Более электрический самолёт

Полёт как чудо

Когда размышляешь о самолёте будущего, то образы возникают примерно такие: нечто похожее на летающую тарелку перемещается с гиперзвуковой скоростью, перевозя по тысяче человек вместе с автомобилями и домашними животными… Пока, понятное дело, это фантастика.

В ближайшие 5–15 лет самолёт вряд ли радикально изменится. Но его можно сделать ещё более комфортным. Мы хотим есть в полёте только что приготовленный ужин, подзаряжать ноутбук и планшет и вообще чувствовать себя как дома, а то и лучше.

При этом во всём мире ужесточают экологические требования: необходимо уменьшать шум и выбросы. Международное сообщество поставило задачу к 2050 году сократить выбросы СО₂ на 75 %. Ну а компаниям-​перевозчикам, естественно, хочется уменьшить расходы на полёт и обслуживание. Тогда билеты станут дешевле, а прибыль больше.

О будущем самолётов мне рассказывает директор Научно-​технического центра «Объединённой авиастроительной корпорации» Владимир Каргопольцев — «главный учёный ОАК», как его неофициально называют.

Немного смущаюсь — этот человек причастен к тайнам самолётостроения, а я лишь любопытный пассажир. Честно признаюсь:

— Я, наверное, летал больше сотни раз. Но каждый полёт для меня по-​прежнему чудо. Почему многотонная махина поднимается в воздух, я ещё могу понять. Но то, что она летит со скоростью пистолетной пули на высоте побольше Эвереста, а я почти ничего этого не чувствую… Магия — да и только!

— Вы в чём-​то правы. Это похоже на чудо. В самолёте сотни тысяч элементов, образующих единую систему. Вероятность того, что один из них выйдет из строя, очень мала, но, складываясь по цепочке, становится большой. А надо не только поднять самолёт в воздух и заставить лететь, есть задачи посложнее — сделать полё­ты дешёвыми, тихими и экологичными. И что самое сложное, решать эти задачи нужно одновременно, хотя они противоречат друг другу. И здесь важную роль может сыграть использование электрической энергии.

«Это нож в спину двигателя…»

Рассматриваю схему самолёта в разрезе. Я сразу предупредил сотрудников ОАК, что пацифист и не интересуюсь военной авиацией. Поэтому мне показывают пассажирский Sukhoi Superjet 100 — один из первых самолётов, созданных в России после долгого перерыва.

Вокруг картинки разбросаны аббревиатуры: СКВ, ­БРЭО, ПОС… Эти загадочные слова обозначают как раз то, что делает наш полёт комфортным и безопасным. Например, СКВ — это вовсе не свободно конвертируемая валюта, а система кондиционирования воздуха, ­БРЭО — бортовое радиоэлектронное оборудование, а ПОС — противообледенительная система.

Суммарная мощность этих устройств может доходить до 1,8 мегаватта, что эквивалентно затратам городского квартала или даже небольшого посёлка. Это без учёта расходов на сам полёт — речь только о вспомогательных системах.

Современный самолёт использует четыре вида энергии: пневматическую, гидравлическую, электрическую и механическую. Например, гидравлика ­обеспечивает работу шасси и дверей, механика — масляных и топливных насосов. Пневматика применяется для запуска двигателя и кондиционирования воздуха. В традиционном варианте на электрику приходится примерно одна восьмая всех затрат, а то и меньше.

— Это неправильно, ведь электричество — наиболее уп­равляемый вид энергии, — говорит Каргопольцев и переходит на профессиональный язык: — Решение этой многомерной оптимизационной задачи основано на технологиях мехатронных систем, основу которых образует точное цифровое управление функциональными процессами всех систем самолёта. Управление полной энергией самолёта наиболее эффективно ­реализуется при переходе к одному типу энергии — электрическому. Сейчас это направление в развитии авиации рассматривается в качестве одного из главных.

Попробуем объяснить проще. Самый очевидный пример — шасси. Обычно самолёт рулит по аэродрому, используя основной двигатель в режиме малой тяги. Получается не очень эффективно. Много шума, грязи, большой расход горючего, низкая манёвренность. Инженеры ОАК предлагают не трогать двигатель, а превратить самолёт в подобие электромобиля.

— Мы разработали электрический привод для Superjet, — рассказывает Каргопольцев. — Сначала думали на носовое шасси установить, но на него приходится только 7–8 % массы — начинается пробуксовка. И мы вставили привод в основное шасси. Благодаря этому самолёт теперь разворачивается на месте, ездит задним ходом. Когда использовался двигатель, это было нереально. А сейчас он может хоть вальс танцевать! Я не шучу — вам показать?

На экране смартфона загружается видео. Действительно, манёвры самолёта на аэродроме напоминают танец.

— Шасси с электрическом приводом более ­проходимо. А значит, снижаются требования к взлётной полосе. К тому же это безопаснее. 75 % повреждений самолёт получает во время руления по земле: например, в работающий двигатель может залететь камешек, — продолжает Каргопольцев. — Наконец, экология. ­Самолёт сильнее всего загрязняет воздух не когда он в небе, а при взлёте и посадке, на аэродромах и возле них. Уверен, что те, у кого нет электрического шасси, скоро начнут платить штрафы. Это как с шумом. Когда на Западе собирались вводить ограничения по шуму, это казалось смешным. А сейчас это норма, с которой сталкивается каждая авиакомпания.

ОАК подсчитала выгоды от перехода на электропривод­ное шасси. За год можно будет сэкономить до 200 тысяч литров горючего (на один самолёт). Количество вредных выбросов возле аэродромов снизится на 75 %; шум в районе руления уменьшится на 90 %; вероятность попадания посторонних предметов в двигатель до взлёта сократится до нуля; парк ­наземных тягачей — на 40 %. В перспективе появляется возможность уменьшить взлётно-​посадочную дистанцию и снизить требования к базированию самолёта.

Другой пример — кондиционирование воздуха. ­Сидя в салоне у окошка, сложно поверить, что в каких-​то двадцати сантиметрах верхняя граница атмосферы, минус пятьдесят градусов и разрежённый воздух, от которого началась бы горная болезнь даже у опытного альпиниста. Мы дышим спокойно.

— Это нож в спину двигателя! — сокрушается Каргопольцев.

Он имеет в виду, что воздух, которым мы дышим, отбирается у основной турбины, что снижает её эффективность. Конечно, берут его не из камеры сгорания, а на первых стадиях компрессии. Но он всё равно горячий — до 500 градусов. Воздух нужно охладить, очистить и увлажнить, стабилизировать давление. На это требуется энергия, которую тоже отнимают у двигателя.

— В идеале воздух следует забирать отдельно. Но для этого нужна электрика — для компрессора, фильтров и всего остального, — продолжает учёный.

Летим дальше. Для запуска основных турбин самолёта обычно применяется устройство под названием ВСУ — вспомогательная силовая установка. Это газотурбинный двигатель, расположенный, как правило, в хвосте. Иногда его используют и как источник энергии для вспомогательных систем. Но большую часть времени эта увесистая штука простаивает и летит просто как багаж. ВСУ реально заменить электричеством, как в автомобилях.

Электрификация может коснуться и самого ­двигателя. В нём много чего работает на механике, пневматике и гидравлике — системы смазки, подачи топлива и т. д. Если их сделать электрическими, то масса двигателя уменьшится на 10–15 %, а стоимость обслуживания — в два-​три раза.

Впрочем, учёные думают не только о выгодах, но и об угрозах. Не даст ли электроника сбой, когда вокруг столько электромагнитных полей? Не спровоцирует ли более электрический самолёт образование молний? Надо всё просчитывать и моделировать.

Отдельные вопросы — потеря энергии при передаче по проводам и пожарная безопасность. Здесь на помощь может прийти ещё одна технология — сверхпроводимость. Речь идёт о способности некоторых сплавов при очень низких температурах проводить ток с нулевым сопротивлением. Грубо говоря, провода погружают в жидкий азот, и электричество течёт по ним без потерь. Достоинство сверхпроводимости ещё и в том, что, случись вдруг короткое замыкание, цепь сразу разорвётся и пожара не будет.

Тяжёлое электричество

Использование электричества для перемещения по воздуху имеет давнюю историю. Сложно сказать, кто был первым. Наверное, отсчёт стоит вести с изобретателя Гастона Тиссандье, который в 1883 году совершил полёт на дирижабле La France, используя электрический двигатель.

Получается, электромоторы стали применять для полётов даже не в прошлом, а в позапрошлом веке, однако сейчас электрический привод шасси воспринимается как инновация. Что же пошло не так?

Для ответа на этот вопрос достаньте из кармана смартфон и взвесьте его в руке. Чуть ли не половину массы гаджета составляет аккумуляторная батарея. Сколько ни вкладывают в свои разработки гиганты хайтека, средства хранения энергии остаются всё такими же тяжёлыми. Кстати, на первом электрическом ­дирижабле ­была установлена батарея весом больше 400 килограмм — вместо неё можно было взять пятерых пассажиров.

В самолётах проще было использовать углеводороды: керосин и бензин. Только в 1973 году, то есть через девяносто лет после опыта с дирижаблем, состоялся полёт моторного планера Militky MB‑E1 на электродвигателе. Он продержался в воздухе чуть больше десяти минут, а разместиться внутри могли лишь пилот и один пассажир. Выглядело не очень серьёзно, учитывая, что обычные лайнеры летали через океан с тремя сотнями человек на борту.

Конечно, с тех пор технологии продвинулись вперёд. Например, стали активно использоваться солнечные батареи. С их помощью самолёты уже могут перемещаться на сотни километров. Пару лет назад Solar Impulse 2 даже совершил кругосветное путешествие — правда, с 12 промежуточными посадками.

Но всё это маленькие машины, для которых полёт — это эксперимент, вызов, приключение. А мы-​то хотим просто пройти регистрацию в аэропорту, сесть в кресло, задремать и проснуться, допустим, в Сочи. Или в Берлине. Никакой площади крыла не хватит, чтобы собрать столько солнечной энергии: в случае пассажирского лайнера это несколько тысяч квадратных метров.

Увы, о полностью электрических самолётах, рассчитан­ных на массовые перевозки, речи пока не идёт. ­Зато во­всю обсуждается увеличение доли электричества в энергетическом обеспечении самолёта. Напомним, кроме собственно движения в воздухе самолёту нужно ещё очень много энергии — почти два мегаватта. Но получать дополнительные ватты можно, например, преобразуя энергию посадки самолёта в электричество. Однако на этом проблемы не заканчиваются.

— То, что электрическая энергия самая удобная и эффективная, вроде бы никто не оспаривает. Возникает вопрос, в чём её хранить, — начинает объяснять химик Юрий Добровольский.

Самый очевидный ответ — аккумуляторы. Да, на самолётах их тоже используют, но в очень ограниченных масштабах. Как уже говорилось, они слишком тяжёлые. Один килограмм запасает от 20 до 100 ватт энергии, а значит, для потребностей более электрического самолёта нужна аккумуляторная установка как минимум в несколько тонн.

Вторую проблему тоже легко понять, вспомнив о мобильнике. Если несколько веков назад каждый приличный человек должен был перед сном помолиться, то сейчас большинство совершает другой ритуал — ставит на зарядку гаджеты. Аккумуляторы не умеют ­быстро накапливать и отдавать энергию. Представьте, что самолёты будут часами стоять и заряжаться — авиаперевозчики тут же обанкротятся. Надо искать дополнительный способ хранения электричества.

Протоны, электроны и другие спутники пассажира

Когда лет через десять вы будете взмывать в небо, предвкушая свидание с тёплым морем или интересную встречу на конференции, не забудьте помянуть добрым словом две технологии: суперконденсаторы и топливные химические элементы. Именно их предлагают использовать для запасания энергии в более электрическом самолёте как дополнение к традиционным аккумуляторам.

Суперконденсатор (его ещё называют ионистором) представляет собой нечто среднее между традиционным конденсатором и химическим источником тока. Главная особенность — использование пористых материалов вроде активированного угля или вспененных металлов. Среди плюсов долговечность, а главное, большие токи зарядки и разрядки. В самолёте такое устройство можно использовать, например, для запуска маршевого двигателя — когда нужно много энергии, но на очень короткий срок. Есть у него и минусы: дорогой и довольно быстро теряет заряд.

Поэтому для остальных задач больше подойдёт вторая технология. Юрий Добровольский — один из немногих российских учёных, которые разрабатывают топливные химические элементы для самолётов:

— Они относительно небольшие и лёгкие, ведь вся энергия у них в водороде. Это важно для авиации. На один килограмм массы можно запасти не меньше 500 ватт.

Работа такого топливного элемента напоминает горение: на входе кислород и водород, на выходе энергия, только не тепловая, а электрическая.

Устроена эта штука так. С одной стороны катод (отрицательный полюс), с другой — анод (положительный). Оба электрода обычно представляют собой угольную пластину, на которую нанесён катализатор — платина или платиновый сплав.

Если вкратце, то на аноде молекулы водорода распадаются на ионы — отрицательные электроны ­отделяются от положительных протонов. Дальше в дело ­вступает специальная мембрана, которая пропускает протоны и задерживает электроны. Когда водородные протоны добираются до катода, они соединяются с другими электронами и молекулами кислорода. Итог реакции — обычная вода, электричество и немножко тепла. КПД устройства доходит до 70–80 %.

Сама идея не нова. Ещё в 1839 году английский учёный Уильям Гроув обнаружил, что водород и кислород можно превращать в воду без горения, получая при этом ток и тепло.

Но одно дело лабораторный эксперимент, другое — промышленное использование. Долгое время топливные элементы были очень капризными: плохо реагировали на тряску, перепады температуры и прочие вызовы окружающей среды. Технологию надо было доводить до ума, чем занимались и занимаются учёные во многих лабораториях мира.

Юрий Добровольский с коллегами достиг в этом деле немалых успехов.

— Наши топливные элементы могут работать даже при минус сорока. А западные аналоги рассчитаны только на плюсовые температуры.

Естественно, такие системы имеют и недостатки. Например, они достаточно дорогие.

— Это, наверное, из-​за платины, которая используется как катализатор? — уточняю я.

— Не совсем. Стоимость платины всего 5 %. Самое затратное здесь мембраны, их очень сложно сделать. Правда, у нас это получается дешевле, чем у многих. Собственно, технология изготовления мембран и есть наше главное ноу-​хау. К тому же эти затраты в ­любом случае окупятся, ведь топливные элементы живут очень долго. Мы проверяли: 50 тысяч часов непрерывной работы они выдерживают. Это столько, сколько живёт сам самолёт.

Следующий вопрос: где взять водород для заправки? С этой проблемой столкнулись, когда начали внедрять автомобили на водороде. Может, они и чище, и эффективнее, но бензин можно залить в бак на каждом углу, а заправку альтернативного типа ещё найти надо.

Добровольский уверен, что с самолётами таких трудностей не будет.

— Водород может обеспечить практически любой город с населением больше ста тысяч. Его же и так производят, например, для изготовления пластмасс, мыла, маргарина, удобрений.

Исследования Юрия Добровольского и его коллег — это уже не теория, не лабораторные опыты, а вполне применимая технология. Учёные активно сотрудничают с ОАК и другими производственными компаниями.

— Я думаю, электрики в самолёте с каждым годом будет всё больше. Когда-​нибудь дело дойдёт и до маршевого двигателя — мы откажемся от тепловой машины в пользу электричества. 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №11-12 (37-38) за ноябрь-декабрь 2017 г.

_{Подписаться на «Кота Шрёдингера»}