Российские ученые поднимутся в воздух на сверхпроводниковом двигателе

5 февраля в Новосибирске начались наземные отработки самолета — летающей лаборатории с демонстратором гибридной силовой установки (ГСУ), оснащенной сверхпроводниковым (ВТСП) электродвигателем мощностью 500 кВт.

В авиации с 2011 году перспективным направлением признаны самолеты с электродвигателями. Ряд инновационных проектов инициированы известными компаниями и организациями (Airbus, Boeing, NASA, DARPA, JAXA). Достигнуты значимые результаты в виде демонстраторов технологий.

Так, год назад Европейская авиастроительная корпорация Airbus совместно с компаниями Rolls-Royce и Siemens начала реализовывать программу E-Fan X, с конечной целью — создание «электрического» самолета. Демонстратор технологий должен был совершить первый полет в 2020 году, но в апреле 2020 года программа была свернута из-за пандемии COVID-19. В рамках этой программы Airbus намеревалась поднять в воздух среднеразмерный пассажирский реактивный самолет BAe 146, оснащенный одним опытным электродвигателем, мощность которого составляла бы 2 МВт (в штатном варианте BAe 146 имеет четыре турбовентиляторных реактивных двигателя).

В России разработкой электросамолетов занимается Фонд Перспективных Исследований, а конкретно — реализующее проект Фонда московское ЗАО «СуперОкс» (разработки на основе оксидных сверхпроводников). Как рассказал эксклюзивно для «Наука» заместитель генерального директора по аэрокосмическим технологиям ЗАО «СуперОкс» Алексей Сергеевич Воронов «В апреле 2021 года планируется завершение научно-технического проекта ФПИ «Контур» по созданию электродвигателя на основе высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов 2-го поколения. В рамках проекта разработан демонстратор авиационной интегрированной электроэнергетической системы (АИЭС) для перспективных летательных аппаратов на основе единой ВТСП-платформы, включающей подсистемы выработки электроэнергии, ее преобразования и передачи, а также высокоэффективного привода воздушного винта. Основные элементы АИЭС представлены на рисунках 1, 1а, 1б.

Схема авиационной интегрированной электроэнергетической системы (АИЭС) на основе единой ВТСП-платформ. Фото предоставлено компанией "СуперОкс"

Рис. 1а. ВТСП-двигатель. Фото: Фото предоставлено компанией "СуперОкс"

Рис. 1б. ВТСП-кабель. Фото: Фото предоставлено компанией "СуперОкс"

Мощность двигателя составляет 500 кВт. Ключевыми отличиями разработанной электроэнергетической системы от существующих образцов является принцип сверхпроводимости и технология получения высокотемпературных сверхпроводников в виде провода (ленты) и возможность производства из ВТСП-лент 2-го поколения элементов электрических и электромагнитных систем. Разработка защищена десятками патентов и Ноу-Хау. Созданный в ходе выполнения проекта «Контур» научно-технический задел обеспечивает возможность:

• повышения удельной мощности электрических машин до 5 кВт/кг и более;
• снижения расхода топлива до 30%;
• снижения шумности на 20%;
• повышения транспортной эффективности на 10%.

На период с 2021 по 2026 годы запланирована разработка технологии создания полностью электрического самолета, что позволит Российской Федерации стать мировым лидером в переходе от традиционного парка самолетов, к аппаратам нового поколения».

Эффективность применения авиационной техники в терминах расхода топлива и стоимости пассажиро-километра или тонно-километра определяется весовой эффективностью используемой силовой установки. Традиционные подходы к созданию силовых установок, когда энергия топлива при сжигании преобразуется в тягу напрямую (турбореактивный двигатель – реактивная тяга, турбовентиляторный двигатель – воздушная тяга второго контура, турбовинтовой двигатель – тяга винта), достигли своего предела ввиду отсутствия потенциала для модернизации и оптимизации за приемлемую стоимость и время.

Концепция гибридных силовых установок (ГСУ) позволяет наиболее эффективно реализовывать расход топлива (источника энергии) вне зависимости от профиля полета летательного аппарата. Такой эффект достигается за счет того, что в гибридной схеме используются электрические приводы винта или вентилятора, а также существует энергетический буфер в виде аккумуляторных батарей. Применение подхода, когда генерация, передача и распределение энергии производится по электрическим проводам, позволяет управлять расходом топлива имея прогноз потребления энергии на борту ЛА.

В настоящее время ГСУ реализованы и серийно выпускаются для образцов автомобильной техники. А.С.Воронов убежден, что единственным подходом к созданию высокоэффективной ГСУ, способной конкурировать с существующими энергоустановками, является использование ВТСП-материалов, которые кратно отличаются от традиционных проводников (медь, алюминий и их сплавы) по токо-несущей способности. Они позволяют создавать эффективные электродвигатели, силовые кабели, системы защиты от токов короткого замыкания, которые отличают предельно высокие удельные мощностные характеристики. Развитие технологий производства ВТСП-лент привело к созданию более совершенных ВТСП-двигателей и значительному расширению сфер их применения. Снижение потерь на переменном токе в ВТСП-ленте 2-го поколения более чем в 10 раз обеспечило возможность в ходе проекта «Контур» впервые в мире изготовить из ВТСП-материалов статорные обмотки и разработать для демонстратора ВТСП-АИЭС эффективные электрические машины с меньшими массо-габаритными характеристиками и заданной скоростью вращения вала. В основе этих электрических машин лежит принцип построения синхронной электрической машины с использованием сверхпроводников в качестве токонесущих элементов.

Более высокая плотность тока, допустимая в ВТСП-материалах, приводит к значительному улучшению основных характеристик электрической машины и кабелей. С целью обеспечения криогенных температур, необходимых для функционирования сверхпроводников, были использованы доступные технологии криостатирования (вакуумные криостаты с многослойной изоляцией) и криоохлаждения (криокулеры, жидкий азот в качестве криогенной жидкости).

За счет усовершенствования технологии производства и повышения инженерной плотности тока ВТСП-ленты представляется возможным модернизировать имеющиеся технологии и создавать электрические машины на ВТСП мегаваттного класса. Степень надежности как электрической машины, так и других элементов ВТСП-системы и системы криогенного обеспечения при этом выходит на более высокий уровень.

Основные технологические проблемы, решенные в ходе проекта «Контур», заключались в необходимости создания ВТСП-провода, обеспечивающего возможность работы элементов статора двигателя в переменном магнитном поле с критическим током более 150 Ампер при частоте 250-300 Гц, а также интеграции криогенной среды в «теплую» электрическую машину с необходимостью теплоизоляции криогенного объема. «Нами решена задача объединения ВТСП-элементов в единую систему с общим криогенным охлаждением!» — доволен результатом Воронов.

При создании нового двигателя также решена задача повышения выживаемости ВТСП-обмоток при многократном ударном термоциклировании с комнатной температуры до температуры жидкого азота. Обеспечение необходимого криогенного охлаждения ВТСП-элементов системы достигнуто за счет увеличения скорости и объема прокачки хладагента, эффективными тепловыми развязками и мостами, обеспечением работы с переохлажденным жидким азотом в диапазоне температур от 77 К до 70 К. Контроль уровня охлаждения обеспечивался организацией сбора требуемых параметров (температуры, давления и т.д.) и передачу собранной информации в систему управления.

Изготовление компонентов ВТСП освоено на производственной площадке ЗАО «СуперОкс» в Москве (технопарк на Калужской). Разработкой заинтересовалось Минпромторговли РФ.

Рис. 2. Схема расположения электродвигателя на крыле самолета BAe 146

Фото: Airbus

В 2016 году Американское космическое агентство NASA представило демонстрационный электросамолет Х-серии, винты которого приводятся в движение четырнадцатью электродвигателями (рис. 3). Новые технологии отрабатываются на экспериментальном образце самолета X-57, получившего название «Максвелл», в рамках 10-летней программы New Aviation Horizons с бюджетом $790 млн.

Рис. 3. Самолет Х-57 Maxwell

Фото: Maxwell

По расчетам создателей X-57, энергия, которая требуется для полета, сократится в пять раз в сравнении с обычным самолетом, летящим на скорости 175 миль/час. Кроме того, «Максвелл» будет работать исключительно на батареях, что исключает выброс углекислого газа в атмосферу во время полета и значительно уменьшит шум самолета. В рамках указанной программы планируется дополнительно создать пять крупных транспортных самолетов Х-серии, с задачами демонстрации передовых технологий по сокращению потребления топлива, выбросов и шума, для их скорейшего вывода на рынок.

Исследования Airbus, Boeing, Rolls-Royce, NASA, DLR и JAXA показывают, что создание гибридных силовых установок позволит снизить потребление топлива региональных и магистральных самолетов до 70 %, а шумность — на 65 %. Для мощности двигателя, превышающей 1 МВт, только применение ВТСП-технологий позволяет достичь этих целевых показателей (рис. 4).

Рис. 4. Место перспективных электрических систем в линейке авиационных силовых установок (источник: Rolls Royce, 2020)

Фото: Rolls Royce

Компании Airbus и Siemens с 2016 года ведут активные исследования в этом направлении с целью обеспечить технологический прорыв и заложить фундамент для новых стандартов в области авиации, в частности, в рамках проекта LuFo-V2 TELOS с финансированием 23,4 млн евро.

На прошедшем в 2019 г. парижском авиасалоне Le Bourget компания MagniX продемонстрировала два электрических авиационных двигателя: magni250 мощностью 375 лошадиных сил и 750-сильный magni500. Электродвигатель magni500 представлен на рис. 5.

Электродвигатели модельного ряда magni позиционируются как более экономичная и экологичная замена газотурбинным двигателям Pratt and Whitney PT6, традиционно применяемым на самолетах малой авиации. На этап серийного производства компания планирует выйти в 2022 году. Характеристики двух модификаций электродвигателей magni представлены в табл. 1.

В рамках программы Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED) в 2019 г. разработан прототип полностью сверхпроводящего авиационного двигателя (рис. 6) и в течение 2020 г. проводится изготовление его демонстрационного образца.

Рис. 6. Макет ВТСП-двигателя ASuME

Фото: Oswald Elektromotoren

Проект ВСТП-двигателя ASuMED координируется немецкой компанией Oswald Elektromotoren при поддержке европейской программы Horizon 2020. Бюджет программы составляет около 10 млн долл. В проекте приняла участие российская компания ЗАО «СуперОкс» с задачами разработки и поставки ВТСП-ленты 2-го поколения. Конфигурация ВТСП-двигателя ASuMED представляет собой синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет магнитного поля, генерируемого в ВТСП-роторе и ВТСП-статоре, работающих при температуре – 250°С (охлаждение жидким водородом). Целью программы ASuMED является создание прототипа ВТСП-двигателя, обладающего плотностью мощности и эффективностью, достаточными для реализации проекта «Гибридно-электрического распределенного движения» (HEDP) перспективного большого гражданского самолета, характеристики которого должны соответствовать требованиям по экологии и эргономики, намеченных Flightpath 2050. Проектные характеристики двигателя, создаваемого в рамках программы ASuMED, представлены в табл. 2. В перспективе компания Oswald Elektromotoren планирует повысить мощность силового агрегата до 10 и более мегаватт.

Наиболее значимые проекты по перспективным разработкам для авиации с применением ВТСП-технологий приведены в табл. 3.

Результаты концептуальных исследований возможных подходов к построению летательных аппаратов на основе передовых технологий приведены в табл. 4

Для каждой компании, представленной в табл. 4, определен горизонт прогнозирования, когда станет возможно достижение требуемого уровня технической готовности для создания первого самолета данного типа:

• для Boeing и NASA STARC-ABL техническая готовность будет достигнута в 2025-2030 годах, а эксплуатационные возможности появятся к 2030-2040 годам;
• Airbus имеет техническую готовность, а эксплуатационных возможностей она достигнет к 2025 году;
• ESAero планирует достигнуть технической готовности уже в 2020 году и эксплуатационных возможностей – в 2025-2035 годах.

Таким образом, проведенный анализ развития инновационных технологий в авиации позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день все ведущие авиастроительные компании мира находятся в преддверии реализации концепции полностью электрического самолета. Практически все проекты планируют применение ВТСП-технологии как основы для технологического прорыва в создании ГСУ мегаваттного класса для перспектив авиационного применения.

В России развитие рассматриваемых технологий проводится в аналогичных направлениях, а именно:

• технология электродвижения включена в Перечень приоритетных направлений развития оборонно-промышленного комплекса России;
• создание электрического самолета предусмотрено «Стратегией развития авиационной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года»;
• создание перспективных электрических силовых установок, включено в «Стратегию развития судостроительной промышленности до 2035 года» как один из основных приоритетов научно-технического развития отрасли;

«Транспортной стратегией Российской Федерации до 2035 года» предусмотрен массированный переход на гибридные силовые установки и двигатели, использующие сжиженный газ.

Основным национальным достижением в области силового электродвижения можно считать создание единой системы энергообеспечения и электродвижения с использованием технологий сверхпроводимости (проект «Контур»), аналогичных которой, ни серийно, ни на уровне демонстраторов зарубежными конкурентами не производится. Полученный в рамках проекта уникальный НТЗ вывел Российскую Федерацию в лидеры по созданию электрического самолета, с опережением ближайших конкурентов на 3-5 лет.

Для реализации достигнутых конкурентных преимуществ необходимо провести разработку первого регионального пассажирского самолета с ГСУ на основе ВТСП-технологий. Реализация этого амбициозного проекта в короткие сроки становится

возможной благодаря сложившейся кооперации передовых отечественных компаний, обладающих требуемыми компетенциями:

• ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» – головная научная организация российского авиа-двигателестроения;
• ПАО «Туполев» – ведущее отечественное предприятие в области проектирования, производства и послепродажного сопровождения летательных аппаратов различных классов;
• ЗАО «СуперОкс» – лидирующая инновационная компания, способная обеспечить высокий научно-технический и производственный уровень ВТСП-узлов и механизмов перспективного электрического самолета.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук