Авиационная электроэнергетика: новейшие разработки и перспективы для отрасли

Начало электрификации было положено российским ученым Лодыгиным в 1868 году. Он собрал и сконструировал первый электрический самолет и сыграл заметную роль в истории авиации России. Это была научная работа. Следующий прорыв — это полет дирижабля, осуществленный в 1883 году Гастоном Тиссандье. Это был воздушный шар, который приводился в движение с помощью электродвигателя. Электродвигатель изобрел Сименс. Далее развитие электрификации шло с переменным успехом. В начале прошлого века авиация начала резко развиваться, и электрификация подтягивалась за ней. Тут тоже русские разработчики и ученые были первыми, когда в 1939 году полетел первый самолет, у которого более 50 элементов оборудования были запитаны от электричества. И только в 1941 году компания Фоккер сделала самолет, который был похож на Пе-2.

Развитие электрических летательных аппаратов

В развитии электрических летательных аппаратов Россия и Советский Союз практически всегда были первыми. Российские самолеты тоже имеют большой уровень электрификации. Полная электрификация подразумевает под собой замену не только гидро- и пневмосистем на электрические, но и замену основного элемента силовой установки самолета на электрическую. Начатое в 2000 году производства литий-ионных аккумуляторов привело к тому, что во всем мире стали собираться самолеты, которые приводились в движение электрическими двигателями. Таких самолетов в мире уже насчитывается несколько сотен. Это существенно повлияло на энергетику авиации. Электрический двигатель создать проще, чем турбинный, а сборка такого самолета намного упрощается по сравнению с тем, что делается с двигателем внутреннего сгорания. Уже придумали летательные аппараты, которые работают на солнечных батареях и водороде, что существенно расширяет перспективы авиации в России.

Преимущества электричества для гражданской и военной авиации очевидны с точки зрения преобразования энергии и КПД электродвигателя. Если у ДВС предельное КПД ограничено циклом Карно и более 40% получить никак нельзя, то электрические двигатели имеют КПД 91%. Самая главная проблема — это источник энергии: если керосин/бензин обладают высокой удельной энергией, то аккумуляторная батарея имеет в 50 раз меньше энергоемкости, чем керосин. Это одна из основных современных проблем авиационной электроэнергетики.

Цифровизация авиационной электроэнергетики

Цифровизация авиационной электроэнергетики — необходимое условие для развития последней и электрификации самолетов. Вступил в силу ГОСТ цифровых двойников,  когда на всех этапах жизненного цикла создаются математические модели, которые реализуются в виде компьютерных программ. Эти программы постоянно обмениваются информацией с самим самолетом. И таким образом параллельно функционированию воздушного борта существует его виртуальный двойник. Всякие отклонения от нормального функционирования цифрового двойника можно всегда отследить и исправить их для реального самолета. 

В дополнение к теме

Как устроены электросамолёты

Под «электросамолётами» подразумеваются электрифицированные летательные аппараты. Специалисты авиационной сферы выделяют следующие виды электрификации воздушных судов: более электрические, полностью электрические, гибридные. Каждый вид имеет свои особенности.

Самолёты повышенной электрификации

Такие аппараты представлены привычными самолётами, которые оснащаются обычными двигателями. Силовые агрегаты обеспечивают преобразование химической энергии при сгорании жидкого топлива в механическую с дальнейшим созданием тяги (сила, толкающая самолёт через воздух). При этом остальные системы представляют собой электрооборудование. Такие потребители преобразуют электричество в механическую энергию.

Полностью электрические аппараты

Такие электросамолёты лишены ДВС, а вся техника работает за счёт энергетической энергии. Тягу в них создают электродвигатели, питающиеся от аккумуляторных батарей. В 2000-х годах главными источниками энергии считались литий-ионные АКБ. Из-за ограниченной ёмкости аккумуляторов летательные аппараты могли совершать довольно короткие рейсы с небольшой дальностью полёта при невысокой грузоподъёмности.

Для решения этой проблемы инженеры авиации РФ и других стран начали работать над внедрением альтернативных способов получения электрической энергии – использованием солнечных батарей или топливных элементов, образующих электричество благодаря водороду. Данный химический элемент имеет превосходные энергетические свойства и не загрязняет окружающую среду. Поэтому в будущем он становится наиболее перспективным вариантом электрификации (electrification).

Гибридные аппараты

Эти электрические самолёты имеют комбинированную силовую установку: сначала ДВС вырабатывает механическую энергию за счёт сгорания топлива, а затем генератор преобразует её в электричество. Также в состав электросамолёта входит аккумулятор для накопления тока. На данный момент в качестве топлива для гражданских и военных аппаратов российские инженеры используют керосин, но в процессе развития электроэнергетики уже начинают внедряться моторы, работающие на водороде. Это открывает широкие перспективы для создания полностью электрических воздушных судов.

Самолёты с электродвигателем: плюсы и минусы

Среди преимуществ электросамолётов инженеры из Москвы и других городов России называют:

• экономичность: электрические летательные аппараты являются более дешёвыми в эксплуатации. Стоимость электричества существенно ниже, чем традиционного самолётного топлива;
• экологичность «зелёной» энергетики: самолёты с электрическими моторами не выбрасывают в окружающую среду диоксид углерода. Однако стоит учесть, что процессы производства и утилизации АКБ, которыми оснащаются новые аппараты, также нельзя назвать полезными для природы;
• удобство в эксплуатации: электросамолёты более просты в управлении, они требуют меньше пространства для взлётов и посадок, а двигатели более устойчивы к повышенным и пониженным температурам. Также моторы являются менее шумными, благодаря чему аэропорты можно будет размещать рядом с жилыми массивами.

Главной причиной, почему зарубежные и отечественные производители (включая создателей аппаратов ВВС) не так активно внедряют электросамолёты, являются ограничения по времени нахождения в воздухе без «дозаправки» (подзарядки).

Подобные аппараты пока неспособны летать так же долго, как аналоги с привычными ДВС. Смогут ли учёные совместно с инженерами решить данную проблему, покажет история. Но стоит заметить, что на текущий момент уже ведутся исследования и активные работы по созданию электросамолётов нового поколения.