Запасы углеводородов на нашей планете подходят к концу, максимум ещё 100 лет и они будут исчерпаны. Самолёты с газотурбинными двигателями, использующие энергию углеводородного топлива, будут трудиться ещё несколько десятилетий, но уже сейчас можно сказать, что наступает эра электрических самолётов. На данный момент находятся в разработке несколько проектов воздушных судов, использующих электрическую энергию для их движителей.
История создания электросамолётов
Идея полностью электрического самолёта, конечно, заманчивая, но в ближайшей перспективе трудноисполнимая. Дело в том, что современные ионно-литиевые батареи по энергетической плотности уступают углеводородному топливу на порядок и выход из этого положения видится в использовании на первых порах гибридных двигателей, где газотурбинный мотор приводит в движение электрогенератор, вырабатывающий энергию для винтового или вентиляторного движителя.
Первый в истории авиации самолёт с электрическим двигателем Mauro Solar Riser
Но идея полностью электрического самолёта не оставляет изобретателей, впервые в воздух в 1979 году поднялся электросамолёт Mauro Solar Riser c «бошевским» электромотором мощностью всего 3.5 л.с, который питался от никеле-кадмиевой батареи, взятой с вертолёта. Через два месяца англичане опробовали в воздухе свой Solar-Powered Aircraft Developments, затем в воздушном океане электросамолёты испытали французы и немцы.
Многие известные фирмы начали создавать свои проекты электросамолётов, технологии изготовления с каждым годом улучшались, увеличивалась грузоподъёмность, повышались показатели скорости и дальности полёта. Всего шесть лет назад китайцы создали полноценный электроcамолёт Yuneec International E430. Это был двухместный аппарат весом 430 кг. с 54-сильным мотором, батарея которого заряжалась от обычной розетки. Он был запущен в серию с 2012 года.
Китайцы организовали серийное производство своих электросамолётов
Но больше всего в создании электросамолётов продвинулась компания Airbus, разработавшая и воплотившая в жизнь проект летательного электрического аппарата Airbus E-FAN с электромотором, питающимся от двадцати полимерно-литиевых аккумуляторов общей ёмкостью 40 ампер-часов. Электросамолёт развивает скорость 220 км/час и может находиться в воздухе около часа. Стоит, однако, заметить, что все эти аппараты одно или двухместные самолёты и в ближайшем будущем пока не предвидится создание мощных и лёгких аккумуляторов, чтобы сконструировать многоместный пассажирский самолёт на электрической тяге.
Airbus дальше всех продвинулась в разработке самолётов с электродвигателями
Российские разработки гибридных движителей
Созданием гибридных двигателей в России занимается коллектив сотрудников проектного комплекса «Гражданские самолёты» научно-исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского» под руководством С.Б. Гальперина. Учёные предполагают, что лишь в 2030 году ионно-литиевые батареи улучшат показатели в два раза, а гибридные двигатели возможно создавать уже сейчас и это самый перспективный вариант на данный момент.
Есть, конечно, идея создания помимо гибридных двигателей, моторов на водородном топливе, но эта концепция нуждается в дополнительных исследованиях и значительной доработке.
Энергетические потребности у самолёта на каждом этапе полёта разные, на взлёте ему нужен максимальный режим работы двигателя, на крейсерском участке другой он меньше по энергопотреблению в 5-6 раз, на посадке – это совершенно другой расход энергии. Таким образом, обычный ГТД должен работать на разных режимах и не всегда оптимальных, с точки зрения экономики.
Гибридный самолёт будущего
Гибридный двигатель подразумевает использование ГТД и электрогенератора, питающего электромотор движителя. В гибридной схеме газотурбинный двигатель работает в постоянном наиболее экономичном режиме, подобно газовым турбинам электростанций, работающих в таком режиме годами. Его задача вырабатывать энергию для электродвигателя и подзарядки аккумуляторных батарей.
Аккумуляторы будут нужны на взлёте в течение нескольких минут и расход энергии не будет таким большим, поэтому вес и размер батарей будет вполне приемлемый. В этом случае ГТД нужен менее мощный и простой по конструкции, но более экономичный и экологичный, а значит более дешёвый и с большим ресурсом.
Совместно с российской компанией «СуперОкс» разработан электромотор со статором из материалов с большой степенью сверхпроводимости, охлаждаемых жидким азотом. Ведь электродвижки большой мощности требуют большого веса, объёма и тепловыделения. Такой мотор с нужными авиационными характеристиками станет гибридной силовой установкой для российских самолётов регионального назначения и его поднимут в воздух уже, возможно, в будущем десятилетии.
В 2020 году предполагаются испытания такой силовой установки на переоборудованном Як-40. 500-киловаттный высокотемпературный со сверхпроводимостью электродвигатель будет размещён в носу самолёта вместо РЛС, в хвостовой части на месте центрального двигателя Як-40 будет размещён турбогенератор. Пара оставшихся моторов самолёта вполне обеспечат испытания на высотах до 8 тыс. метров и скорости 500 км/час и безопасную посадку при возможном отказе гибридного двигателя. Летающую лабораторию Як-40 оборудуют уже в конце 2019 года.
Заключение
Совершенно очевидно, что в настоящее время самым разумным будет продвижение гибридной версии таких летательных аппаратов, поскольку вполне реален экономический эффект и безопасность от сочетания ГТД и электромоторов в таких самолётах. Самый объективный судья — это время которое и расставит всё по местам, но уже сейчас ясно, что электрический самолёт – это экологически чистый и гораздо экономичный воздушный транспорт.