CC BY
18
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 3
УДК 629.735
ЭЛЕКТРОСАМОЛЕТЫ
А. Р. Набережнов Научные руководители - А. Ю. Галаганова*, И. А. Заикина
Ачинский колледж отраслевых технологий и бизнеса Российская Федерация, 662150, г. Ачинск, ул. Гагарина, 27 Е-mail*: [email protected]
В статье рассмотрены возможности замены традиционных авиационных двигателей внутреннего сгорания на электрические двигатели. Показана перспективность такой замены в будущем.
Ключевые слова: электричество, электродвигатели, аккумуляторы, топливные ячейки
ELECTRIC AIRPLANES
A. R. Naberezhnov Scientific supervisors - A. Y. Galaganova*, I. A. Zaikina
Achinsk College of Industrial Technologies and Business 27, Gagarin St, Achinsk, 662150, Russian Federation Е-mail*: [email protected]
The article considers the possibilities of replacing traditional aircraft internal combustion engines with electric engines. The prospects of such a replacement in the future are shown.
Keywords: electricity, electric motors, batteries, fuel cells
В современном мире на протяжении долгих лет внедряются электротехнологии. В XX веке «электрореволюция» уже изменила до неузнаваемости наземный транспорт -электровозы, метро, троллейбусы и трамваи уже никого не удивляют. На наших глазах начинается реальное вытеснение «бензиновых» автомобилей электромобилями. Но как быть с воздушным транспортом? Есть ли перспективы у самолетов, которые будут работать за счет электроэнергии. Какой самолет будет работать лучше - на электродвигателях или на традиционных двигателях внутреннего сгорания? Перед тем как отвечать на данный вопрос, нужно решить проблему - с помощью чего будет работать самолет - электроэнергия или обычное топливо? Разберем 2 самолета малой авиации - Cessna 400b, оснащённый двигателем внутреннего сгорания (ДВС) на авиационном керосине и электросамолет Extra EA-300, оснащенный электродвигателем.
Эти самолёты можно считать конкурентами, поскольку они относятся к одному классу (малая авиация) и обладают сходными характеристиками, отличаясь только в одном существенном вопросе - типе двигателя [1]. Если сравнить два воздушных судна по 4 важным показателям: мощность, скорость, масса и дальность полета, то мы получим следующую картину.
Исходя из характеристик, приведенных в таблице, можно сделать вывод, что по удельной мощности двигатель электросамолета превосходит обычный ДВС. К сожалению, ситуация резко меняется, если принять в расчет массу топлива (для ДВС) и массу аккумуляторов (для электросамолета). В результате дальность полета для самолета с ДВС оказывается
Секция «Молодежь, наука, творчество (школьная секция, направление СПО)»
существенно выше дальности полета электросамолета, который оказывается способен перевозить только собственные аккумуляторы, да и то на относительно небольшое расстояние. В связи с этим становится очевидным, что на данный момент главной проблемой «электроавиации» является использование обычных аккумуляторов в качестве источника тока. Данную проблему можно решить двумя способами. 1 способ - использование топливных ячеек вместо аккумуляторных батарей. 2 способ- создание гибридного самолета.
Таблица 1
Характеристики самолетов Cessna 400 b и Extra EA-300
Cessna 400 b Характеристики Extra EA-300
224 кВт Мощность 260 кВт
435 км/ч Скорость 335 км/ч
1,5 т Масса 1 т
2.315 км Дальность полета 150 км
Рассмотрим первый вариант. Аккумуляторные батареи на сегодняшний день имеют крайне низкую, по сравнению с традиционным бензобаком, удельную энергоемкость [2]. Возможно, на замену им придут топливные ячейки. Это устройство, которое эффективно вырабатывает электрический ток из богатого водородом топлива путем электрохимической реакции. У данной системы высокий КПД, она экологична и компактна [2]. Расчеты показывают, что такие системы, которые работают на водороде и воздухе, могут обеспечивать дальность полета более 800 км. Если сравнить с обычным топливом, то такая система будет выигрывать в массе и компактности. Но на сегодняшний день эта технология только развивается. Дороговизна использования данной системы и системы хранения водорода уступают обычному топливу. Но, несмотря на это, мы можем определенно сказать, что данная система эффективней, чем обычные литий-ионные батареи.
Второй способ рассматривается, как одновременная установка ДВС и электродвигателя на самолет. Как известно, расход топлива на обычном транспорте достигает больших значений, когда он разгоняется. А при равномерном движении расход топлива падает. То есть самолет может двигаться 323 по земле на электрической тяге, чтобы экономить топливо. При разгоне нужно сделать так, чтобы расход топлива был минимальным. Для этого снова нужна электротяга. В самом процессе полета использование электродвигателей является необязательным. Тем более можно использовать те же самые топливные ячейки. При этом переход на электродвигатели открывает перспективы в дальнейшем использовании самолетов. Электродвигатели можно размещать по-разному. Также ее можно распределить таким образом, чтобы иметь максимальную тягу. Сегодня обычная схема компоновки двигателей самолета предполагает 2 точки тяги, то есть 2 двигателя, висящие под крыльями [3]. В электросамолётах рассматривается схема размещения большего числа электродвигателей вдоль крыла, а также на его концах. Для чего это нужно? Дело в разнице взлетного и крейсерского режимов полета. На взлете при малой скорости набегающего потока летательному аппарату для создания подъемной силы необходимо крыло большой площади. На крейсерской скорости широкое крыло мешает, тем самым создавая лишнюю подъемную силу. Проблема решается за счет выдвижных закрылков и предкрылков. Самолеты меньшего размера, взлетающие с небольших аэродромов и имеющие для этого большие крылья, вынуждены идти на крейсерском участке с неоптимальным углом атаки, что приводит к большему расходу топлива. Но если на взлете множество электромоторов, соединенных с винтами, будут дополнительно обдувать крыло, его не придется делать слишком широким. Самолет взлетит с коротким разбегом, а на крейсерском участке узкое крыло не создаст проблем.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Тома 3
Электрификация авиационного транспорта связана в первую очередь с экологией. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2-3% выбросов углекислого газа. Причем за один короткий перелет, например из Лондона в Рим, образуется 234 кг углекислого газа на одного человека - больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год. «Полностью электрический самолет» не создает выхлопа. Но его пока не считают абсолютно экологичными, так как производство аккумуляторов загрязняет окружающую среду, а из-за структуры и химического состава их сложно утилизировать. Авиакомпания Airbus представила проект развития авиации будущего «Умное небо». По ее прогнозам, к 2050 году будут распространены самолеты с гибридными силовыми установками и электродвигателями. Аэропорты откажутся от двигателей внутреннего сгорания даже на земле: беспилотные электротягачи будут доставлять самолеты на взлетно-посадочную полосу и обратно. Все это поможет снизить количество выбросов в атмосферу.
Библиографические ссылки
1. Авиация. Энциклопедия / Г.П. Свищев - М. : Большая Российская энциклопедия, 2007. 736 с.
2. Макриденко Л. А., Боярчук К.А. Микроспутники, Тенденции развития. Особенности рынка и социальное значение // Вопросы электромеханики, 2005. С. 12-27
3. Ефремов А.В., Захарченко В.Ф., Овчаренко В.Н. и др. Динамика полета. М.: Машиностроение-Полет, 2017.
© Набережнов А. Р., 2022
