«Мощность практически утраивается»: в России создаётся новый гибридный двигатель для самолётов
Центральный институт авиационного моторостроения разрабатывает гибридную силовую установку для регионального самолёта вместимостью до 80—100 человек. Об этом сообщил RT генеральный директор предприятия Андрей Козлов. Особенностью ГСУ станет применение жидкого водорода в качестве хладагента, что почти в три раза увеличит мощность электрических машин. Ранее институт завершил лётные испытания гибрида на самолёте Як-40 вместимостью до 32 пассажиров. По мнению экспертов, преимущества ГСУ заключаются в повышенной экономичности и снижении выбросов вредных веществ.
Московские инженеры создают гибридную силовую установку (ГСУ) мощностью 1,5—2 МВт. Об этом RT сообщил генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) Андрей Козлов.
«Следующий этап НИР (научно-исследовательских работ. — RT) должен охватить создание ГСУ большой мощности — 1,5—2 МВт (около 2—2,7 тыс. л.с. — RT). Особенностью этой установки станет использование не только более мощного привода на базе турбовального двигателя, но и применение нового хладагента», — рассказал Козлов.
По его словам, успешное завершение таких научно-исследовательских работ предоставит возможность создать технологии для изготовления линейки ГСУ, способных поднять в небо самолёты вместимостью до 80—100 мест.
«В среднесрочной перспективе (2030—2035 годы) возможно появление самолётов с такой силовой установкой — на 19 пассажиров, а к 2040-м годам — региональных самолётов», — уточнил Козлов.
Одной из задач, которую стремится решить ЦИАМ на этом направлении, станет замена хладагента — с жидкого азота на жидкий водород. В результате мощность электрических машин возрастёт почти в три раза.
«Переход на жидкий водород с температурой кипения минус 253 °C сулит ряд преимуществ по сравнению с используемым сегодня в качестве хладагента жидким азотом (с температурой кипения минус 196 °C) и позволит кратно увеличить мощность электрических машин. Если мы понизим температуру кипения хладагента на 57 °C, то мощность практически утраивается при сохранении массогабаритных характеристик ГСУ», — пояснил топ-менеджер.
В перспективе водород (H2) можно использовать и в качестве топлива. При сжигании этого газа не выделяется углекислый газ и по сравнению с авиационным керосином существенно увеличивается энергия на единицу массы. Как полагает Андрей Козлов, испытания водородной авиационной силовой установки, если такое решение будет принято, займут около пяти лет.
Как сообщил глава ЦИАМ, институт уже реализует НИР по топливной системе для силовой установки на жидком водороде. На сегодняшний день сформирован её технический облик и изготовлен демонстратор топливного бака объёмом 300 л для жидкого водорода.
Уникальная схема
Напомним, ранее ЦИАМ завершил научно-исследовательские работы по ГСУ мощностью 500 кВт (679 л.с.). Помимо московского института, в проекте участвовали ЗАО «СуперОкс», Уфимский государственный авиационный технический университет и Фонд перспективных исследований (ФПИ).
Её работоспособность была проверена в ходе лётных испытаний на так называемой летающей лаборатории Як-40ЛЛ, созданной на базе регионального самолёта вместимостью до 32 пассажиров.
Установленный в носовой части самолёта воздушный винт приводился во вращение электромотором, который получал энергию от аккумуляторов и от генератора, вращаемого газотурбинным двигателем (ГТД). На взлёте и наборе высоты самолёта работал ГТД и аккумуляторы. На крейсерском режиме — только газотурбинный двигатель, а аккумуляторы заряжались. Данная ГСУ стала первой в мире подобной разработкой, испытанной в реальных условиях эксплуатации.
«Демонстратор ГСУ состоял из электрического двигателя мощностью 500 кВт с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников, серийного газотурбинного двигателя с генератором и блока литий-ионных аккумуляторных батарей. Изделие не разрабатывалось в привязке к какому-либо летательному аппарату, но концептуально при испытаниях моделировался полётный цикл регионального самолёта», — сообщили RT в ЦИАМ.
В институте считают, что в перспективе такое техническое решение за счёт мощности второго источника позволило бы облегчить ГТД, оптимизировать его конструкцию именно под крейсерский режим полёта и в итоге снизить суммарный расход топлива до 20%.
«Получается, что вместо двух газотурбинных двигателей, дорогих в производстве и в обслуживании, может быть использован один, а его возможные отказы в полёте могут быть компенсированы за счёт аккумуляторной батареи», — отметили в институте.
Подобная схема может использоваться в самолётах местных воздушных линий и небольших региональных воздушных судов. Её апробация на летающей лаборатории стала огромным шагом вперёд отечественного авиапрома, подчеркнули в ЦИАМ.
Один вместо двух
Как отметил в беседе с RT главный редактор портала Avia.ru Роман Гусаров, ГСУ имеет ряд существенных преимуществ в сравнении с классическими авиационными двигателями.
«Самолёт, как правило, летает на двух газотурбинных двигателях. В ГСУ предлагается использовать один агрегат, который вырабатывает электроэнергию, а также аккумуляторы и электромотор. Гибрид легче двух двигателей и занимает меньше места. Таким образом ГСУ позволяет экономить большой объём топлива и при этом увеличивается грузоподъёмность летательного аппарата», — пояснил Гусаров.
Ещё одним достоинством силового агрегата, который создаёт ЦИАМ, эксперт назвал «щадящий» режим работы единственного газотурбинного двигателя.
«Авиационный двигатель всегда изготавливается с учётом необходимости работы на пиковых, экстремальных режимах. ГСУ практически исключает это. В итоге снижается износ газотурбинного двигателя, повышается его надёжность», — рассказал Гусаров.
Однако он обратил внимание и на то, что практическое применение авиационного гибрида сопряжено с некоторыми трудностями. В частности, ГСУ слабо приспособлена для установки на нынешние двухдвигательные самолёты.
«Работа ЦИАМ показывает, что Россия способна создать полноценную работоспособную ГСУ — это перспектива 2030-х годов. Но просто так её невозможно установить как на давно летающие, так и новые самолёты. Целесообразнее всего создать под ГСУ отдельный тип самолёта, в котором будет обеспечено оптимальное соотношение весовых, мощностных и тяговых характеристик», — отметил Гусаров.
В беседе с RT заместитель главного редактора журнала «Авиапанорама» Владимир Попов подчеркнул, что ЦИАМ реализует важный для российской гражданской авиации проект. Опыт испытаний Як-40ЛЛ позволяет сделать вывод о том, что внедрение ГСУ способно повысить эксплуатационные характеристики отечественных самолётов.
«Гибридная силовая установка летает уже сегодня. Это показатель серьёзных успехов ЦИАМ. ГСУ полностью отвечает экологическим тенденциям и в эксплуатации должна быть более экономичной», — сказал Попов.
Однако, как отметил эксперт, для создания ГСУ необходимо решить ряд ключевых задач. Главной проблемой является обеспечение устойчивости аккумуляторов и электрических машин к экстремально высоким нагрузкам.
«Ключевой нюанс, если мы говорим про электрическую часть ГСУ, это надёжная защита от перегрева. Но дополнительная система охлаждения может утяжелить двигатель и свести на нет преимущества авиационного гибрида. Насколько я понимаю, ЦИАМ отказался от этой затеи и сделал ставку на новый хладагент в виде жидкого водорода. Это тоже непростая техническая задача, но у наших инженеров достаточно компетенций, чтобы её решить», — подытожил Попов.