Введение
Представьте, что вы сидите в удобном кресле самолета. Он несет вас с тихим гулом. «Это — первый признак того, что аппарат работает на электричестве — тишина» — подумаете вы. Ваши мысли унесут вас далеко из салона, но, может, не слишком, и вы подумаете: «Интересно, какой КПД у двигателя этого самолета? Восемьдесят, а может и все девяносто процентов... Иначе не может быть, речь идет об электрическом двигателе, а не каком-то там керосиновом. Наверняка этот двигатель прослужит еще много лет, он точно прост в уходе и безопасен, и не приносит никакого вреда окружающей среде» ...
Завораживает, не правда ли? Электрические самолеты — это же сплошные плюсы. Так почему же мы все еще не перевели авиацию на электричество?
Свою работу мы посвятили изучению возможностей применения электричества в авиации, а конкретно — в двигателях самолетов.
Актуальность исследования обусловлена в первую очередь современным состоянием окружающей среды, требующим снижения выбросов диоксида углерода, а также конечностью природных ресурсов, потребление которых заметно возросло за последнее десятилетие.
Цель: исследование сегодняшних возможностей и перспектив в будущем самолетов, создающих тягу за счет электрического двигателя.
Гипотеза: использование электричества в самолетном двигателестроении достигло такого уровня, что современные летательные аппараты могут быть полностью или частично электрифицированы.
1. Современные модели с литий-ионными аккумуляторами
Для наглядной оценки сразу же представляем некоторые известные модели электрических самолетов, каждая из которых успешно прошла все испытания.
Extra 330LE компании Siemens — двухместный пилотажный электросамолет. Достиг высоты в 3000 метров за 4 минуты и 22 секунды, что было признано мировым рекордом в ноябре 2016. Крейсерская скорость — 293 км/ч [1].
Cessna 208B Grand Caravan — самый большой в мире полностью электрический самолет. Крейсерская скорость — 324 км/ч [2].
Heaviside компании Kitty Hawk — одноместный электрический самолет с вертикальным взлетом и посадкой, крейсерская скорость — 354 км/ч [3].
Velis Electro — учебно-тренировочный самолет компании Pipistrel, получил сертификат Агентства по авиационной безопасности Европейского союза. Крейсерская скорость — 170 км/ч [4].
Airbus E-FAN — тренировочный самолет, способный выполнять фигуры высшего пилотажа. Крейсерская скорость — 160 км/ч [5].
Как видно, все это самолеты малой авиации с невысокими скоростями, неспособные преодолевать большие расстояния. Все из-за недостаточной мощности даже самых современных литий-аккумуляторных батарей. Для примера: самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 может перевести 600 пассажиров на расстояние 15000 километров за один рейс. По расчетам, на батареях он мог пролететь немногим более 1000 километров. Даже если бы все пассажиры и грузы были заменены батареями, запас хода все равно был бы менее 2000 километров [6].
Но сейчас электросамолеты на аккумуляторах могут заменить модели с ДВС там, где не требуется высокая скорость и дальность полета. Я говорю о сельском хозяйстве. Технически, мы можем прямо сейчас заменить «кукурузники» с ДВС на «электрокукурузники». Это даже можно сделать на основе старых моделей. Переведя с/х авиацию на электричество, мы не только значительно сократим выбросы, но и уменьшим расходы на эксплуатацию, перестанем тратиться на топливо. Жирным плюсом будет безвредность в использовании, ведь, как известно, авиационные бензины содержат тетраэтилсвинец. При сгорании он разлагается, образуя окись свинца, которая плохо влияет на здоровье живых организмов
2. Альтернативы современным аккумуляторам
Электрический двигатель может питаться не только от батарей. Логичные им альтернативы — это солнечные панели и топливные элементы.
2.1. Солнечные батареи
Использование солнечных батарей в авиации лучше всего рассмотреть на примере самолета HB-SIB швейцарской компании Solar Impulse. Суть проекта в том, что, накапливая энергию днем и расходуя ее ночью, самолет теоретически может находится в воздухе неограниченное количество времени. В доказательство тому, что самолет соответствует своему назначению, SI2 (Solar Impulse 2), после многочисленных испытаний, совершил кругосветное полет [7].
Даже самые дорогостоящие солнечные панели производят небольшое количество энергии, по крайней мере для самолета. SI2 спроектирован таким образом, что при размахе крыла (на поверхности которого и находятся солнечные панели) в 72 метра он имеет массу всего 2,3 тонны. За счет этого самолет и взлетел в небо. Имеет низкую крейсерскую скорость даже для самолета малой авиации (70 км/ч).
Очевидно, что реальное производство и эксплуатация самолетов на солнечных батареях в настоящий момент нецелесообразна. И тем не менее, облететь земной шар за счет только энергии Солнца возможно, и это не может не восхищать.
2.2. Водородные топливные элементы
Силовая энергоустановка (электродвигатель — топливный элемент — водород) не имеет ограничения Карно по максимальному КПД (легко достигается КПД в 70–80 %); она надежная, легкая в обслуживании и не шумная (за счет простоты работы: химический процесс преобразования энергии регулируется только электрической нагрузкой). Энергоемкость водорода как топлива в 3 раза больше энергоемкости жидкого углеводородного топлива. И единственным продуктом выделения топливного элемента является вода [8, с. 36].
Однако нельзя не отметить взрывоопасность: транспортировать водород можно только в жидком состоянии при очень низких температурах. Плотность энергии водорода в 2.8 раза выше, чем у авиационного топлива, но жидкий водород составляет всего 18 % от общего веса бака и топлива (авиационное топливо — 78 %). Резервуары с водородом занимают много места. Соответственно, сильно увеличивается массу самолета, сокращается место для полезной нагрузки. Техника транспортировки все еще нуждается в улучшении. Также извлечение водорода «зеленым» способом — электролизом — процесс энергоемкий и затратный, поэтому в настоящий момент дешевым топливом он не является. Все это тормозит развитие водородной энергетики.
В конкретных моделях ТЭ обычно идут в комбинации с другим производителем энергии, так что логичнее рассмотреть их в следующей главе.
3. Гибридные силовые установки
Гибридная силовая установка (гибридный двигатель) — установка, которая сочетает в себе двигатель разные типы двигателей.
Крупные пассажирские самолеты не могут быть полностью подвергнуты электрификации сейчас, когда мы ограничены технологиями своего времени. ГСУ — своего рода компромисс между человеком и технологиями. Посадка и взлет производятся электромотором, а полет — любым ДВС. ГСУ позволят значительно сократить выбросы в атмосферу. Электрическая составляющая увеличит КПД двигателя и тишину его работы. Однако загрязнения все же не исчезнут, ведь весь полет самолет будет проходить за счет ДВС.
Или исчезнут? Ведь в ДВС в качестве топлива можно использовать водород! То есть, вовсе не обязательно полностью переводить авиацию на электричество для предотвращения нанесения экологического ущерба. Хотя с водородным топливом связаны некоторые оговоренные сложности, они не являются нерешаемыми.
Однако пока это только идеи и теории, и мы не способны отказаться от ДВС и перевести авиацию на электричество или водород, ГСУ — лучший выход из положения. Они позволяют создавать самые различные комбинации, выгодные в тех или иных условиях. Например, при взлете и посадке самолет может питаться от аккумулятора, а энергия для горизонтального полета будет вырабатываться топливными элементами. Это компенсирует и малую мощность батарей, недостаточную на полный полет, и массовость резервуаров с водородом, которых было бы гораздо больше, не используй мы ГСУ, и его дороговизну. Эта же мысль пришла словенским конструкторам электросамолета HY4 — первого пассажирского самолета на водородных ТЭ. Его крейсерская скорость — 145 км/ч, дальность полета — 1500 км [9].
Или же, скажем, взлет и посадка осуществляется за счет электродвигателя на ТЭ, а в крейсерском режиме используется водород в ДВС. Компания Airbus не так давно представила три такие концепции самолета на водородном топливе. [10] Каждый будет оснащен водородными топливными элементами и переделанными под водородное топливо газотурбинными двигателями. Вообще, разработки по «гибридным» самолетам ведут такие компании, как UTC, Rolls-Royce, Airbus, Safran, General Electric, Pipistrel и многие другие. Начались летные испытания летающей лаборатории ЯК-40ЛЛ — российского проекта в области ГСУ.
4. Заключение
Таким образом, мы пришли к выводу, что изначальная гипотеза данного исследования подтверждается частично, ведь на сегодняшний момент человечество не в состоянии перевести авиацию, за исключением отдельных отраслей, на электричество. Однако это возможно в недалеком будущем, ведь мы уже достаточно изучили данную проблему, чтобы выделить основные направления решений и исследований. Для создания большого количества конкурентоспособных электрических самолетов еще не накоплена достаточная техническая база, однако сейчас идут активные разработки в частных и государственных компаниях, т. к. мировое сообщество заинтересовано в создании экологически чистых самолетов, не зависящих от невозобновляемых ресурсов. Водородные топливные элементы могут являться тем самым неисчерпаемым безвредным для экологии топливом. Создание самолетов с гибридными двигателями — перспективное направление и промежуточный шаг между использованием самолетов с ДВС и внедрением полностью электрических самолетов.
При возможности я бы направила дальнейшие исследования на изучение применения электрических и гибридных двигателей в вертолетах и БПЛА.
Считаем, что представленная нами работа имеет теоретическую значимость, т. к. систематизирует данные о развитии электросамолетов сегодня, определяет ГСУ как наиболее перспективное направление изучения сегодня. Практическая значимость исследования заключается в возможности воплощения некоторых идей на практике, работа может быть использована как краткое введение в электрическую авиацию.
Литература:
- EA-330[Электронный ресурс] //Уголок неба. — Режим доступа: http://www.airwar.ru/enc/la/extra330.html — Дата доступа: 15.10.2022
- Cessna 208B Grand Caravan [Электронный ресурс] // Avialeasing Company. — Режим доступа: http://avialeasing.biz/aviatekhnika/regionalnye-vozdushnye-suda/cessna-208b-grand-caravan.html — Дата доступа: 15.10.2022
- Kitty Hawk Heaviside [Электронный ресурс] // Electric VTOL News. — Режим доступа: https://evtol.news/kitty-hawk-heaviside/ — Дата доступа: 17.10.2022
- Pipistrel Velis Electro [Электронный ресурс] // ВикибриФ. — Режим доступа:https://ru.wikibrief.org/wiki/Pipistrel_Velis_Electro — Дата доступа: 17.10.2022
- E-Fan: Электровентиляторный самолет, пригодный для серьезного пилотажа, продемонстрирован на авиасалоне в Ле-Бурже [Электронный ресурс] // TechInsider. — Режим доступа: https://www.techinsider.ru/technologies/14333-e-fan-elektroventilyatornyy-samolet-prigodnyy-dlya-sereznogo-pilotazha-prodemonstrirovan-na-aviasalo/ — Дата доступа: 17.10.2022
- Electric planes are here — but they won’t solve flying’s CO₂ problem [Электронный ресурс] // The Conversation. — Режим доступа: http://theconversation.com/electric-planes-are-here-but-they-wont-solve-flyings-co-problem-125900 — Дата доступа: 27.10.2022
- Solar Impulse [Электронный ресурс] // Wikipedia. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Solar_Impulse — Дата доступа: 01.11.2022
- Баранов И. Е., Фатеев В. Н., Порембский В. И., Калинников А. А. Авиационная силовая установка на водородовоздушных твердополимерных топливных элементах. / Баранов И. Е., Фатеев В. Н., Порембский В. И., Калинников А. А. // Транспорт на альтернативном топливе. — 2015. — № 3. — С. 36–40.
- HY4 — первый в мире пассажирский самолет на водородных топливных элементах [Электронный ресурс] // Wikipedia. — Режим доступа:https://ru.wikipedia.org/wiki/HY4_(самолёт) Дата доступа: 10.11.2022
- Компания Airbus представила три прототипа «чистых» самолётов [Электронный ресурс] // Euronews. — Режим доступа:https://ru.euronews.com/2020/09/21/airbus-presents-three-hydrogene-planes Дата доступа: 16.11.2022
