CC BY
96
УДК 629.7.03
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
В АВИАСТРОЕНИИ
А. Д. Калинчев, К. Р. Андреев, А. В. Онипко Научный руководитель - А. В. Кравченко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Раскрывается потенциал использования электрических ракетных двигателей в составе гибридных силовых установок. Рассматриваются технологические особенности и принцип работы гибридной силовой установки. Приводятся в пример отечественные и зарубежные разработки в области двигателестроения.
Ключевые слова: электрический ракетный двигатель, гибридная силовая установка.
PROSPECTS FOR THE USE OF A HYBRID POWER PLANT BASED ON THE ELECTRIC ROCKET ENGINE IN THE AIRCRAFT
A. D. Kalinchev, K. R. Andreev, A. V. Onipko Scientific supervisor - A. V. Kravchenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article reveals the possibility of using rocket engines as part of hybrid power plants. The technological features and the principle of the hybrid power plant are considered. Domestic and foreign developments in the field of engine building are cited as an example.
Keywords: electric rocket engine, hybrid power plant.
В современном авиастроении в качестве двигателя внутреннего сгорания самолета принято использовать газотурбинную установку или газотурбинный двигатель (ГТД). Однако, по мнению многих специалистов, такой агрегат уже близок к исчерпанию резервов для дальнейшего совершенствования. Лайнеры современного типа все еще активно используют ГТД, но их очевидные эргономические и экологические недостатки послужили созданию совершенно новой компоновки системы электрического движения [1].
В ракетостроении также используются электрические ракетные двигатели (ЭРД), принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию. Такие двигатели могут быть пригодны для полетов в космическом пространстве и имеют высокий потенциал для дальнейшего развития. Их главными недостатками являются малая тяга, большой вес и, как следствие, небольшое ускорение в полете. Но ЭРД сумел найти свое дальнейшее развитие в авиастроении, совместно с химическими двигателями.
Гибридная силовая установка (ГСУ), позволяющая самолету двигаться на электрической тяге, способна частично решить проблему выбросов вредных веществ в атмосферу и
улучшить аэродинамические характеристики самолетов в полете. Такая установка на основе ЭРД сможет работать совместно с ГТД, и будет создана в рамках формирования опережающего научно-технического задела. В дальнейшем она ляжет в основу созданию полностью электрического самолета. Главная особенность ГСУ, это наличие в составе электрического оборудования, а именно электромотора и генератора, использующего эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Питание электромотора осуществляется от аккумуляторных батарей, показанных на рис. 1, и от генератора, приводимого во вращение от вала газотурбинного двигателя. ГСУ станет промежуточным этапом перед созданием полностью электрической силовой установки. Ее планируемой номинальной мощностью станет 500 кВт [2].
Рис. 1. Блок литий-ионных батарей
Прототипы ГСУ также используются в низкоскоростных беспилотных летательных аппаратах, состоящих из двигателя внутреннего сгорания и электрического стартер -генератора. Они не отличаются большой емкостью аккумулятора, но применение метода топологической оптимизации позволило уменьшить массу конструкции двигателя на 30 %, что уже снизило уровень шума, вибрации и количество потребляемого топлива. [3]
Разработки электродвигателей ведутся как в России, так и за рубежом. Например, флагманской программой национального аэрокосмического агентства США (NASA), посвященной электродвигателям, является летный демонстратор X-57 Maxwell. Это модифицированный двухдвигательный поршневой самолет Tecnam P2006T с распределенной силовой установкой, использование которой должно в пять раз снизить расход энергии при полете в крейсерском режиме. В долгосрочной перспективе X-57 планируется использовать как летающую лабораторию, на которой будут испытывать разные концепции ГСУ. В NASA полагают, что затраты на топливо можно будет снизить более чем на 50 %. Примерно на столько же планируется сократить выбросы диоксида углерода. Эмиссию оксидов азота можно будет вообще свести к нулю. В NASA также думают над ГСУ с криогенным охлаждением, предназначенными для малых самолетов [4].
Осенью 2020 года в Центральном институте авиационного моторостроения имени П. И. Баранова (ЦИАМ) начнутся лётные испытания гибридного авиационного двигателя.
Разработка ГСУ, демонстратор которой показан на рпс. 2, планируют осуществить в кооперации со специалистами различных институтов и конструкторских бюро.
Рис. 2. Демонстратор гибридной силовой установки
Агрегат будет установлен на летающую лабораторию, которая создаётся на базе пассажирского самолёта Як-40. ЦИАМ намерен развивать технологии электродвижения за счёт совершенствования сверхпроводников. Они позволяют существенно уменьшить массу силовой установки. По мнению специалистов, авиационная отрасль получит значительный толчек после изобретения электродвигателя мощностью от 2 МВт. В целом, использование подобных агрегатов может снизить стоимость перевозок на 20 %. В то же время эксперты обращают внимание, что на текущий момент перспективные электродвигатели не вырабатывают мощность, необходимую для обеспечения крейсерского полёта подавляющего большинства лайнеров гражданской авиации [5].
На текущем этапе появление электродвигателей способно стать стимулом для развития малой авиации, а в перспективе технологии электродвижения будут применяться на узкофюзеляжных самолётах [5].
Таким образом, использование гибридной силовой установки на основе ЭРД в авиастроении имеет большие перспективы, поскольку эта технология решает проблемы экологии, высокого расхода топлива и большого веса самолета. Исследование и разработка этой технологии позволит многим авиакомпаниям существенно сократить расходы, тем самым получить больше прибыли в будущем.
Библиографические ссылки
1. Вверх на электричестве: электросамолёты будущего [Электронный ресурс]. URL: https://www.popmech.ru/technologies/405322-vverh-na-elektrichestve-elektrosamolyoty-budushchego/ (дата обращения: 24.02.2020).
2. Макет гибридно-электрической силовой установки для электрического самолета [Электронный ресурс]. URL: https://bmpd.livejournal.com/2734401.html (дата обращения: 24.02.2020).
3. Оптимизация конструкций гибридных силовых установок / В. О. Рутковский, М. А. Рут-ковская // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : сб. материалов V Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Дню космонавтики (08-12 апреля 2019г., Красноярск) : в 3 т. Т. 1 / подобщ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГУ им. Решетнева. Красноярск, 2019. 341 с.
4. Гибридные силовые установки в авиации: разработки и перспективы [Электронный ресурс]. URL: http://integral-russia.ru/2017/04/30/gibridnye-silovye-ustanovki-dlya-aviatsii-ekskurs-v-temu/ (дата обращения: 24.02.2020).
5. Будущее - за гибридными двигателями»: как новая силовая установка может изменить облик гражданской авиации в РФ [Электронный ресурс]. URL: https://russian.rt.com/russia/ article/663740-aviatsiya-gibrid-elektrodvigatel-ciam-maks (дата обращения: 24.02.2020).
© Калинчев А. Д., Андреев К. Р., Онипко А. В., 2020
