Автор: Бадакова Анастасия Васильевна
Возраст: 17 лет
Место учебы: Гаврилов-Ямский филиал РГАТУ имени П.А Соловьева (техник-конструктор завода "Агат")
Город, регион: город Гаврилов-Ям, Ярославская область
Руководитель: Корнилов Алексей Сергеевич, инженер-конструктор завода "Агат"

Историко-исследовательская работа: "Электрическое "сердце" летательных аппаратов: история применения и перспективы развития". 

Целью моей историко-исследовательской работы является: провести анализ исторических работ, по разработкам летательных аппаратов на электродвигателях. В своей работе, я расскажу о том, какие летательные аппараты создавались раньше, создаются сейчас и что нас ждет в будущем, а так же их назначения.

В данной работе рассматриваются следующие авиационные летательные аппараты: электрический самолет, беспилотный летательный аппарат, вертолеты с применением электродвигателей.

План: 

• Введение
• Какова история применения электродвигателей в авиации? Прошлое и настоящее
  Электрический самолет. История
  Беспилотные летательные аппараты на электродвигателях. История
  Электровертолеты. История
• Какие авиационные летательные аппараты были созданы благодаря использованию электродвигателей?
• Перспектива использования электрических двигателей в авиационных проектах
  Электровертолеты. Какого их будущее? 
  Электросамолеты. Какого их будущее?
  Беспилотные ЛА на электротяге. Какого их будущее?
• Вывод

​​​​

Введение

Электрическое «сердце» - это электрический двигатель. Электродвигатель – это электромашина, которая преобразует электрическую энергию, в механическую. В настоящее время они широко применяются в различных сферах. Например, в быту: электродрели, пылесосы, миксеры, швейные машины, стиральные машины и др. Станки на производстве работают на электрических двигателях. Так же он применяется в авиации.

Электрические авиационные двигатели появились в XIX веке, но стали пользоваться популярностью сравнительно недавно. Причиной стало появление емких аккумуляторов и дешевых материалов, что поспособствовало сильному уменьшению затрат на производстве. Более того данный вид двигателей имеет ряд преимуществ: высокий КПД, отсутствие вредных выхлопов, пожаро- и взрывобезопасность, экономичность, надежность, долговечность, малый шум.

Исходя из данных преимуществ у меня возникло много вопросов:

1. Какова история применения электродвигателей в авиации? Прошлое и настоящее.

2. Какие авиационные летательные аппараты были созданы благодаря использованию электродвигателей?

3. Перспективно ли использования электрических двигателей в авиационных проектах?

Какова история применения электродвигателей в авиации? Прошлое и настоящее.

Электрический самолет. История

Электрический самолёт — это самолёт, приводимый в движение электрическим двигателем, питающимся от топливных элементов, фотоэлементов, ионисторов (или по-другому «суперконденсаторов»), батарей или беспроводным путём.

Как было сказано ранее, первое использование электродвигателей в авиации началось еще в XIX веке. А точнее 8 октября 1883 года Гастоном Тиссандье на дирижабле «La France» совершил свой первый полет. Установленный двигатель, был разработан известным инженером Вернером фон Сименсом. Кстати, именно он является основателем знаменитой фирмы «Siemens», которая работает в различных областях, например, электротехника, электроника, транспорт и во многих других. Хотелось бы добавить, что на сегодняшний день фирмой создан мощный авиационный электродвигатель, который по характеристикам превышает даже турбореактивный двигатель. Вес двигателя 50 кг, а мощность 269 кВт (348 л.с.) с числом оборотов 2500 об/мин. Если сопоставить вес, мощность и габариты, то «Siemens» является лидером (двигатель выдает в 5 раз большую мощность, чем существующие аналоги). А соотношение веса к мощности составляет 5_кВт на 1 кг. Только один такой двигатель способен поднять двухтонный самолет. По словам Франка Антона – инженера фирмы «Siemens», благодаря новшествам, планируется построить ряд гибридных и электрических самолетов, которые будут служить для перевозки от одного до четырех пассажиров. На ближайшее время запланировано создание более мощного электродвигателя, который будет способен поднять в воздух авиалайнеры и перевозить 50-100 пассажиров.

Но обо всем по порядку. Рассмотрим одни из первых пилотируемых самолетов, на которые ставились электродвигатели:

Первый электрический самолет (тяжелее воздуха), поднявший в воздух человека, создан в 1973 году. Достиг этого результата аппарат под названием Militky MB-E1, он являлся модификацией моторного планета Brditschka HB-3, Разработчиками являлись Фред Милишки и Хейно Брдишка. Именно Хейно и совершил полет на электрическом самолете, полет составил 14 минут.

В 1979 году Mauro Solar Riser побил прошлый результат, полет на электросамолете составил 35 минут. На нем был впервые применен солнечный фотоэлемент, однако воспользоваться им так и не удалось. Данная задумка пришла в голову Ларри Мауро, но развитие идеи закончилось испытаниями и до массового применения дело не дошло.

В 1981 году самолет Solar Challenger, с большим отрывом от своих конкурентов поставил новый результат в продолжительности полета, 5 часов 23 минуты, полет проходил через пролив Ла-Манш.

Следующие факты, которые меня заинтересовали, это рекорды, поставленные электрическими самолетами.

Рекорд высоты без реактивных двигателей, который не побит до сих пор, высота составила 29 524 м, более того он продержался на данной высоте свыше 40 минут. Это случилось в августе 2001 года, пилотом был Грег Кендалл, а самолет NASA Helios.

Эрик Раймонд в 1990 году пересек США на самолете Sunseeker I собственной разработки, для этого был совершен 21 полет и потрачено около 120 летных часов.

Ну, а теперь я хотела бы, напомнить о двигателе «Siemens», о котором не давно шла речь. Но сейчас пойдет речь, о самолете Extra 330LE, на который этот двигатель поставлен, а точнее о его рекорде. Самолет поднялся на высоту 3 000 метров за 4 минуты 22 секунды. Является абсолютным рекордсменом в категории электросамолетов с взлетной массой от 500 до 1000 килограмм.

Рекорд скорости среди самолетов с электродвигателем в 2012 году поставил  Long-ESA , скорость составила 326 км/ч.

Широкое распространение получила область беспилотных летательных аппаратов на электродвигателях.

Беспилотные летательные аппараты на электродвигателях. История

Беспилотные летательные аппараты – это летательные аппараты без экипажа на борту. Их управление осуществляется дистанционно, либо автоматически.

Первые беспилотники с использованием электродвигателей в качестве силовой установки начали появляться в конце 1990 - начале 2000 годов.

Вот одни из первых:

FQM-151A Pointer первый полет состоялся в 1986 году, поскольку на нем был установлен электродвигатель Astro 15, то данный беспилотник выигрывал по массе, она была на много меньше, чем у беспилотников на ТРД. И по этому предназначен он был для телевизионного или инфракрасного наблюдения местности. Взлетная масса 4,1 кг, продолжительность полета 1 час. Разработчик: США.

А-3 Ремез совершил свой первый полет в 1999 года. Назначение: обнаружение объектов и определение их координат; патрулирование; разведка лесных районов. Взлетная масса тяжелее своего предшественника на 5 кг, но продолжительность полета увеличилась в 2 раза. Разработчик: Украина.

Carolo P50 – микро-беспилотник, который разработан в Германии в 2004 году, тогда он и совершил свой первый полет. Из-за того, что он имеет малый вес и небольшие габариты, он является неоценимым помощником для ведения разведки. Продолжительность полета 15 минут, взлетный вес 0,55 кг, Также, аппарат оснащен системой GPS, что позволяет переходить на ручное управление.

Ну, а теперь рассмотрим рекорды.

Мировой рекорд по длительности среди беспилотных летательных аппаратов.

В 2010 году мировой рекорд по длительности среди беспилотных летательных аппаратов поставил QinetiQ Zephyr с питанием от солнечных батарей, пробыв в воздухе две недели.

Solar Impulsе стал первым самолетом, использующий исключительно энергию солнца (солнечные батареи). Он способен летать неограниченно долго, ибо запасает энергию в аккумуляторных батареях.

Еще один беспилотик Aquila, принадлежит «Facebook», это первый электросамолет, который служит для раздачи интернета жителям труднодоступных районов, он поднимается на высоту 18 километров и проводить в полете до нескольких месяцев. Впервые поднялся в воздух 28 июня 2016 года.

Электровертолеты. История

Электровертолеты – вертолеты с применением электродвигателей в качестве силовой установки.

Модель привязного электровертолёта соосной схемы А. Г. Иосифьяна.

Одним из первых кто решил применить электродвигатель в вертолетостроение стал Иосифьян. Целью его создания был двухвинтовой вертолёт соосной схемы. Один винт вращался вместе с ротором двигателя, другой вместе со статором. Трехфазный асинхронный электродвигатель (0,52 кВт) получал питание от электросети напряжением в 220В через кабель. В результате работы (1933-1935 годах) была получена привязная модель весом 28 кг.

А после испытаний было принято решение заменить электродвигатель на более мощный. Так зародилась идея электровертолетов.

Следующий на очереди авиаконструктор Паскаль Кретьен в 2012 году совершил полет без страховочного троса, который использовался в прошлой разработке. Пилоту удалось продержаться в воздухе 2 минуты 10 секунд, он в шутку говорил «В случае крушения я мог превратиться в жаркое», действительно полет был опасен для жизни, потому что легковоспламеняющиеся литий-полимерные аккумуляторы могли ударится о землю и взорваться. Но полет с метровой высоты, вряд ли мог закончится плачевно. В ближайшем будущем планируется создание вертолета, который сможет задержаться в воздухе на 10-12 минут.

Маленький подъём для электрического вертолёта — большой подъём для всей электрической авиации

Еще один производитель Sikorsky Aircraft анонсировал выход вертолета на электрической тяге Firefly. Его уже представляли на выставке в 2010 году. Данный проект находится на доработке, но вот, что нам уже известно: вес 81 кг; на вертолете установлен электромотор мощностью 190 л.с; так же установлены 2 литиево-ионные батареи, установлено множество датчиков, которые следят за «здоровьем» электродвигателя.

Какие авиационные летательные аппараты были созданы благодаря использованию электродвигателей?

Как известно, что не все проекты всегда заканчиваются успехом. В следующей части работы будут рассмотрены яркие примеры современного применения электросамолетов и беспилотников на электротяге. Поскольку электровертолеты появились не давно, по сравнению с электросамолетами, то о них поговорим позже.

Solar Impulse первый пилотируемый самолет, который летает за счет энергии Солнца. Предназначен данный самолет для кругосветного перелета. Днем самолет запасает энергию солнца в аккумуляторных батареях и набирает высоту (для выполнения ночных полетов), что самое интересное теоретически, повторяя данные действия, самолет может находиться в воздухе сколько угодно. Разработчиком является швейцарский аэронавт Бертран Пикар, представивший на публике свой проект 26 июня 2009, и в декабре этого же года прошли успешные летные испытания на авиабазе Дюбендорф, продолжительность полета составила 26 часов.

Solar Impulse SI2 электросамолет оснащен оборудованием для осуществления трансконтинентальных и трансокеанских перелетов.

Самолет успешно прошел все испытания, и теперь стоял очень важный вопрос: «Соответствует ли аппарат своему назначению?». Вопрос поставили ребром и было принято решение совершить кругосветный полет. Вылет состоялся в марте 2015 года, в Абу-Даби в 07:12 по местному времени. Маршрут был разбит на 12 участков с посадками. Во время перелета на участке Нагоя-Гавайи установлен новый рекорд по длительности полета. Но не все проходило гладко, в 2015 году во время перелета на участке Нагоя-Гавайи из-за перегрева был поврежден аккумулятор. Выполнение задачи восстановилось в апреле 2016 году, а уже в июле миссия была завершена. Не смотря на повреждения, цель была достигнута, электросамолет справился с поставленной задачей.
Но меня восхищает то, сколько времени самолет провел в полете почти 570 часов, самый долгий перелет был осуществлен на участке Нагоя-Гавайи перелет занял 117 часов 52 минуты, а расстояние 7212 километров. Весь перелет составил 39549 км, что составляет почти окружность экватора нашей планеты Земля.

ZALA 421-04M

Беспилотный летательный аппарат, который определяет степень нанесённого ущерба, выявляет взрывные устройства, есть возможность сбрасывания небольших грузов, пограничный контроль, нахождения нефтяных разливов, обнаружение людей, оценка состояния линий электропередач и трубопроводов.

Конструкция данного беспилотника, выполнен по схеме летающее крыло (тянущий воздушный винт, электродвигатель, аккумуляторы). На беспилотных летательных аппаратах установлена малогабаритная видеокамера/цифровой фотоаппарат/телевизор, оборудование передачи информации. Чтобы получать информацию с аппарата, и выдача ему команд, его подключают к блоку управления.

ZALA 421-04M после успешных испытаний поступил на вооружения в МВД России, пограничной службе ФСБ России, МЧС России, Антитеррористическом центре СНГ, МВД Таджикистана. Так же его применяют для обнаружения лесных пожаров, незаконная вырубка лесов, гидрометеослужбы, антитеррористической защиты, обеспечение охраны и безопасности объектов. Находятся в применении у «Авиалесоохрана», «Газпром», «Рыбоохрана».

Airbus знаменитая фирма тоже представила свой электрический самолёт

Airbus E-Fan  - это двухместный самолёт. Служит для тренировок пилотов, по словам главы направления электросамолетами в Airbus - для обучения выполнения разворотов, взлета и посадки. Данный элетросамолет идеально подходит. Время полета небольшое, но оно ограничено уровнем развития современных батарей. Так же большое преимущество в затратах на полет, тренировки на бензиновом самолете составляет 55$, а на электрическом всего 16$. Более того электрическая силовая установка, по сравнению с бензиновой, почти не нуждается в обслуживании.  Батареи заряжаются в течении часа. Так же на самолете установлен запасной парашют для всего самолета. К коммерческому производству осенью 2017 года, в перспективе будет создана версия электросамолета для 4 пассажиров, полет при этом будет длиться 3,5 часа.

Следующий электросамолет Cri-Cri является одним из маленьких самолетов в мире. Он разработан компаниями EADS Innovation Works и Aero Composites Saintonge. Предназначена малютка для выполнения фигур высшего пилотажа. Выполнен Cri-Cri . сверхлегких композитных материалов. Продолжительность полета достаточно мала, но с своей задачей она справляется, если электросамолет будет лететь со скоростью 110 км/ч – то заряда хватит на полчаса, а если скорость составит 250 км/ч – то 15 минут. Во время первых летных испытаниях Cri-Cri успешно себя зарекомендовал, несмотря на то, что полет длился всего 7 минут. Разработчики обещают, что в ближайшем будущем эта модель будет модернизирована и продолжительность полета составит около часа.

Перспектива использования электрических двигателей в авиационных проектах

А теперь заглянем в будущее и посмотрим, что же нас ждет. И что обещают разработчики электрических летательных аппаратов.

Электровертолеты. Какого их будущее?

Электровертолет Volocopter VC200 (Гибрид вертолета и дрона)

Немецкие инженеры решили создать восемнадцати винтовой летательный аппарат, скажу даже больше, он уже прошел испытания. Почти ничего не известно о том, как прошел испытания Volocopter VC200, но сообщается, что восемнадцать несущих винтов располагаются равномерно на горизонтальной раме над кабиной пилота. Не зависимо от поворотов конструкции, возможно регулировать частоту вращения роторов.  Разработчики обещают высокую безопасность и простоту управления, даже если выйдет из строя основной аккумулятор или откажут несколько роторов сразу же, что отличает его от своих собратьев.

По планам аппарат должен подниматься на высоту 7 000 м, максимальная скорость 100 км/ч, стоимость перелета не должна превышать поездки на такси, так же рассчитан на двух человек. Вес такого двухместного вертолета с электромотором составляет 450 кг, в воздухе будет находиться 20 минут, и набирать высоту 2 000 м. Разработчики успокаивают, что, когда вертолет войдет в серийное производство, продолжительность полета увеличится до 1 часа. Управление производится двумя кнопками и джойстиком, все остальное на себя берет электроника, также возможно управление дистанционное и полностью автоматическое. Еще одно преимущество – в конструкции нет сложных механических узлов в электрической силовой установке, что делает надежнее, дешевым в обслуживании и простым в использовании, более того снижена вибрация и шум, благодаря этому увеличится комфортность полета. Volocopter VC200 уже заинтересовал потребителей: от частных пилотов, до правительственных организаций. Поскольку аппарат может полностью решить проблему с пробками на автодорогах. А с управлением справится даже ребенок, для хранения подойдет любой гараж, ибо секции с тремя двигателями отсоединяются от самой кабины, поэтому не занимают много места. Но управлять данным аппаратом могут только пилоты, которые имеют спортивную лицензию, но со временем он получит сертификат, благодаря которому, пилотировать его сможет любой желающий. Цена у Volocopter VC200 составляет 340 000 $.

Одноместный электрический вертолет HX-1 от японской компании Hirobo.
Она представила свой проект на выставке International Aerospace Exhibition, которая проходила в Нагое. Скорость 100 км/ч, но на одном заряде батарей аппарат способен пролететь не более 50 км, а это значит около получаса. Анонсируют его, как городское средство передвижение, но это на ближайшее время, в процессе модернизации вертолет может быть использован при ликвидации последствий катастроф и эвакуации пострадавших. Вертолеты будут производится в двух вариантах – в беспилотном варианте с дистанционным управлением (125 000$), и в одноместном (375 000$). Запуск в серийное производство планируется в 2021 году.  

Электросамолеты. Какого их будущее?

В будущем нас ждет гибридное применение силовых установок. Об этом заявляют множество известных разработчиков. Поскольку электросамолеты, способные поднять в воздух от 1-4 пассажиров, уже имеются, то в настоящее время, все производители озадачены целью созданием экологически чистого авиалайнера.

Первой начала работу над авиалайнером E-Thrust компания EADS.

Данная компания пообещала революцию в развитии пассажирских авиаперевозок к 2050 году. Проект гибридного электрического авиалайнера разработан специалистами EADS совместно с Rolls-Royce, для сокращения количества потребляемого топлива и уменьшения вредных выбросов веществ в окружающую среду, а также уменьшения издаваемого самолетом шума. В E-Thrust реализована система распределенной тяги "Distributed Propulsion", которая состоит из нескольких электрических двигателей с пропеллерами, сгруппированные вдоль каждого крыла самолета. Источник энергии, который снабжает электричеством электродвигатели и заряжает аккумуляторные батареи авиалайнера, является высокоэффективный электрический генератор, приводящийся в действие газотурбинным двигателем, который может работать на любом виде авиационного топлива (даже на биотопливе). Это не только экологически чисто, но и безопасно, поскольку при выходе генератора или двигателя из строя, заряда энергии будет достаточно, чтобы добраться до ближайшего аэропорта и совершить безопасную посадку.

Благодаря созданным на сегодняшний день современным композитным материалам, есть возможность уменьшить размеры хвостового вертикального оперения и вес авиалайнера в целом. Более того, разработчики сообщали, что ведут работу над созданием новых высокоэффективных солнечных фотогальванических элементов, которые могут использоваться для покрытия всего корпуса самолета, которые превратят его в одну большую летающую солнечную батарею, позволяя летать за счет энергии, полностью получаемой из возобновляемых источников, может появиться в течение ближайших нескольких лет.

 Следующий проект был представлен в 2012 году на известном авиашоу в Берлине. Цель задумки – создания полностью электрического пассажирского авиалайнера Ce-liner, который будет объединять перспективные технологии. Для повышения аэродинамического качества системы, применена аэродинамическая компоновка С-wing, которая в свою очередь, так же помогает существенно снизить индуктивное сопротивление, нулевой уровень выбросов, избавление от шума реактивного двигателя, благодаря использованию электродвигателя. Зарождение идеи создания проекта началось с анализа состояния рынка, затем оценка существующих технологий, и только потом создание концепт проекта будущего электрического авиалайнера. Исследователи полагают, что существующие технологии, позволяют создать экологически чистый авиалайнер. Разработчики также полагают, что первая модель появится в 2030 году, и более того, что осуществление перелетов на подобных самолетах 59% от всех рейсов на дальность 1100 км, и 79% на дальность 1600 км. Вместимость таких самолетов 180-200 мест. Подробную информацию о разработке, рассказал директор программы Visionary Aircraft Concepts исследовательского института Bauhaus Luftfahrt - Dr. Askin T. Isikveren

Беспилотные ЛА на электротяге. Какого их будущее?

Концепт полностью электрического беспилотного конвертоплана Project Zero, разработан корпорацией AgustaWestland.

Конвертоплан - летательный аппарат с поворотными движителями, которые на взлёте и при посадке работают как подъёмные, а в горизонтальном полёте — как тянущие; при этом подъёмная сила обеспечивается крылом самолётного типа.

Характеристики Project Zero объединяет в себя преимущества вертолёта и самолета в единое целое. Этот проект создается для комфортабельной перевозки людей, даже в самых не благоприятных условиях. Передовые технологии способны обеспечить новый уровень производительности, надежности и доступности для будущих операторов. Данная модель уже прошла успешные летные испытания и сами разработчики сообщили, что в серийное производство проект войдёт в 2017 году. Так же AgustaWestland получила заказы на 70 конвертопланов.

Вывод

Благодаря, созданию летательных аппаратов с применением электрического "сердца", можно с уверенностью сказать, что прогресс не стоит на месте и очень быстро развивается, позволяет решить множество задач, с которыми обычный человек справится не может.

Более того применение электрического двигателя в качестве основной силовой установки, исключит вред окружающей среде, в отличие от своих топливных собратьев. Также исключит пожаро- и взрывоопасность в случаях аварий во время полета, взлета и посадки. А применение электродвигателя в качестве генератора, существенно снизит выхлопы вредных веществ.

И сейчас стоит главный вопрос: «Станет ли авиация полностью беспилотной?». Несомненно, этот вопрос касается пилотирования гражданских авиалайнеров. Конечно, электроника, избавляет от такого важного компонента, как человеческий фактор. Но справится ли она с поставленной задачей? Над этим спорят и будут спорить, до тех пор, пока не будет создан и протестирован гражданский самолет на электродвигателях.

В заключении хочу сказать, что данное направление в развитии авиации является более чем перспективным. И не для кого не секрет, что уже созданы и вовсю эксплуатируются электромобили (- автомобили, которые приводятся в движении одним или несколькими электродвигателями), а разработчики пытаются «научить их летать».

Источники информации: 

1. Википедия (русскоязычная версия): статья "Электрический самолет"
2. Википедия (английская версия): статья "Mauro Solar Riser"
3. Википедия (русскоязычная версия): статья "NASA Pathfinder"
4. MOTOCARRELLP: статья "Первый в мире Электровертолет Volocopter VC200 с пультом удаленного управления"
5. novate: статья "Первый в мире электровертолет
6. DailyTechInfo: статья "Самолет Long-ESA становится самым быстрым в мире электрическим самолетом"
7. Elecktromobile: статья "Электросамолет Extra 330LE — самый скороподъемный из ныне существующих"
8. Avia.pro: статья "FQM-151 Pointer"
9. Википедия (русскоязычная версия): статья "QinetiQ Zephyr"