Новые возможности самолётов на электрической тяге

потребляют электроэнергию для поддержания непрерывного движения инертного материала слоя.

Только существенные меры государственного стимулирования производства жидкого моторного топлива из древесной биомассы могут дать этому направлению какие-то шансы на развитие в промышленных масштабах. Целесообразность подобных мер в условиях России вызывает самые серьезные сомнения.

Очевидно, что никогда не удастся провести процесс быстрого пиролиза по процессу «А» без

малейших потерь и образования побочных продуктов, так чтобы пиротопливо можно было продать хотя бы по цене мазута, не говоря уж о цене моторного топлива - бензина или дизтоплива, требования к которым постоянно ужесточаются. Но и в таком идеальном случае как показано выше, производство жидкого биотоплива из древесины не может быть рентабельно в современных экономических условиях России и в обозримой перспективе.

ЛИТЕРАТУРА

1. World Energy Outlook 2013.

2. Прохоров, В.Ю. Биотопливо в лесных машинах / В.Ю. Прохоров, Д. В. Акинин // Вестник МГУЛ -Лесной вестник. - 2010. - № 5 (74). С. 106-110.

3. Гайсина А. Р. Разработка методов оценки физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. Уфа: УГНТУ, 2009, 24 с.

4. Левин А.Б.Энергетическое использование древесной биомассы: учебник / Ф. Б. Левин, Ю.П. Семенов, В.Г. Малинин, А.В. Хроменко; под ред. А.Б. Левина. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 199 с.

5. Воскобойников И. В., Кондратюк В.А., Иванова М.А., Герман Л.С., Щелоков В.М. Теоретическое обоснование предельно возможного выходов моторных углеводородных топлив из биомассы древесины. // Лесной вестник, 2012. - №8 (91). - С.64-70

6. Тепловые и атомные электростанции: Справочник/ Под общ. Ред.В.А. Григорьева и В.М. Зорина.-М.: Энергоиздат, 1982. - 624 с.

7. Лесная биоэнергетика: учебное пособие / Под ред. Ю.П. Семенова.- 2-е изд.- М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2010. - 348 с.

8. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности: (Образование и использование). Справочник.- М.:Экономика, 1983.-224 с.

9. Теплотехнический справочник инженера лесного и деревообрабатывающего предприятия / Под ред. А.Б. Левина / 2-е изд., испр. - М.: МГУЛ, 2002. - 333 с.

10. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом и его использование.//Промышленная теплотехника. Киев - 2005. №4.

11. Тунцев Д.В. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза биомассы древесины. http://www.mgul.ac.ru/info/science/conf/mnpk/

12. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2. // Промышленная теплотехника (Киев) - 2005. Т. 27, №5.

13. Прохоров, В. Ю. Менеджмент качества сервисных услуг. Техническое регулирование при оценке качества продукции и услуг сервисных предприятий : учеб. пособие. - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - 87 с.

14. http://www.rbcdaily.ru/2 010/11/01/tek/5238 07

15. http://www.opec.ru/114 0 937.html

16. http://www.hotfront.ru/blog/category3/227/

17. http://www.transneft.ru/files/2 011-06/7OLRJIV85Hj1YNC.pdf

18. Прохоров, В.Ю. Автомобильные средства транспортирования нефтепродуктов для контейнерных АЗС / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2006. - Т. 1. - С. 79-80.

19. Прохоров, В.Ю. Пути реализации эффекта безызносности шарнирных сопряжений / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. - Т. 1. - С. 43-46.

УДК 629.7

Халютин С.П., Халютина О.С,

ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ САМОЛЁТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГЕ

Рассмотрены новые возможности, которые появляются при создании электрических и гибридных самолётов. Эти возможности связаны с использованием в качестве силовой установки электрических вентиляторных или винтовых движителей

Ключевые слова:

электрический самолёт, гибридный самолёт, электрическая тяга

Введение

Авиация в своём развитии подошла к тому рубежу, когда традиционные принципы создания самолётов исчерпали свои возможности по повышению эффективности, снижению вредных выбросов и шума. Электрификация бортового оборудования с существенным усложнением информационно-управляющих систем, улучшившая эти показатели, тоже имеет свои пределы. Электрификация современных самолётов с повышенной электрификацией оборудования (систем управления полётом, газотурбинных двигателей, системы жизнеобеспечения и др.), несмотря на существенное увеличение установленной мощности источников электроэнергии, не превышает 25% [1]. Следующим шагом к существенной электрификации самолётов и решении экологических проблем является переход на электрическую тягу [2, 3, 4], который предоставляет и новые возможности и ставит новые технические и технологические задачи.

Условия перехода на электрическую тягу

Создание самолётов на электрической тяге ограничивается возможностями электроприводов силовых установок, источников и накопителей электроэнергии, а также ограничениями по скорости вращения и эффективности винтов [5].

Проведённые исследования [6] влияния аэродинамических характеристик планеров и скорости полёта на требуемую мощность силовой установки (рис. 1) показали, что на современном уровне развития технологий создания источников, накопителей и преобразователей энергии, применение электрической тяги возможно на самолётах с полной массой до 1500 кг, летающих на крейсерской скорости до 200 км/час и с аэродинамическим качеством не менее 16.

Результаты исследований подтверждаются тем, что в настоящее время все созданные самолёты на электрической тяге (SportStar EPOS (рис. 2), Pipistrel Panthera Electro (рис. 3) и др.) соответствуют этим параметрам.

V, м/с

Аэродинамическое качество

Рисунок 1 - Зависимость мощности силовой установки от скорости полёта и аэродинамического качества планера

Рисунок 2 - Электрический самолёт SportStar EPOS

Рисунок 3 - Электрический самолёт Pipistrel Panthera Electro

Начало серийного выпуска аккумуляторных батарей (начало 2000-х годов) на основе литий-ионных технологий, обладающих неоспоримым преимуществом по сравнению с другими видами электрохимических систем (никель-кадмиевых, свинцово-кислотных, серебряно-цинковых), стало началом новой эры развития малой авиации. В это время было создано большое количество новых электрических самолётов (рис. 4). Видно, что мощность

силовой установки ограничена 160 кВт при взлётном весе до 1500 кг, что также подтверждает проведённые исследования [6].

Однако применение аккумуляторных батарей в качестве основных источников электроэнергии на борту ЛА ограничивает время его автономного полёта [1-4].

_о "о

1970 1975 1Э80 1985 1990 1995 2000 2005 2010

First Flight Date

Рисунок 4 - Этапы создания электрических самолётов

Необходимость расширения эксплуатационных возможностей новых ЛА (увеличения дальности и времени полёта, грузоподъёмности) поставила вопрос о поиске альтернативных вариантов получения электроэнергии на борту летательного аппарата. В качестве таких источников рассматриваются:

- солнечные батареи, осуществляющие прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию; использование энергии солнечного излучения ограничено погодными условиями, режимами полёта и массогабаритными характеристиками и эффективностью первичных преобразователей;

- водородные топливные элементы, применение которых ограничено их ресурсом и сложностью получения чистого водорода на борту ЛА;

- гибридные электроэнергетические установки, в которых осуществляется двойное преобразование энергии - сначала в механическую двигателями внутреннего сгорания, а потом в электрическую с помощью электромеханических устройств (электрических генераторов); преимущества применения гибридных технологий обусловлены более экономичным режимом работы двигателей внутреннего сгорания, оптимизированным соотношением номинальных мощностей первичных преобразователей энергии.

Новые возможности самолётов на электрической тяге

Применение электрической тяги на самолётах предоставляет новые возможности, связанные, в первую очередь со свойствами электрических машин (обратимость, высокий коэффициент полезного действия). Суммарные мощности силовых установок в зависимости от количества пассажиров находятся в диапазоне от 0,5 до 60 МВт [3]. При этом ключевым элементом самолёта, к разработке которого стремятся большинство производителей, становится электрическая машина мощностью 1 МВт как базовый «кирпичик» при создании систем с распределённой тягой.

Исследования [7-16] определили ряд направлений, связанных с применением электрических силовых установок:

- создание распределённых электрических и гибридных силовых установок;

- разработка электромеханических преобразователей (генераторов и двигателей) с повышенной энергетической эффективностью;

- повышение эффективности статических электронных преобразователей;

- увеличение энергоёмкости электрохимических накопителей;

- создание электрохимических преобразователей на основе использования водорода в качестве топлива;

- решение системных вопросов при проектировании электрических и гибридных самолётов.

Распределённые силовые установки

Высокий КПД электрических силовых установок позволяет создавать распределённые силовые установки, которые позволят улучшить аэродинамику и живучесть самолёта.

Совместная оптимизация аэродинамики планера и проточной части вентиляторов, использование воздушной струи распределённой силовой установки в аэродинамической компоновке (рис. 5) позволяет улучшить аэродинамическое качество всего воздушного судна.

Как правило, в качестве источников электроэнергии используются гибридные газотурбинные двигатели с встроенными генераторами, которые могут самостоятельно создавать дополнительную тягу.

Электромеханические преобразователи

Создание высокоэффективных электромеханических преобразователей (ЭМП) связано с повышением напряжения питания электродвигателей и увеличением частот вращения электрогенераторов. Считается, что наиболее перспективным для самолётов с установленной мощностью от 1 до 100 МВт является использование среднего уровня напряжений (от 500 В до 33кВ).

Для сравнительной оценки электромеханических преобразователей используют относительный показатель - удельную мощность (отношение номинальной мощности преобразователя к его массе). Для адекватной сравнительной оценки при расчёте удельных энергетических показателей целесообразно учитывать массу системы охлаждения и модуля управления двигателем. В долгосрочной перспективе (до 2030 года) требования к ЭМП находятся на уровне 10-15 кВт/кг.

Полупроводниковые устройства

Совершенствование статических преобразователей связано в первую очередь с улучшением характеристик полупроводниковых приборов (уменьшение переходных сопротивлений, увеличение рабочих температур и т.п.). Наиболее перспективным является применение электронных компонентов на основе нитрида галлия и карбида кремния. При сегодняшнем уровне развития (удельная мощность примерно 2кВт/кг) перспективным считается удельная мощность электронных устройств в 25 кВт/кг [14].

Химические источники тока

Несмотря на существенные успехи литий-ионных технологий (появление аккумуляторов с удельной энергий до 250 Втч/кг), проблема накопителей энергии остаётся весьма актуальной. Долгосрочные прогнозы (2035-2050гг.) по энергоёмкости электрических накопителей энергии - 500-700 Втч/кг [13].

Рисунок 5 - Пример оптимизации распределённой силовой установки и планера

Совершенствование аккумуляторных систем идёт по пути более полной оценки и прогнозирования их состояния для предотвращения аварийных режимов, применения всего спектра систем охлаждения.

Новые системные проблемы

Обобщая приведённые рассуждения можно выделить основные проблемы, возникающие при создании электрических самолётов: реализуемость, энергоэффективность, безопасность и экономическая эффективность. При этом проблемы повышения энергоэффективности и безопасности находятся в диалектическом противоречии, поэтому требуют совместного рассмотрения.

Одним из факторов, напрямую влияющих на энергоэффективность электрических аппаратов, является использование свойства обратимости электромеханических преобразователей, а именно режимов рекуперации энергии [7, 9]. Для реализации режимов рекуперации необходимо выполнить ряд условий:

- проектировать электрические машины с учётом эффективности работы как в двигательном, так и в генераторном режимах;

- при проектировании системы управления электропитанием учитывать возможность использо-

вание дополнительного источника (рекуперативной) энергии для заряда аккумуляторных батарей и питания потребителей электроэнергии;

- при проектировании системы управления полётом летательного аппарата учитывать возможность создания тормозного момента в режиме генераторного торможения;

- при использовании режимов рекуперации силовых установок и аэродинамических рулей учитывать изменение аэродинамических свойств всего летательного аппарата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение электрических и гибридных силовых установок на перспективных летательных аппаратах предполагает новые возможности - использование распределённой силовой установки с оптимизацией аэродинамических характеристик всего самолёта, улучшение энергоэффективности энергосистемы за счёт использования режимов рекуперации энергии. Однако вместе с преимуществами возникают новые задачи - поиск новых первичных источников электроэнергии, оптимизация всей энергосистемы вместе с планером, решение проблемы безопасности, которая снижается при увеличении энергоэффективности и энергоёмкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лёвин А.В., Халютин С.П., Жмуров Б.В. Тенденции и перспективы развития авиационного электрооборудования. Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2015. № 213 (3). С. 50-57.

2. Грузков С.А., Румянцев М.Ю. Полная электрификация самолетов как один из важнейших путей решения экологических проблем и повышения эксплуатационной экономической и топливно-энергетической эффективности воздушного транспорта. Известия Академии электротехнических наук РФ. 2016. Выпуск 18. С. 35-60.

3. Халютин С.П., Харьков В.П., Лёвин А.В., Жмуров Б.В., Богданов А.А. Электрификация самолётов. Современное состояние и тенденции Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014. № 1. С. 555-558.

4. Халютин С.П. К оценке объёма энергии для полностью электрического самолета. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 85-87.

5. Халютин С.П. Электрический самолёт. Системный подход. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2015. № 3. С. 72-76.

6. Богданов А.А., Халютин С.П., Харьков В.П. Анализ путей рекуперации электрической энергии на борту летательного аппарата. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2014. № 2. С. 208-212.

7. Халютина О.С. Особенности формирования момента рулевого привода системы управления электрическим самолётом. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2016. № 4. С. 249251.

8. Давидов А.О., Жмуров Б.В. Метод диагностики авиационных электрохимических аккумуляторных батарей. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2016. № 2. С. 78-80.

9. Халютина О.С., Харьков В.П., Халютин С.П. Электромеханический рулевой привод системы управления электрического самолёта с режимом рекуперации как объект управления. Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. 2016. № 1. С. 341-343.

10. Жмуров Б.В., Давидов А.О. Расчет энергетических характеристик полностью электрического самолета. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2016. № 4. С. 406-412.

11. James D. Heidmann. NASA Investments in Hybrid-Electric Technologies for Large Commercial Aircraft. 2015. E&HA.

12. Malkin P. Multi-megawatt power systems for aircraft propulsion. 2016. E&HA.

13. Husband M. Bringing the technology gap for hybrid-electric. 2016. E&HA.

14. Jakovsky A. Building blocks for transport class hybrid and turboelectric vehicles. 2016. E&HA.

15. Benzakein M.J. Electric propulsion: challenges and opportunities. 2016. E&HA.

16. Stromayer A. Aircraft design for hybrid-electric flight.