Авиация встает на подзарядку

Отечественные инновационные разработки в области сверхпроводников позволили России вырваться вперед в процессе создания магистрального гражданского самолета с электрической силовой установкой.

5 февраля на экспериментальный аэродром Ельцовка в Новосибирске выкатился причудливый самолет, очень похожий на пассажирский Як-40, но с огромным носом и пропеллером впереди. В лютый сибирский мороз машина запустила двигатели, выполнила несколько традиционных маневров, отработав руление по аэродрому, разгон до 140 км/ч и торможение, а затем вернулась в ангары Новосибирского авиазавода имени Чкалова (входит в компанию «Сухой» Объединенной авиастроительной корпорации). Эта летающая лаборатория Як-40ЛЛ с инновационной гибридной силовой установкой проводила наземные испытания первого в России электрического авиадвигателя, созданного с использованием сверхпроводников.

Два штатных для Як-40 реактивных двигателя АИ-25 у летающей лаборатории заменили на более мощные Honeywell TFE731, третий хвостовой демонтировали, а вместо радиолокационной станции в носовой части самолета был размещен экспериментальный электромотор, созданный на основе технологии высокотемпературных сверхпроводниковых платформ (ВТСП). Как пишут разработчики системы, установка состоит из литий-ионной аккумуляторной батареи высокой мощности, специального ВТСП-кабеля, ВТСП-токоограничивающего устройства и ВТСП-генератора, который смонтирован на оси серийного турбовального авиадвигателя ТВ2–117, серийно выпускавшегося в СССР для вертолетов Ми-8.

Летающую лабораторию на базе Як-40 предоставил ФГУП «СибНИА им. С. А. Чаплыгина», Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ; входит в состав НИЦ «Институт им. Н. Е. Жуковского») взял на себя разработку демонстратора гибридной силовой установки, включая электрогенератор на постоянных магнитах мощностью 400 кВт, созданный ЦИАМ в сотрудничестве с Уфимским государственным авиационным техническим университетом. А сам уникальный авиадвигатель разработан и построен российским научным стартапом Андрея Вавилова «СуперОкс», основной бизнес которого внедрение технологий с использованием материалов, обладающих свойствами электрической сверхпроводимости.

Явление квантовой механики, получившее название «сверхпроводимость», было впервые замечено в 1911 году голландским физиком Камерлингом-Оннесом, занимавшимся вопросами охлаждения материалов до экстремальных температур, близких к абсолютному нулю. В разогнанной до –270°С криогенной установке ртуть вдруг приобрела не просто низкое, а строго нулевое электрическое сопротивление: ток проходил через вещество мгновенно и без потерь, как будто на его пути не было вообще никаких преград. Этот феномен связан с полным вытеснением магнитного поля из материала при переходе его в «идеальное проводящее состояние», что было обнаружено в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом.

К нынешнему дню открыто уже довольно много веществ и сплавов, которые можно перевести в сверхпроводящее состояние, в том числе «высокотемпературных», которые не нужно охлаждать настолько сильно. Электрокабели и любое другое электрическое оборудование, сделанное на базе таких материалов, обладают поразительной эффективностью, а у ВТСП-авиадвигателя от «СуперОкс» заявлен феноменальный КПД 98%. Мотор весит всего 95 кг, его диаметр — 45 см при длине 4 м (отсюда и длинный нос у Як-40ЛЛ), максимальная частота ротора электродвигателя — 2500 оборотов в минуту.

Целью летных испытаний самого крупного в мире электрического авиадвигателя на сверхпроводниках, которые начнутся уже во второй половине 2021 года, станет отработка эффективности гибридной силовой установки для гражданского авиалайнера (тяга обеспечивается электродвигателем с воздушным винтом, который потребляет энергию от аккумуляторов и электрогенератора, вращаемого реактивным двигателем). Ресурсы снижения потребления топлива такого самолета, а вместе с ним и снижения вредных выбросов в атмосферу оцениваются на уровне от 15% до 75%. Но и это не предел: в «СуперОкс» убеждены, что сверхпроводниковые технологии вполне способны привести к созданию следующего поколения «зеленой» авиатехники — полностью электрического самолета.

Впрочем, подобный экспериментальный образец в России уже существует, хотя он и более скромных размеров. Как и Як-40ЛЛ, на нынешнем авиасалоне в Жуковском в конце июля можно будет увидеть двухместный легкий самолет «Сигма-4» (серийно выпускался в 1999–2010 годах российской фирмой «Сигма-Авиа»), на который вместо штатного австрийского поршневого двигателя ROTAX установлен российский 80-сильный ДТ-60 НС производства Сарапульского электрогенераторного завода в Удмуртии, спроектированный специально для первого электролета российской научно-производственной компанией «НаукаСофт».

Разработчики создали силовую установку в двух вариантах. В первом источником питания станут литий-ионные аккумуляторы, которые позволят машине летать на электротяге 40 минут. Во втором к ним добавятся водородные топливные элементы, которые будут обеспечивать крейсерский полет, а батареи дадут дополнительный прирост мощности на взлете и при наборе высоты. Электроэнергию в водородном элементе дает реакция водорода и кислорода без горения при температурах не выше 100°С, в результате чего получится практически бесшумный и абсолютно экологически чистый самолет.

Двигатель, аккумуляторы, систему управления и обвязку топливного элемента создали в ЦИАМ им. П. И. Баранова, водородные ячейки разработали в Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке, автор силовой электроники — российская частная компания «Миландр СМ». Мотор занимает пассажирское место и весит всего 22 кг, при взлетной массе 600 кг самолет сможет преодолевать расстояния до 300 км на одной зарядке водородных элементов. Последние два года разработчики потратили на доработку системы управления двигателем и не исключают, что поднять машину в небо удастся уже в нынешнем году. Авторы инновации обещают, что в случае успеха испытаний двигателя для первого российского водородно-электрического самолета будет разработан и новый планер.