать моторы и генераторы с уникальными характеристиками. Благодаря высокой плотности тока обмотки из ВТСП-ленты создают гораздо большее магнитное поле, чем обмотки из обычных проводов, и в сверхпроводниковых вращающихся машинах достигается более высокая плотность энергии. Кроме того, для вращающихся машин на основе ВТСП характерен очень высокий КПД даже при низких скоростях вращения. ВТСП-системы электродвижения, включающие в себя двигатели, генераторы, кабельные системы, накопители энергии и системы защиты, позволят кратно повысить топливную эффективность, снизить шум и заметность, улучшить динамику.
ВТСП-электродвигатели могут найти применение в электрических или гибридных силовых установках самолетов местных воздушных линий, перспективных винтокрылых летательных аппаратах и аэротакси с вертикальным взлетом и посадкой.
Двигатель Oswald Elektromotoren имеет мощность 1 мегаватт с плотностью мощности 20 киловатт на килограмм. Такой силовой агрегат рассчитан на работу с общей эффективностью более 99,9% при тепловых потерях менее 1%.
В перспективе Oswald Elektromotoren планирует повысить мощность силового двигателя с 1 до 10 мегаватт и более. В компании уверяют, что конечная конфигурация силового агрегата будет определяться требованиями заказчика. Программа ASuMED, стартовавшая в 2007 году, должна завершиться в феврале-марте 2020 года созданием полностью готового демонстратора.
Среди трудностей, с которыми столкнулись немецкие инженеры, — разработка устройства системы охлаждения для статора и ротора, а также контроль намагниченности сверхпроводящих элементов. В качестве источника низких температур криостата для статора выбран водород, для ротора — гелий.
Сергей Самойленков, генеральный директор компании — национального чемпиона «СуперОкс»
«СуперОкс»
«Сложность охлаждения ВТСП-статора состоит в том, что материалы криостата будут находиться в зоне действия высоких переменных магнитных полей, которые вызывают интенсивный нагрев металлических материалов, увеличивая тепловую нагрузку на криогенный контур и понижая эффективность всей системы», — рассказал «Стимулу» Сергей Самойленков
, генеральный директор компании — национального чемпиона «СуперОкс», которая также занимается разработкой ВТСП-электродвигателя. В «СуперОкс» разработана технология криостата для статора электродвигателя, не содержащего металлических деталей в активной части электродвигателя.
По словам руководителя компании, охлаждение ротора требует разработки вращающегося ввода хладагента с вакуумным уплотнением, что значительно усложняет и утяжеляет конструкцию ротора. «СуперОкс» выбрала иной технологический подход, не требующий вращающегося криостата. Вдобавок это позволяет сделать вал ротора полым и обеспечить через него управление винтом переменного шага — важное дополнение для авиации.
ВТСП-технологии — будущее авиации
«Одна из главных причин резко возросшего спроса на электрические энергетические установки — экология, — поясняет Сергей Самойленков. — Это второе по значимости требование к гражданской авиации после безопасности. Ежегодный рост мирового авиапарка превышает шесть процентов, в связи с чем перед мировым парком коммерческой авиации стоит задача значительно снизить объем выбросов в атмосферу. Решение этой актуальной проблемы невозможно без улучшения топливной эффективности, внедрения новейших технологий».
Охлаждение ротора требует разработки вращающегося ввода хладагента с вакуумным уплотнением, что значительно усложняет и утяжеляет конструкцию ротора. «СуперОкс» выбрала иной технологический подход, не требующий вращающегося криостата
По словам Самойленкова, использование ВТСП-технологии позволяет создать новые типы гибридных силовых установок, которые обеспечивают значительное увеличение удельной мощности систем электродвижения. Силовые установки на базе ВТСП более эффективны, безопасны и обеспечивают значительную экономию по сравнению с традиционными системами.
Крупнейшие мировые исследовательские институты и авиационные компании работают над перспективной задачей создания подобных систем. Например, Airbus выполняет исследования в области разработки электрического самолета, руководствуясь дорожной картой Европейской Комиссии Flightpath 2050 — Europe’s Vision for Aviation. Исследования касаются инженерных решений системного характера и призваны ответить на вопрос, когда можно создать эффективный самолет с электрической силовой установкой и какие для этого потребуются технологии. Один из ключевых элементов — электродвигатели высокой удельной мощности. Над созданием таких двигателей работают в нескольких странах.
Помечтаем: Будущее авиации
Начался новый год. И, пожалуй, любому человеку свойственно желание заглянуть хоть чуть-чуть в будущее. Не прибегая к гадалкам, хиромантам, и всякой эзотерике. Все-таки авиация область, относящаяся к технике, а значит, может поддаваться прогнозам развития, хотя бы на ближайшее время.
И хотя мы не Жюль Верны, и не Герберты Уэллсы, узнавая новые направления в развитии авиации вообще, можно немного пофантазировать и помечтать.
Одноразовый беспилотник, размером с ладонь, выполнивший свое задание, неважно какое, совершает посадку на…водосточную решетку люка. Он превращается в маленькую лужицу, и стекает в люк. Фантастика скажете вы? А вот группа студентов из Брауновского и Стенфордского университетов, совместно с учеными NASA так не считают. И в прошлом году запустили в воздух БЛА выращенный с помощью грибов и бактерий. Корпус ЛА выращен из грибного мицелия и покрыт целлюлозной пленкой, и защищен белками, делающими осиные гнезда водонепроницаемыми. Корпус такого БЛА растворяется в воде при определенных условиях.
Про ультралегкий самолет размером меньше ладони, вы, наверное, уже читали. И это не предел миниатюризации. Летающие стрекозы, жуки и более мелкие рукотворные летающие существа могут скоро заполнить небо. Это еще одно направление развития авиации.
Электролеты. Они уверенно прокладывают себе дорогу в будущее. С развитием нанотехнологий, появляются все более легкие и миниатюрные и более мощные источники питания. Они позволяют все дольше держаться в воздухе и использовать мощные электродвигатели.
Facebook предполагает использовать беспилотники, работающие от солнечных батарей в качестве Wi-Fi ретрансляторов. Они заполнят небо и охватят 2\3 населения Земли бесплатным доступом к интернету. Разве это не фантастика? Сейчас эти БПЛА — ретрансляторы уже проходят испытания. Если испытания пройдут успешно — через 5 лет, на Земле, не будет мест без Сети.
А весной-летом стартует более крупный собрат Wi-Fi ретранслятора. Проект называется SOLAR IMPULS 2. Это первый в истории полностью электрический самолет на солнечных батареях. Мало того, на нем собираются совершить кругосветный перелет. Самолет одноместный, с четырьмя электродвигателями. И хотя размах крыльев у него больше чем у гиганта Boeing 747, весит он меньше джипа, всего 2300кг. Ведь это и есть самолет с солнечными крыльями!
У военной авиации свои тенденции. БПЛА выделилось в отдельную структуру и развивается самостоятельно. Но без человеческого присутствия пока и здесь не обходятся. В обычной авиации отказываться от пилотов не торопятся, а стремятся ввысь. В воздухе витает идея баллистического ракетоплана со скоростями свыше 20000 км\час. Обычные крылатые машины достигли своего потолка. Свыше 40 км, из современных самолетов никто не может забраться, крылья уже не держат. На смену им придут ракетно-космические системы. Но это будет уже совсем другая военная авиация.
Ну а про успехи и неудачи развития космического туризма на многоразовых челноках все уже, наверное, слышали. Близок тот день, когда практически любой сможет сделать селфи на фоне черноты космоса. И хотя это уже не совсем авиация, те не менее, взлетать то будут по-самолетному.
Новые технологии, новые разработки, намечающиеся тенденции в развитии мировой авиации, позволяют нам немножко заглянуть в будущее.
Давайте будем хоть иногда мечтать.
Валерий Смирнов специально для
Россия — среди лидеров
В России технология высокотемпературных сверхпроводников тоже активно развивается. «Стратегия развития авиационной промышленности на период до 2030 года» ставит задачу создания электрического самолета. Технология электродвижения вошла в «Перечень приоритетных технологических направлений развития оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации».
Разработка ВТСП-электродвигателя 500 кВт с ВТСП-лентой второго поколения в статоре началась в конце 2020 года. В двигателе, разработанном в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) совместно с ЗАО «СуперОкс», применяется ВТСП-лента второго поколения производства российской .
Электродвигатель с обмотками на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на Международной выставке «Гидроавиасалон-2018» в г. Геленджике
«СуперОкс»
По словам Сергея Самойленкова, сейчас в «СуперОкс» и ЦИАМ проводятся испытания нескольких образцов ВТСП-электродвигателей мощностью до 500 кВт в различных режимах работы. На 2020–2021 годы запланированы испытания ВТСП-электродвигателя на летающей лаборатории. Осуществив эти планы, Россия станет первой страной в мире, испытавшей такой летательный аппарат в рабочих условиях. Проект будет представлен на международном авиакосмическом салоне МАКС, который откроется 27 августа в подмосковном Жуковском.
Как считают в «СуперОкс», гражданская авиация — самый перспективный рынок для ВТСП-электродвигателей.
Прогноз объема рынка самолетов до 2035 года — более пяти триллионов долларов. Причем самая высокая потребность приходится не на те лайнеры, которые сейчас в основном используются: Airbus A320, Boeing 737, — а на меньшие по вместимости узкофюзеляжные самолеты, потому что более популярным и востребованным становится региональное передвижение. Но чем меньше расстояния, тем менее эффективны самолеты.
Использование ВТСП-технологии позволяет создать новые типы гибридных силовых установок, которые обеспечивают значительное увеличение удельной мощности систем электродвижения
Еще в 2007 году эксперты NASA опубликовали результаты пятилетнего исследования, где признали ВТСП перспективной системой для создания лайнеров на электротяге. Расчеты, проведенные НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского», с которым сотрудничает , показывают, что сделать такие самолеты эффективными позволяет использование гибридной силовой установки, включающей в себя источник первичной энергии, генератор и электродвигатели, которые оказываются намного более эффективными при использовании технологий ВТСП.
В частности, это позволяет улучшить компоновку самолета: расположить источник первичной энергии — самую тяжелую составляющую двигательной установки — в хвосте, где сейчас расположена вспомогательная силовая установка. Она будет работать на генератор, генератор будет вырабатывать электричество. Электричество будет раздаваться по кабельной системе, в том числе на электродвигатели, использующие для обмоток технологии ВТСП.
«Потребление топлива в гибридной системе, по самой скромной оценке, будет на 15 процентов, — отмечает Сергей Самойленков. — А самая перспективная оценка — на 75 процентов меньше. Сейчас авиаперевозчики страдают от низкой маржинальности перевозок, у некоторых авиакомпаний вообще нет прибыли. Расходы на топливо составляют примерно 30 процентов всей стоимости перевозки. То есть, условно говоря, если экономится 50 процентов топлива, то маржинальность увеличится с исчезающе малой величины до 15 процентов».
Как выглядят самолеты будущего: гиперзвуковая скорость и солнечная энергия
Люди всегда стремились покорять небо, и казалось, что ни одному человеку не дано летать подобно птице — стоит только вспомнить миф об Икаре. С момента появления первых планеров братьев Райт в начале ХХ века авиаконструкторы не раз переступали технологические ограничения и совершали революции. Сегодня мы уже не считаем фантастикой массовое использование беспилотных воздушных судов или самолетов на жидком водороде. Но новые технологии необходимо подкрепить безоговорочными гарантиями безопасности и надежности, и компании всего мира прилагают большие усилия для того, чтобы заручиться поддержкой своих пассажиров.
Управление как в видеоигре
Технология для гражданских самолетов Active Stick, разработанная в 2020 году компанией BAE Systems, применяется на реактивном самолете бизнес-класса Gulfstream G500, где она обеспечивает тактильную обратную связь пилота с системами лайнера. Active Stick дает ему возможность буквально физически ощущать свою машину вместо того, чтобы полагаться только на показания приборов.
BAE Systems — оборонная компания Великобритании. Входит в топ-10 мировых компаний по производству вооружений.
Gulfstream G550 — реактивный двухмоторный самолет бизнес-класса, выпускающийся корпорацией Gulfstream Aerospace.
Изображение: Gulfstream
Fly-by-Wire (FBW) — система, заменившая прежний ручной (механический) контур управления самолетом электронным — одно из чудес современной аэрокосмической техники. Самолеты предыдущего поколения управлялись с помощью гигантского количества тросов, кабелей, шкивов и гидравлики, что значительно утяжеляло летательные аппараты. Однако, по мнению экспертов, использование компьютерного джойстика снижает реальное восприятие полета до уровня видеоигры.
Электродистанционная система управления (ЭДСУ, Fly-by-Wire) — система управления летательным аппаратом, обеспечивающая передачу управляющих сигналов от органов управления в кабине экипажа (например, от ручки управления самолетом, педалей руля направления) к исполнительным приводам аэродинамических поверхностей (рулей и взлетно-посадочной механизации крыла) в виде электрических сигналов. Впервые была использована в американских бомбардировщиках Vigilante в 1961 году.
Boeing, как и BAE Systems, экспериментирует с автоматизированным подходом к управлению. Компания представила новую функцию компьютерного управления в моделях Boeing 737 MAX 8 и MAX 9. Она позволяет избежать сваливания, которое может возникнуть, если нос самолета слишком сильно поднят. Однако специалисты предупреждают, что во время нештатных ситуаций этот инструмент может неправильно сработать и просто отправить самолет в пике даже при ручном управлении. В пособиях к новым самолетам не говорилось о том, что во время нештатных ситуаций управление Boeing может измениться, и представители авиакомпаний находятся в некотором замешательстве из-за отсутствия комментариев самой компании. Более того, некоторые эксперты опасаются, что именно эта новая функция привела к катастрофе в Яванском море.
29 октября 2020 года самолет Boeing 737 MAX 8 авиакомпании Lion Air через 13 минут после взлета упал в Яванское море. В результате авиакатастрофы погибли 189 человек.
В связи с появлением огромного количества новых технологий в сфере авиастроения неизбежно возникает вопрос о безопасности использования искусственного интеллекта и автономных решений компьютера. Для обеспечения безопасности воздушного пространства SkyGrid создает блокчейн-систему, в которой будут храниться все данные о полетах беспилотных летательных аппаратов. Анализировать большие объемы данных будет искусственный интеллект. Нейросеть также сможет передавать всю информацию о полетах в государственные авиационные диспетчерские системы.
Сверхбыстрые и беспилотные самолеты
В июне этого года корпорация Boeing представила на конференции в Атланте проект гиперзвукового самолета, который за два часа долетит из Нью-Йорка до Лондона и за три часа — из Нью-Йорка до Токио. Скорость самолета Boeing должна быть в пять раз выше скорости звука: она будет превышать 6 тыс. км/час. Для сравнения, максимальная скорость сверхзвукового пассажирского самолета Concorde превышала скорость звука в два раза. На создание гиперзвукового самолета по подсчетам Boeing уйдет не менее 20–30 лет.
Изображение: Boeing
«Конкорд» — британо-французский сверхзвуковой пассажирский самолет (СПС), один из двух (вместе с Ту-144) типов сверхзвуковых самолетов, находившихся в коммерческой эксплуатации.
«Конкорд» был создан в результате слияния в 1962 году. Всего было изготовлено 20 самолетов. Первый полет прототипа состоялся в 1969 году, а ввод в коммерческую эксплуатацию произошел в 1976 году. За 27 лет регулярных и чартерных рейсов было перевезено более 3 млн пассажиров.
25 июля 2000 года один самолет потерпел катастрофу при вылете из парижского аэропорта Шарль де Голль, погибло 113 человек. Эта катастрофа приостановила полеты «Конкордов» на полтора года. В последующие годы велись работы по модификации парка самолетов. Но после возобновления полетов последовала череда инцидентов, наиболее заметными из которых стали отказ одной из секций руля направления и утечка топлива, повлекшая отключение двигателя.
10 апреля 2003 года British Airways и Air France объявили о решении прекратить коммерческую эксплуатацию своего парка «Конкордов».
В России Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) анонсировал разработку проекта гиперзвукового пассажирского самолета с двигателями на жидком водороде. Генеральный директор ЦАГИ Кирилл Сыпало сообщил, что появление отечественных водородных самолетов намечено на 2030–2031 годы. Планируется, что гиперзвуковые самолеты будут осуществлять пассажирские перевозки по России.
Изображение: ЦАГИ
Через три года Airbus, Rolls-Royce и Siemens проведут первые летные тесты гибридного самолета E-Fan X. В основу конструкции ляжет пассажирский самолет BAE 146. Инженеры заменят один из четырех турбовентиляторных газовых двигателей BAE 146 на гибридный двигатель. Его работу обеспечат аккумуляторы и бортовой генератор на авиационном топливе.
Aurora Flight Sciences, дочерняя компания авиаразработчика Boeing, уже в 2020 году выпустит первый беспилотный самолет на солнечных батареях. Беспилотный научный самолет Odysseus предназначен для непрерывного полета и проведения климатических и атмосферных исследований. Создатели утверждают, что Odysseus сможет летать несколько месяцев подряд и производить нулевые выбросы углекислого газа. В основном Boeing будет использовать беспилотник для мониторинга погоды, однако спектр возможного применения намного шире — связь, разведка, наука. Специалисты Boeing отмечают, что могут перепрограммировать Odysseus в зависимости от задач.
Норвегия движется в том же направлении — организации экологически безопасных полетов. Фальк-Петерсен, глава государственной норвежской компании Avinor, сообщил, что для начала авиакомпании будут тестировать «переходные технологии» — биотопливо и гибридные двигатели. Avinor также планирует организовать тендер на запуск коммерческого рейса с использованием небольшого электросамолета, рассчитанного на 19 пассажиров. Первые полеты воздушного судна должны состояться уже в 2025 году. С 2040 года все воздушные суда для ближних перевозок в Норвегии перейдут на электротягу.
Avinor AS — государственная компания с ограниченной ответственностью, которая управляет большинством гражданских аэропортов в Норвегии. Норвежское государство через Министерство транспорта и коммуникаций контролирует 100% уставного капитала.
Первым серийным электрическим летательным аппаратом, появившимся в продаже, стал одноместный планер Alisport Silent Club в 1997 году. Приводился в движение двигателем мощностью 13 кВт.
С мая 2020 года словенский производитель Pipistrel выпускает модель Alpha Electro — двухместный полностью электрический самолет, предназначенный для обучения.
Lockheed Martin уже сообщила о завершении «чертежного» этапа разработки самолета X-59 Quiet Supersonic Technology (QueSST) и начале его непосредственного изготовления. Первый испытательный полет запланирован на 2021 год.
Многолетнее сотрудничество Lockheed Martin и НАСА подсказало цель создания X-plane QueSST — тестирование технологий, которые в дальнейшем позволят получить малошумный коммерческий сверхзвуковой самолет, не создающий проблем для жителей городов.
X-59 QueSST будет совершать полеты на высоте 17 тыс. м со скоростью 1 512 км/час, при этом шум в момент преодоления звукового барьера не будет превышать 75 дБ, что соответствует громкости хлопка при закрытии двери автомобиля.
В России уже проходят летные сертификационные испытания два новых пассажирских самолета МС-21-300. Во время испытаний они подвергнутся многократным нагрузкам, имитирующим не менее 180 тыс. полетов. Уникальность этого лайнера заключается в крыле из полимерных композитов, впервые в мире созданном для самолетов вместимостью свыше 130 пассажиров. Благодаря такой конструкции операционные расходы при эксплуатации МС-21 будут на 12–15% меньше, чем у аналогов. Доля композитов в конструкции МС-21 составляет свыше 30% и является уникальной для этого класса воздушных судов.
В 2020 году российские разработчики представили новый турбинный двигатель ТВ7-117СТ-01. Его характеристики в целом повышают эффективность всей практически полностью автоматизированной системы. Его уже установили на пассажирском самолете Ил-114-300, который будет предназначен для эксплуатации на местных воздушных линиях. Двигатель увеличит, по сравнению с Ил-114, дальность полета с полной допустимой загруженностью до 1 900 км.
Летающие автомобили и рюкзак за плечами
Техдиректор Rolls-Royce Пол Штайн назвал три категории самолетов, которые первыми перейдут на электротягу. К первой категории относятся авиатакси — небольшие летательные аппараты, рассчитанные на одного-четырех пассажиров, с запасом хода не более 120 км. «Для таких судов аккумуляторы уже практически готовы», — заявил Штайн. Вероятно, именно этим объясняется возросшая популярность идеи создания и введения в эксплуатацию летающих автомобилей, а именно так сейчас принято называть небольшие воздушные такси. Guardian приводит в качестве примеров принадлежащий китайской Geely стартап Terrafugia, а также словенскую компанию Pipistrel. Свою версию авиатакси разрабатывает и Airbus совместно со специалистами Audi и дочерней компанией Italdesign.
27 ноября этого года концепт воздушного такси Pop.Up Next был представлен в Амстердаме на ежегодной неделе дронов, где успешно продемонстрировал все заложенные в него функции.
Концепт имеет важную особенность — он модульный, благодаря чему сможет перевозить пассажиров как по земле, так и по воздуху. Pop.Up Next состоит из трех отдельных модулей. Электрическое шасси мощностью 60 кВт (80 л. с.) крепится к пассажирской капсуле, тем самым формируя электромобиль. При этом пассажиры с помощью специального приложения смогут в любой момент (например, безнадежно застряв в пробке) вызвать летающий модуль и, соединившись с ним, уже по воздуху прибыть в пункт назначения.
Отдельное направление развития гражданской авиации — это JetMan — реактивные рюкзаки, которые позволят человеку летать в будущем. Управление летательным аппаратом происходит только за счет смещения центра тяжести. Ранец может развить скорость до 300 км/час, максимальная дальность полета — десять минут.
Тренд на мобильность авиасудов, способных передвигаться даже в пределах мегаполиса, беспилотные технологии и гиперзвуковые скорости уже сегодня отражает завтрашнее положение гражданской авиации. Передвижения в трех измерениях — будущее транспорта, которое уже, по прогнозам гендиректора Uber Дары Хосровшахи, находится в пределах 20–30 лет. Но, возможно, все эти изобретения излишни, если скоро для преодоления расстояния в тысячу километров нам нужен будет только ранец за спиной.
