CC BY
17
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 4-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
Сои 10.36724/2409-5419-2021-13-4-4-11
К ВОПРОСУ УВЕЛИЧЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ПОЛЁТА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
ДУХНОВСКИЙ Денис Аскольдович1
СМАГИН
Андрей Андреевич2 ШКУРИН
Максим Викторович3
Сведения об авторах:
1 инженер НИО-101, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
г. Москва, Россия, Cukhncvskiycalm@gmail.ccm
2 аспирант кафедры 104 "Технологическое проектирование и управление качеством" МАИ, (национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия, smagin_9595@mail.ru
3 старший преподаватель кафедры 101 "Проектирование и сертификация авиационной техники", Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), (национальный исследовательский университет), г. Москва, Россия, m.shkurin@mai.ru
АННОТАЦИЯ
Введение: в настоящее время обсуждение частичной и полной электрификации в авиационном сообществе уже вышло за рамки дискуссий и перешло созданию первых прототипов. Скорость популяризации идей о необходимости скорейшего перехода к электрифицированной авиационной технике вызывает обеспокоенность так как существует ряд принципиальных трудностей перехода к электрификации, которые почти не обсуждаются, в частности - отсутствие снижения массы самолёта в полёте. Цель исследования: Целью исследования является определение возможного сценария функционирования и конструктивных особенностей электрифицированного самолёта, использующего в качестве источника энергии для совершения полёта аккумуляторные батареи с учётом конструктивных и эксплуатационных ограничений и особенностей. Результаты: Предложены возможные конструктивные меры по размещению аккумуляторных батарей в конструкции планера с учётом конструкторских, технологических и эксплуатационных ограничений. Описан принципиальный недостаток электрифицированных летательных аппаратов - постоянство массы в течении полёта. Предложены варианты обеспечения снижения массы летательного аппарата во время полёта по мере расходования энергии. Предложена концепция многоступенчатого самолёта и описан возможный сценарий его функционирования. Практическая значимость: Полученное знание может быть полезно для дальнейших исследований в области электрификации авиации, как с точки зрения теоретических исследований, так и с точки зрения формирования концептуальных и обликовых решений на ранних этапах проектирования. Обсуждение: Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой степени сложности и новаторства потребных трансформаций авиационных комплексов при включении в них полностью электрифицированного самолёта. Это влечёт за собой необходимость внесения изменений не только в конструкцию планера самолёта, но и в сценарий его функционирования и в нормативные документы, регламентирующие безопасность полётов. Таким образом необходимо в дальнейшем точно установить границы допустимости подобных решений и определить алгоритм оценки их экономической эффективности с учётом влияния на окружающую среду.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: магистральная авиация; электрификация авиационной техники; перспективы развития авиации; эксплуатация авиационной техники; безопасность полётов; многоступенчатый самолёт, электрический самолёт.
Для цитирования: Духновский Д. А., Смагин А. А., Шкурин М. В. К вопросу увеличения дальности полёта электрифицированных магистральных летательных аппаратов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021. Т. 13. № 4. С. 4-11. Сок 10.36724/2409-5419-2021-13-4-4-11
Vol. 13. No. 4-2021, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
Введение
Рост объемов авиаперевозок [1] в совокупности с ухудшением экологической [2,3] обстановки ставит перед разработчиками и эксплуатантами авиационной техники задачу поиска альтернативных методов запасания энергии для совершения полёта [4]. В той или иной мере проработке подвергались различные виды биотоплив [5], созданных на основе продуктов переработки растительной биомассы, ядерные силовые установки [6], двигатели, применяющие криогенное топливо [7] и электрические установки [8,9]. Повсеместное и широкое использование электроэнергии, простота и доступность ее получения, сравнительно высокая эколо-гичность делают концепцию «полностью электрического самолета» довольно привлекательной [10]. В настоящее время ведущие авиационные производители, в частности. «AIRBUS» [11], создают испытательные стенды и опытные образцы подобных летательных аппаратов, правда, преимущественно в сегменте малой авиации (см. рис. 1, 2).
Рис. 1. Самолет на электротяге Airbus E-FAN
Рис. 2. Самолет Extra-330LE, оснащенный электродвигателем мощностью 260 кВт производства компании Siemens
Применительно к магистральной пассажирской авиации, электрификация затронула только частичный отказ от пнев-могидравлических исполнительных механизмов систем управления механизацией крыла [12] (самолеты 881-100 и ряд других) или уборки-выпуска шасси. Использование силовых установок с электротягой на пассажирских авиалайнерах в настоящее время практической реализации не нашло
- хотя «AIRBUS» анонсировала работы над гибридным самолетом AIRBUS E-FAN X [13,14] (рис. 3).
High-power battery pack
Рис. 3. Проект экспериментального самолета Airbus E-Fan X с гибридной силовой установкой
Лишь один из четырёх двухконтурных турбореактивных двигателей этой машины заменён на электрический, мощностью порядка 2МВт. Его предполагается запитать от блоков силовых аккумуляторов, причем на борту самолета дополнительно установлен турбогенератор. Данный демонстратор предназначается, в первую очередь, для исследования процессов преобразования энергии и отработки силовых электроцепей сверхвысокой мощности. Настоящая статья посвящена концептуальному рассмотрению ключевых проблем электрификации пассажирских магистральных самолетов, субъекты исследования будут приведены ниже.
Проблемы практической реализации электрификации
самолётов
Итак, переходу на электротягу препятствуют ряд технических и концептуальных проблем. Одна из основных технических сложностей заключается в том, что энергетическая емкость самых совершенных с точки зрения весовой отдачи аккумуляторов (литий-полимерных и литий-ионных) на два порядка меньше, чем у той же единичной массы углеводородных топлив (см. табл. 1).
Таблица 1
Сравнение энергоемкости различных источников энергии
Наименование источника энергии Показатель теплотворности в пересчете на 1 кг массы
Свинцово-кислотная силовая АКБ 25 (Вт*час)/кг
Литий-ионная силовая АКБ 110 (Вт*час)/кг
Литий-полимерная силовая АКБ 180 (Вт*час)/кг
Авиационный керосин 15 385 (Вт*час)/кг
Авиационный высокооктановый бензин 17 183 (Вт*час)/кг
Водород 368 889 (Вт*час)/кг
Между тем, для дальнемагистрального самолета, облик которого синтезируется путем многопараметрической оптимизации, увеличение относительных масс каких-либо агрегатов, топлива или полезной нагрузки на несколько процентов приводит к существенному ухудшению показателей дальности и экономической эффективности. Для наглядности приведём уравнение существования самолёта в относительном виде. Относительные массы самолёта приведены к взлётной массе.
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 4-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
1 = т„
. + тс.у. + ттоп. + тоб.упр. + тц.н. + тслужеб.ь
(1)
где:
ткон - относительная масса конструкции; тсу - относительная масса силовой установки;
т
- относительная масса оборудования и систем
об. упр.
управления;
тцн - относительная масса целевой нагрузки;
т
;н - относительная масса служебной нагрузки.
служеб.
Гипотетически можно предположить, что исследования принципиально новых типов аккумуляторных батарей (АКБ), в том числе построенных на принципе сверхпроводимости [15, 16], приведут к появлению силовых аккумуляторов, не уступающих по энергоемкости авиационному топливу, однако это допущение не исключает ряда других сложностей.
Второе отличие электрического энергоносителя является принципиальным и заключается в том, что его масса не меняется сколько-нибудь значительным образом в процессе отдачи энергии, в то время как классическое углеводородное топливо сгорает, что приводит к непрерывному уменьшению массы летательного аппарата (ЛА) в процессе выполнения полёта. Уменьшение массы, в свою очередь, снижает величину потребной тяги на заданном эшелоне, что позволят дальнемагистральным самолетам совершать беспосадочные перелеты на дистанции до 10-12 тысяч километров. Так для самолётов с большой дальностью полёта (относительная масса энергоносителя равна 0,6) потеря в дальности только за счёт постоянства массы может достигать 35%, а с увеличением относительной массы энергоносителя, потери дальности электрического самолёта в сравнении с традиционным будут только возрастать [17]. Применительно к ЛА, оснащенными электрическими силовыми установками, для сохранения близкой к существующим самолетам дальности требуется реализовать уменьшение их массы в полёте, то есть избавиться от разряженных АКБ. Таким образом происходит переход к многоступенчатой концепции летательного аппарата. Такая концепция является широко используемой в ракетной технике [18]. Имело место её рассмотрение применительно к авиации. Естественно, сброс не может быть произведен в произвольных местах и без привязки к функционированию наземной инфраструктуры. Наглядным образом зависимость дальности полёта от относительного изменения массы самолёта, демонстрирует формула Бреге.
г К хУ , I т1 Ь =-х 1п
С
(2)
где:
Ь - дальность горизонтального полёта самолёта; К - аэродинамическое качество самолёта; V - скорость горизонтального полёта; С - удельный расход топлива в советующих условиях горизонтальном полёте;
т1 - масса самолёта в начале горизонтального полёта;
т2 - масса самолёта в конце горизонтального полёта.
Размещение АКБ на самолете также потребует значительных компоновочных объемов на борту ЛА. Приняв в качестве допущения равенство энергоемкости единичной массы аккумулятора и керосина можно определить, что потребный компоновочный объем сохранится. Тем не менее, он все равно требует отведения значительных свободных пространств в агрегатах планера, а также, очевидно, потребуется предусматривать в конструкции большее количество разъёмных соединений, необходимых для обслуживания и/или замены аккумуляторов в процессе эксплуатации.
Субъектами исследования данной работы как раз и являются конструктивно-компоновочные (размещение АКБ на самолете и конструктивная реализация их сброса) и эксплуатационно-инфраструктурные (выбор рациональных мест сброса АКБ) прикладные аспекты электрификации самолетов.
Следует отметить, что в качестве граничных условий области исследования рассмотрен определенный тип ЛА -средне- и дальнемагистральные пассажирские самолеты нормальной аэродинамической схемы, ибо именно эти классы гражданских летательных аппаратов рискуют попасть в зону вырождения при переходе к запасанию электроэнергии для совершения полёта при отсутствии новых концептуальных решений.
В качестве допущения принято, что энергоемкость единичной массы АКБ находится на том же уровне, что и у углеводородного топлива. Такое допущение позволяет учесть высокие темпы увеличения уровня технического совершенства АКБ [19, 20] и тем самым освободиться от ограничений свойственным ближайшим годам и рассмотреть вопрос увеличения дальности электрифицированных самолётов в общем виде.
Конструктивные меры по размещению АКБ в планере
Сформируем поле возможных компоновочных решений по размещению блоков силовых АКБ на борту ЛА, указав преимущества и недостатки каждого варианта. Очевидно, что компоновка должна выполняться таким образом, чтобы в процессе сброса АКБ исключить существенное изменение центровки самолета.
1) Компоновка, при которой блоки АКБ размещены в крыле. По сути, они заменяют топливные баки. Как уже было описано выше, потребный объем при принятых допущениях будет равен или немного превышать компоновочных объём при использовании классического углеводородного топлива. Однако, реализация процесса сброса разряженных АКБ при такой компоновке становится крайне затруднительной, поскольку требует организации больших вырезов в крыле, что невозможно для кессонных конструктивно-силовых схем (КСС), а открытие крупноразмерных створок в полёте создает существенную угрозу с точки зрения управляемости и прочности ЛА.
2) Компоновка с размещением блоков АКБ в фюзеляже. Приводит к увеличению миделевого сечения, уменьшается разгрузка крыла от изгибающего момента весом топлива, снижается пассажировместимость или уменьшаются размеры багажных отсеков. Тем не менее, гораздо проще организовать сброс АКБ путем размещения на самолете
ттои. - относительная масса топлива;
Уо!. 13. N0. 4-2021, Н&ЕБ RESEARCH
AVIATЮN, SPASE-ROCKET HARDWARE
специального отсека, аналогичного по компоновке и раскрою створок бомбовому отсеку. Частичную компенсацию занятых подпольных пространств фюзеляжа можно организовать путем поднятия уровня пола и перемещения багажных отсеков в район центроплана.
3) Конформное размещение АКБ. Накладные (внешние) блоки в процессе выполнения полёта сбрасываются, что уменьшает не только массу, но и мидель ЛА в процессе полёта. Тем не менее, траектория их отделения, так или иначе, создает потенциальную опасность повреждения элементов конструкции планера, а монтаж конформных блоков на земле затруднителен и требует применения особой оснастки и приспособлений.
4) Модульное размещение АКБ на самолете. Может быть выполнено путем установки на основном самолете-носителе одного или нескольких модулей АКБ, представляющих собой автономные беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Они могут размещаться на внешней подвеске над фюзеляжем или под крылом. По мере разряда модули АКБ должны отделяться от носителя и совершать посадку в планирующем режиме. Другой вариант этой концепции -быстросменные модули, замена которых производится во время промежуточной посадки в аэропорту. Очевидно, что выполнение дополнительных посадок практически является недопустимым, ибо не только вынуждает затрачивать энергию на набор высоты несколько раз, но и дополнительно загружает аэропорты, увеличивает время перелёта. Каждый из этих факторов негативно влияет на стоимость выполнения транспортной операции.
5) Стационарное размещение АКБ на борту самолета, не подразумевающее их сброс в процессе выполнения полёта. Заряд аккумуляторов должен производиться в полёте от других ЛА - «дозарядчиков». С точки зрения работы наземной инфраструктуры и аэродромной спецтехники, этот вариант наиболее предпочтителен, поскольку позволяет оставить их практически без изменений по сравнению с имеющимися для самолетов с газотурбинными двигателями (ГТД). Компоновка такого самолета, ввиду отсутствия системы сброса, существенно упрощается, повышается надежность и весовая отдача. Сложность состоит в крайне высоких требованиях к технике пилотирования в процессе дозарядки, продолжительности этого процесса и появлении в авиакомплексе еще одного или нескольких ЛА, нуждающихся в летных экипажах или сложных системах автоматического полёта. Так же авиационный комплекс становится перенасыщенным, ибо для его функционирования в него фактически уже входит два летательных аппарата, что ведёт к росту стоимости и сложности эксплуатации.
Методы отделения АКБ от планера
Теперь перейдем к рассмотрению способов реализации отделения блоков разряженных АКБ от ЛА. Техническая сложность заключается в необходимости организации на блоках АКБ силовых разъемов, автоматически отстыковываемых перед сбросом, а также влаго-, вибро-, термо- и уда-розащиты корпусов блоков АКБ при минимальной массе последних. Концепция отделяемых АКБ также создаёт существенную дополнительную нагрузку на службы управления воздушным движением (СУБД), так как существует риск поражения ЛА, выполняющих полёт на малых высотах,
блоками АКБ, сброшенными с верхних эшелонов, не говоря уже об угрозе для наземных сооружений. Сброс с больших высот дает низкую точность, с малых - требует введения в профиль полёта дополнительных участков снижения и набора высоты, что приводит к повышенным энергозатратам на полёт.
Очевидно, что достичь в полёте непрерывного уменьшения массы, как в случае ЛА, оснащенных ГТД, невозможно, однако, повышение частоты сброса будет давать приближённую к ним зависимость изменения массы.
/77
Сброс АКБ
о
I
Рис. 4. Тенденция изменения массы энергоносителя летательного аппарата при совершении полёта
1. В рамках концепции «дозарядки» в воздухе сброс отсутствует. Это позволяет исключить большинство недостатков, перечисленных в предыдущем абзаце, хотя повышенный риск возникновения аварийных ситуаций при совместном полёте «дозарядчика» и основного ЛА и наличие в воздухе большого количества дополнительных ЛА, обслуживающих воздушные трассы, не способствует снижению нагрузки на СУБД или повышению безопасности полёта.
2. Родственной по принципу построения авиационного комплекса с концепцией с дозарядкой, является концепция спуска израсходованных АКБ из магистрального самолёта единым пакетом на тросе в специально отведённых географических зонах с последующим перехватом АКБ пакета другим летательным аппаратом, который в свою очередь осуществит безопасный спуск АКБ. Большая возможная длина троса позволит обеспечить большее расстояние между двумя взаимодействующими ЛА, что снижает требования к точности выполнения манёвра и повышает его безопасность по сравнению с дозарядкой в полёте.
3. Отделение парашютным способом. Вертикальная скорость снижения после раскрытия парашюта сравнительно мала (6-9 м/с) [21], а применение парашюта после затяжного падения с большой скоростью может приводить к обрыву строп. Совокупность этих факторов приводит к длительному нахождению блоков АКБ в воздухе и созданию помех в зоне сброса. Парашютные системы необходимо переукладывать после каждого применения, что плохо поддаётся автоматизации и трудоёмко. Точность сброса виду большого рассеивания группы сброшенных АКБ низка.
4. Сброс свободнопадающих АКБ с последующим раскрыванием корпуса для снижения вертикальной скорости, наподобие современных авиационных средств пораже-
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 4-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
ния (после затяжного падения открываются крылышки или специальные лопасти, вызывающие авторотацию падающего объекта и торможение его скорости). В этом случае время снижения уменьшается, упрощается подготовка к последующему применению.
5. Планирующий полёт одиночных/групповых блоков АКБ, в том числе и управляемый (блоки фактически представляют собой малый беспилотный летательный аппарат), совершающих посадку в определённом месте. Способ дает высокую точность, но сложен с точки зрения инженерной реализации и требует значительного остаточного заряда на АКБ для поддержания работы системы управления после отделения.
6. Сброс ударозащищённых блоков АКБ при проходе ЛА на сверхмалых (5-10 м) высотах над спецзоной, в которой организована специальная площадка с амортизирующими свойствами (поролоновые/пенополиуретановые маты и т.п.). Также дает высокую точность, исключает вероятность поражения сброшенными блоками других ЛА, сбор блоков АКБ легко автоматизируется ввиду кучности их расположения после сброса. Из недостатков можно назвать высокие требования к технике пилотирования и невозможность проведения данной операции в сложных метеорологических условиях, а также необходимость спуска ЛА с эшелона практически до нулевой высоты и последующий набор высоты, что неблагоприятно сказывается на количестве затрачиваемой энергии для совершения перелёта и на безопасности полётов.
7.
Возможные стратегии сброса АКБ в процессе
эксплуатации
Далее, рассмотрим возможные с точки зрения эксплуатационной инфраструктуры места сброса АКБ. С экономической точки зрения наиболее предпочтительны такие решения, которые позволили бы максимально сохранить инфраструктуру классических аэропортов, принимающих самолеты с ГТД, однако следует учесть, что для обеспечения эксплуатации парка из нескольких десятков дальнемагистраль-ных самолетов потребные мощности объектов наземной электроэнергетики приближаются к мощности атомной электростанции. Очевидно, что в случае сброса АКБ вновь заряженные блоки должны оперативно и бесперебойно по-
ставляться в аэропорт для последующей установки на самолет, что требует организации дополнительной инфраструктуры, обслуживающей их транспортировку.
1. В рамках концепции «дозарядки» в воздухе, сброс АКБ не производится. В этом случае объекты наземной инфраструктуры могут быть представлены классическими аэропортами и удалёнными от них аэродромами дозарядчиков, в непосредственной близости от которых находятся объекты электроэнергетики.
2. В случае сброса на сверхмалых высотах, также возможно организовать удалённую от основного аэропорта площадку, привязанную к объекту электроэнергетики. Однако, размещение таких площадок возможно только в равнинной местности (подобную технику сброса можно использовать, при наличии влагозащиты, и над водным пространством, но в морских акваториях проблематично создать объекты электроэнергетики).
3. Сброс блоков АКБ вблизи аэропортов любыми способами крайне нерационален, поскольку дает, по сути, лишь одно преимущество (малая дистанция транспортировки блоков для повторной установки на самолет) при ряде существенных недостатков:
- чрезмерную загрузку воздушного пространства (современные международные аэропорты принимают около 700800 самолетов в сутки, если каждый из этих ЛА будет выполнять сброс АКБ, избежать поражения ими других ЛА практически невозможно);
- необходимость наличия в непосредственной близости от аэропорта крупных объектов электроэнергетики;
- повышенную вероятность поражения наземных сооружений;
- рассогласование процессов сброса (на этапе взлета/посадки производить их бессмысленно, а в процессе полёта по маршруту ЛА нерационально заходить в перегруженное воздушное пространство аэропорта, снижаться во избежание поражения низко летящих ЛА и проводить сброс).
4. Сброс в пустынной местности, удалённой от жилых зон и аэродромов, но вблизи уже существующих объектов электроэнергетики и линейных (железные дороги, автомобильные трассы федерального назначения, крупные судоходные реки) объектов наземной инфраструктуры.
Vol. 13. No. 4-2021, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
По сути, требуются минимальные доработки всех 3 (транспортной, аэродромной, электроэнергетической) составляющих инфраструктуры, но количество уже существующих зон, удовлетворяющих предъявленным требованиям, недостаточно велико для обеспечения полётов значительного парка самолетов. Однако, на ранних этапах перехода на электротягу для сокращения финансовых затрат их использование представляется рациональным.
Заключение
Подытоживая вышеизложенный материал, можно сделать вывод о теоретической возможности электрификации магистральных самолётов, однако очевидно, что это сопряжено с колоссальными техническими трудностями. Более того, некоторые из предложенных концепций, несмотря на теоретическую осуществимость, сложно поддаются хотя бы умозрительной визуализации, ввиду своих особенностей и отличности от существующих сценариев эксплуатации авиационной техники. Однако, в рамках обеспечения уменьшения массы электрифицированного ЛА в процессе совершения перелёта, на текущем уровне технического развития, к сожалению, альтернатив не так много. Подобные концепции ещё более остро поднимают вопрос целесообразности и практической возможности электрификации магистральных самолётов.
Потребные меры для обеспечения функционирования электрифицированных магистральных авиационных комплексов носят системный характер и диктуют необходимость новых разработок не только в области проектирования, но и внесения изменений в области сертификации и управления воздушным движением.
Перечень сформулированных концепций методов электрификации должен быть подвергнут дополнительному многоитерационному анализу, подкреплённому проектировочными и экономическими расчётами, с целью выявления наиболее перспективного метода электрификации и, что особо важно - выявления условий, при которых эксплуатация электрифицированной авиационной техники станет более благоприятной по сравнению с классической в экономическом плане.
В целом хочется отметить, что на текущем уровне развития техники практическая реализация электрификации возможна, но не представляется целесообразной. Хочется верить, что к моменту возникновения острой необходимости отказа от углеводородных топлив, нам удастся найти средства запасания энергии для совершения полёта, которые будут альтернативны, как углеводородам, так и электроэнергии, накопленной в аккумуляторных батареях.
Литература
1. Мальцев А. А., Матвеева А. В. Международные пассажирские авиаперевозки: детерминанты взрывного роста. Екатеринбург: Управленец. 2018. Т. 9. №. 3.
2. Асатуров М. Л. Загрязнение авиацией высоких слоев атмосферы // Экономика, экология и общество России в 21-м столетии. 2016. С. 442.
3. Нигматуллин Т. Р., Фазуллин А. Ш. Влияние авиационной промышленности на окружающую среду // Молодежный научный вестник. 2017. №. 2. С. 167-170.
4. Слугачев Г. Е. Использование альтернативных источников энергии в авиационной деятельности для снижения отрицательного влияния на окружающую среду // Новейшие достижения и успехи развития технических наук. 2016. С. 13-16.
5. Шади А. Оценка возможности использования биотоплива в воздушных судах гражданской авиации // Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. 2018. С. 79-80.
6. Nikitaev D., Thomas L. D. Seeded Hydrogen in Nuclear Thermal Propulsion Engines // Journal of Spacecraft and Rockets. 2020. T. 57. №. 5. C. 907-917.
7. Сотников Д. H., Котловцева Е. Ю. и Корнеев П. С. Технологические аспекты применения криогенного топлива в гражданской авиации // Студенческий 37-1. 2019. С. 55-61.
8. Tsai M. C. An overview of the research work at the Electric Motor Technology Research Center // Impact. 2020. T. 2020. №. 4. C. 54-56.
9. Халютин С. П., Халютина О. С. Новые возможности самолётов на электрической тяге // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2017. Т. 2.
10. Халютин С. П. Электрификация летательных аппаратов от пе-2 до полностью электрического самолета. Направления исследований // Электропитание. 2018. №. 4. С. 4-26.
11. Joubert E. et al. The e-fan all electrical aircraft demonstrator and its industrialization // Proceedings of the 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. 2016.
12. Халютин С. П. Электрический самолет: прошлое, настоящее, будущее // Авиапанорама: Международный авиационно-космический журнал №6. 2016. 42.
13. Benegas Jayme, Diego. Evaluation of the Hybrid-Electric Aircraft Project Airbus E-Fan X. MS thesis. Aircraft Design and Systems Group (AERO), Department of Automotive and Aeronautical Engineering, Hamburg University of Applied Sciences, 2019.
14. Juve L., Fosse J., Joubert E., Fouquet N. Airbus Group electrical aircraft program, the E-FAN project // 52nd AIAA/SAE/ASEE «Joint Propulsion Conference». 2016. C. 4613.
15. Shu X. et al. A reliability study of electric vehicle battery from the perspective of power supply system // Journal of Power Sources. 2020. T. 451. C. 227805.
16. Стычев С. H., Краснопевцева Н. А., Мальцев С. А. Перспективные направления в развитии аккумуляторов // Новые технологии, инновации, изобретения. 2018. С. 91-93.
17. Dukhnovskiy D. A. Formation of the Area of Possible Existence of Electrified Airplanes // 2020 New Trends in Aviation Development (NTAD). IEEE, 2020. C. 49-53.
18. Balakin V. L., Krikunov M. M. Analysis of control programs and climb paths of the hypersonic first stage of an aerospace system // Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2019. T. 18. №. 1. C. 18-29.
19. Tariq M. et al. Aircraft batteries: current trend towards more electric aircraft // IET Electrical Systems in Transportation. 2016. T. 7. №. 2. C. 93-103.
20. Chung S. H., Manthiram A. Current status and future prospects of metal-sulfur batteries // Advanced Materials. 2019. T. 31. №. 27. C. 1901125.
21. Мамонов С. С., Клочкова И. Ю. Моделирование движения парашютиста при раскрытом парашюте // a a. 2018. Т. 2. №. 2. С. 2.
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т. 13. № 4-2021
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
TO THE ISSUE OF INCREASING THE FLIGHT RANGE OF ELECTRIFIED MAINLINE AIRCRAFT
DENIS A. DUKHNOVSKY
Moscow, Russia, dukhnovskiycalm@gmail.com.
ANDREY A. SMAGIN
Moscow, Russia, smagin_9595@mail.ru
MAXIM V. SHKURIN
Moscow, Russia, m.shkurin@mai.ru
KEYWORDS: long-haul aviation, electrification of aviation equipment, aviation development prospects, operation of aviation equipment, flight safety, multistage aircraft, electric aircraft.
ABSTRACT
Introduction: The discussion of partial and full electrification in the aviation community has now moved beyond discussions to the creation of the first prototypes. The speed of popularization of ideas about the need for an early transition to electrified aircraft raises concerns because there are a number of fundamental difficulties of transition to electrification, which are almost not discussed, in particular - the lack of weight reduction of the aircraft in flight. Research Objective: The purpose of the study is to determine a possible scenario of operation and design features of an electrified aircraft that uses batteries as an energy source for flight, considering the design and operational limitations and features. Results: Possible structural arrangements for the placement of batteries in the airframe design, considering the design, technological and operational constraints, are proposed. Described the fundamental disadvantage of electrified aircraft - the constancy of mass during flight. We propose
options to ensure the reduction of the mass of the aircraft during flight as energy is consumed. The concept of a multistage airplane is proposed and a possible scenario of its operation is described. Practical relevance: The obtained knowledge can be useful for further research in the field of electrification of aviation, both in terms of theoretical research and in terms of the formation of conceptual and design solutions in the early stages of design. Discussion: The results allow us to conclude about the high degree of complexity and innovativeness of the required transformation of aircraft complexes when including a fully electrified aircraft. This entails changes not only in the design of the airframe, but also in the scenario of its operation and in the regulatory documents governing flight safety. Thus, it is necessary to further accurately establish the boundaries of admis-sibility of such solutions and determine an algorithm for assessing their economic efficiency, considering the impact on the environment.
REFERENCES
1. Mal'cev A. A., Matveeva A. V. International passenger air transportation: determinants of explosive growth. Upravlenec. Vol. 9. No. 3. (In Rus)
2. Asaturov M. L. Zagryaznenie aviaciej vysokih sloev atmosfery. Ekonomika, ekologiya i obshchestvo Rossii v 21-m stoletii. 2016. P. 442. (In Rus)
3. Nigmatullin T. R., Fazullin A. SH. Vliyanie aviacionnoj promyshlennosti na okruzhayushchuyu sredu. Molodezhnyj nauchnyj vestnik. 2017. No. 2. P. 167-170. (In Rus)
4. Slugachev G. E. The use of alternative energy sources in aviation activities to reduce the negative impact on the environment. The latest achievements and successes in the development of engineering sciences. 2016. P. 13-16. (In Rus)
5. Shadi A. Ocenka vozmozhnosti ispol'zovaniya biotopliva v vozdushnyh sudah grazhdanskoj aviacii. Grazhdanskaya aviaciya na sovremennom etape razvitiya nauki, tekhniki i obshchestva. 2018. P. 79-80. (In Rus)
6. Nikitaev D., Thomas L. D. Seeded Hydrogen in Nuclear Thermal Propulsion Engines. Journal of Spacecraft and Rockets. 2020. Vol. 57. No. 5. P. 907-917.
7. Sotnikov D. N., Kotlovceva E. Ju., and Korneev P. S. Technological aspects of cryogenic fuel application in civil aviation. Studencheskij V. 37. No. 1. 2019. P. 55-61. (In Rus)
8. Tsai M. C. An overview of the research work at the Electric Motor Technology Research Center. Impact. 2020. Vol. 2020. No. 4. P. 54-56.
9. Khaljutin S.P., Khaljutina O.S. Novye vozmozhnosti samoljotov na jelektricheskoj tjage [New possibilities for electric-powered airplanes]. TrudyMezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost i kachestvo [Proceedings of the International Symposium "Reliability and Quality"] 2017. Vol. 2. (In Rus)
10. Khaljutin S. P. Electrification of aircrafts - from pe-2 to fully electric aircraft. Jelektropitanie. 2018. No. 4. P. 4-26. (In Rus)
11. Joubert E. et al. The e-fan all electrical aircraft demonstrator and its industrialization. Proceedings of the 30th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. 2016.
12. Khaljutin S. P. Electric airplane: past, present, future. Aviapanorama: Mezhdunarodnyi avatsionno-kosmicheskiy zhurnal [Aviapanorama: International aerospace magazine] No. 6. 2016. 42. (In Rus)
13. Benegas Jayme, Diego. Evaluation of the Hybrid-Electric Aircraft Project Airbus E-Fan X. MS thesis. Aircraft Design and Systems Group (AERO), Department of Automotive and Aeronautical Engineering, Hamburg University of Applied Sciences, 2019.
14. Juve L., Fosse J., Joubert E., Fouquet N. Airbus Group electrical aircraft program, the E-FAN project. 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. 2016. P. 4613.
15. Shu X. et al. A reliability study of electric vehicle battery from the perspective of power supply system. Journal of Power Sources. 2020. Vol. 451. P. 227805.
Vol. 13. No. 4-2021, H&ES RESEARCH
AVIATION, SPASE-ROCKET HARDWARE
16. Stychev S. N., Krasnopevceva N. A., Mal'cev S. A. Perspektivnye napravleniya v razvitii akkumulyatorov. Novye tekhnologii, innovacii, izobreteniya. 2018. P. 91-93. (In Rus)
17. Dukhnovskiy D. A. Formation of the Area of Possible Existence of Electrified Airplanes. 2020 New Trends in Aviation Development(NTAD). IEEE, 2020. P. 49-53.
18. Balakin V. L., Krikunov M. M. Analysis of control programs and climb paths of the hypersonic first stage of an aerospace system. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2019. Vol. 18. No. 1. P. 18-29. (In Rus)
19. Tariq M. et al. Aircraft batteries: current trend towards more electric aircraft. IETElectrical Systems in Transportation. 2016. Vol. 7. No. 2. P. 93-103.
20. Chung S. H., Manthiram A. Current status and future prospects of metal-sulfur batteries. Advanced Materials. 2019. Vol. 31. No. 27. P. 1901125.
21. Mamonov S. S., Klochkova I. YU. Modelirovanie dvizheniya parashyutista pri raskrytom parashyute. a a. 2018. Vol. 2. No. 2. P. 2. (In Rus)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Denis Askoldovich Dukhnovskiy, engineer of R&D Aircraft Design and Certification Department, Moscow Aviation Institute (National Research University), dukhnovskiycalm@gmail.com
Andrey Andreevich Smagin, post-graduate student of Technological Design and Quality Management Department, Moscow Aviation Institute (National Research University), smagin_9595@mail.ru
Maksim Viktorovich Shkurin, Senior Lecturer, Aircraft Design and Certification Department, Moscow Aviation Institute (National Research University), m.shkurin@mai.ru
For citation: Dukhnovsky D. A., Smagin A. A., Shkurin M. V. To the question of increasing the range of electrified mainline aircraft. H&ES Reserch. 2021. Vol. 13. No. No 4. P. 4-11. doi: 10.36724/2409-5419-2021-13-4-4-11 (In Rusian)
