This paper analyzes the potential of electric and hybrid aircraft as alternatives to conventional ones. It reviews the current state of aviation, principles of turbofan and turboprop engines, advantages and limitations of electric and hybrid propulsion. Conclusion: full-electric aviation is constrained by lithium-ion battery energy density (160–300 Wh/kg), while hybrid systems like DA36 E-Star reduce fuel consumption and CO₂ emissions by 25–30 %, offering a feasible path to sustainability.
Keywords: ecology, engines, hybrid aviation.
Авиационная отрасль генерирует около 2 % глобальных антропогенных выбросов CO₂, с тенденцией к росту из-за увеличения пассажиропотока. Электрические и гибридные силовые установки предлагают решение за счёт повышения КПД до 90 % у электродвигателей по сравнению с 45–50 % у газотурбинных систем. Актуальность работы обусловлена усилением экологических проблем и высокой эффективностью электрических систем.
Современная авиация основана на использовании турбовентиляторных и турбовинтовых двигателей. Данные двигатели функционируют по циклу Брайтона: воздух сжимается компрессором, смешивается с керосином, сгорает в камере сгорания и расширяется через турбину, создавая реактивную тягу. Преимущества включают высокую удельную энергию топлива (43 МДж/кг), оперативную дозаправку (менее 1 ч) и накопленный опыт эксплуатации свыше 50 лет.
При этом, у данных видов двигателей есть и недостатки. Термодинамический КПД не превышает 50 %, значительные эксплуатационные затраты (до 20 % от стоимости полёта), механический износ компонентов при температурах 1500–2000 K и вклад в парниковый эффект (0,9 кг CO₂ на пассажиро-км).
Электрические системы используют аккумуляторы для питания бесколлекторных синхронных двигателей, приводящих пропеллеры. Гибридные конфигурации (параллельная, последовательная, турбоэлектрическая) интегрируют ДВС с электромоторами.
Гибридные и электрические системы позволяют снизить выбросы и расход топлива на 25–40 %, акустическая мощность на 15–20 дБ ниже, помимо этого эксплуатационные расходы сокращаются на 30 % за счет отсутствия механических передач. Однако ключевыми проблемами остаются энергоёмкость батарей (160–300 Вт·ч/кг против 12 000 Вт·ч/кг керосина), масса аккумуляторной батареи (до 40 % взлётной массы), тепловыделение и сложность систем управления мощностью.
Примеры включают гибридные самолёты, такие как DA36 E-Star, а также проекты по модернизации существующих самолётов.
DA36 E-Star (модификация HK36 Super Dimona) оснащён электромотором 70 кВт и роторно-поршневым генератором 30 кВт, демонстрируя снижение расхода топлива на 25 % (21 л/ч против 28 л/ч) и CO₂ (20 кг против 71 кг) при максимальной тяге в течение 1 ч. Аналогичные проекты NASA (гибридизация Dash 7, -40 % топлива) и RTX подтверждают применимость для региональных самолётов. [2, с. 1]
В представленной ниже таблице вы можете увидеть сравнение Da-36 и Hk-36, который был основой для Da-36. Все вычисления были произведены при условии, что оба самолёта летели с максимальной тягой 1 час и рядом с землёй.
Таблица 1
|
Критерий |
Da-36 |
Hk-36 |
|
Расход топлива |
21 л |
28 л |
|
Выбросы CO2 |
20 кг |
71 кг |
|
Электроэнергия |
70 кВт/ч |
Отсутствует |
Из таблицы 1 [1, c. 1] можно сделать вывод, что есть улучшения и в расходе топлива, и в выбросе углекислого газа в атмосферу.
Традиционные двигатели остаются доминирующими благодаря своей надёжности и высокой энергетической плотности топлива. Полностью электрическая авиация для коммерческих лайнеров неосуществима в горизонте 10–15 лет без прорывов в аккумуляторах. Гибридные системы представляют собой реалистичный переходный этап, позволяющий повысить эффективность и снизить выбросы на 25–40 % при минимальных модификациях инфраструктуры. Вероятнее всего, будущее авиации связано с развитием гибридных технологий, а не полной заменой традиционных двигателей.
Литература:
- Aircraft Hybrid-Electric Propulsion: Development Trends, Challenges and Opportunities / D. S. Rodrigues, R. M. G. Silva // Journal of Control, Automation and Electrical Systems. — 2021.
- Diamond Aircraft DA-36 E-Star. (n.d.). http://www.airwar.ru/enc/la/da36.html
- Praveen. (2016, August 17). Solar Impulse 2 (HB-SIB) Solar Airplane — Airport Technology. Airport Technology. https://www.airport-technology.com/projects/solar-impulse-2-hb-sib-solar-airplane/?cf-view
- Пассажиропоток авиатранспорта России. Данные по годам / Statbase. — URL: https://statbase.ru/data/rus-air-passenger-traffic/
- Расчет выбросов для авиационной отрасли в России / HPBS. — 2024. — URL: https://hpb-s.com/news/raschet-vybrosov-dlya-aviaczionnoj-otrasli-v-rossii/
- Созонов А. В. Термодинамика и теория авиационных двигателей / УлГТУ. — 2014. — URL: https://lib.ulstu.ru/venec/2014/Sozonov_4.pdf
