Дмитрий Николаевич Бакунин, 18 лет, город Давлеканово, Республика Башкортостан, Российская Федерация

Гибридный самолёт: футуристическая идея или необходимость

(Рисунки не закачаны на сайт. Их демонстрация не гарантирована. Прим. модератора)

План:

1. Введение
2. Первые попытки создания гибридных ЛА
3. Современные проекты гибридных самолётов
4. Заключение

1. Введение

Всем известно, что самолёт является самым безопасным средством передвижения, хотя многие до сих пор боятся на них летать. Люди совершенствовали воздушные судна и начали задумываться о более глобальных вещах. Возможно ли полностью отказаться от стандартных двигателей и полностью перейти на электродвигатели? И есть ли вообще смысл в этом переходе? На этот вопрос я постараюсь ответить в ходе своей работы.

Гибридный или электрический самолет – это летательный аппарат, который обладает гибридной или турбоэлектрической силовой установкой вместо классических газовых турбин. На сегодняшний день есть лишь малые по размеру демонстраторы таких технологий. Технологии электродвижения пока не продвинулись настолько далеко, чтобы позволить создать большой пассажирский лайнер с электродвигателями и запустить его в небо.

Как пояснял генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова Михаил Гордин, пока электрический двигатель – это "электромотор и пропеллер". На пути к созданию полностью электрического двигателя все развитые страны сейчас проходят этап разработки гибридного мотора, у которого есть и турбина, и генератор, вырабатывающий электроэнергию. В период максимальной работы керосинового двигателя (во время взлетов и посадок) электроэнергия будет накапливаться, а затем применяться в режиме крейсерского полета.

Второй вариант — отказ от турбины и сохранение электричества в аккумуляторах или топливных элементах. В прочем пока же керосин считается довольно действенным источником энергии с точки зрения веса. При сжигании даже малого количества он дает такое количество энергии, которое ни одна батарея пока обеспечить не имеет возможности. Но мир активно развивает все более вместительные и легкие аккумуляторы и топливные элементы, работающие, к примеру, на водороде. Работы проводятся и по весовой производительности всего двигателя.

2. Первые попытки создания гибридного ЛА

1) Бэлла-1

Рис. 1 - Самолёт "Бэлла-1"

История самолета «Бэлла-1» началась еще при Советском Союзе - в конце 80-х годов прошлого века. Схожий по своей конструкции был гибридный дирижабль Филимонова, но он не был реализован на практике. Предпосылкой начала подобной разработки стала необходимость найти более универсальный и дешевый способ транспортной связи с труднодоступными регионами - Сибирь, Дальний Восток и крайний Север. Ключевой особенностью нового летательного аппарата является способность сесть, по сути, на любую, относительно ровную поверхность. То есть, аэроплан обязан был уметь садиться одинаково успешно и на землю, и на воду, и на снег.

Аппарат был создан по типу сборки «летающее крыло». Его длина составляет 10 метров, а размах крыла – в пределах 11 метров. Консоли крыла спроектировали раскладными с целью упростить транспортировку самого самолёта. Кроме того, при собственной массе - с полным топливным баком - в 1400 килограмм он может поднять до 600 килограмм полезной нагрузки или же 5-6 пассажиров.

Среди других конструктивных и технических характеристик можно отметить два поршневых двигателя для горизонтального полёта, общая мощность которых 420 л.с., а также он оснащен одним подъёмным двигателем мощностью в 100 л.с. Кроме того, «Бэлла-1» способен летать на максимальной скорости в 250 км/час на расстояния до трёх тыс. километров; предельная высота полёта составляет три километра.

С воплощением в жизнь многообещающего проекта и последующим его продвижением возникли серьезные проблемы. Единственный опытный образец был сконструирован еще в девяностые, а после этого отсутствие финансирования поставило проект на паузу практически на двадцать лет, и лишь в начале 2010-х был найден новый инвестор, которому, возможно, удастся поставить на ноги многообещающую разработку.

2) ЭКИП

Рис 2 -  Самолёт "ЭКИП"

Амфибийный, безаэродромный, высокоэкономичный летательный аппарат нового типа получил название «ЭКИП», сокращенное от «экологии» и «прогресс». Он разработан в 80-90-х годах следующими ведущими отечественными отраслевыми предприятиями: Саратовским авиационным заводом, Авиационным концерном «ЭКИП», НПП «Триумф», РКК «Энергия» им.С.П. Королёва, МКБ «Прогресс», НПО «Сатурн», Центральным аэрогидродинамическим институтом (ФГУП ЦАГИ) им. профессора Н. Е. Жуковского, НИИ «Геодезия» и другими предприятиями. После проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований были изготовлены натурные автоматически управляемые аппараты ЭКИП Л2-1 и ЭКИП Л2-2. В 2001 году проект был заморожен из-за отсутствия финансирования.

Летающая тарелка оборудована экономичными маршевыми реактивными двухконтурными двигателями и вспомогательными турбовальными движками двойного режима работы.  Существующее оперение используется для расположения аэродинамических рулей. Для изготовления двигателей и корпуса применяются современные стойкие к коррозии и шумопоглощающие композиционные материалы.

Ключевой конструктивной особенностью «ЭКИП» является наличие специальной системы стабилизации и понижения лобового сопротивления, выполненной в виде вихревой системы управления течением пограничного слоя (УПС) воздуха, и добавочной плоскосопельной реактивной системы - для управления аппаратом на малых скоростях и взлетно-посадочных режимах. Система (УПС) с помощью создаваемой совокупности последовательно расположенных поперечных вихрей гарантирует безотрывное обтекание аппарата на крейсерском и взлётно-посадочном режимах полёта при углах атаки до 40°. С поддержкой УПС и управляющих двигателей аппараты «ЭКИП» способны осуществлять «птичью посадку» по крутым глиссадам при понижении посадочной скорости до 100 км/час.

3) Термоплан

Рис 3 - Термоплан

Термоплан представлял собой «летающую тарелку», состоящую из 2-ух половин. В верхней размещались емкости с гелием, как у простого дирижабля, а нижняя исполняла функцию так называемого термообъема. Он наполнялся обычным воздухом, который подогревался с помощью отработавших газов двигателей. Для чего необходим был подобный гибрид? Именно затем, что он мог обходиться без привычного балласта: данную функцию выполняет воздух в термообъеме.

Устройство термоплана было простым: по окружности шел силовой тор из стеклопластика, усиленного углелентами, на тор натягивались оболочки, а внутренняя полость разделялась мембраной на термообъем и объем с гелием. Опытный образец расчетной грузоподъемностью 3 т начали строить в Ульяновске на авиапромышленном комплексе имени Устинова (ныне завод «Авиастар») в 1989 году. Впереди установили движок от самолета ЯК-18, а в качестве кабины к машине подвесили переделанный фюзеляж от вертолета МИ-2, напичканный аппаратурой. Термоплан, названный АЛА-40, закончили к 1992 году.

Проблема была одна: Союз распался и финансирование закончилось. Успели заказать еще один силовой тор и комплект оболочек, но на сборку второго аппарата лишних денег не было — нужно было испытывать первый. В августе 1992 года советскую летающую тарелку вывели из ангара и повезли на испытания.

В свободном полете АЛА-40 ни разу не был — поднимался и опускался на привязи да стоял на опорах. Его исследовали, испытывали, проверяли, а наблюдатели дивились 40-метровому гиганту. 

3. Современные проекты гибридных самолётов

1) Компания Boeing

Рис. 4 - ЛА компании Boeing

Учёные из Кембриджского института вместе со специалистами корпорации Boeing разработали первую в мире гибридную версию самолёта, представив миру более экологическую модификацию компактного одноместного летательного аппарата с уменьшенным расходом горючего.

Выбранная для проекта концепция функционирует по той же схеме, по которой работает электромотор в машинах-гибридах. Система самолёта учитывает установку одного поршневого авиационного двигателя и электромотора, который активизируется и обеспечивает дополнительную тягу лишь в определённых случаях. К ним относятся взлёт, набор высоты, а также различного рода критические ситуации, когда возникает необходимость в дополнительной мощности.

Во время полёта в штатном режиме осуществляется подзарядка батарей от поршневого мотора. За счёт выбора максимально сбалансированного режима работы ведущей силовой установки и наличия дополнительной электрической тяги инженеры смогли достичь до 30 % экономии горючего. На данном этапе технология далека от серийного внедрения на коммерческих лайнерах, но уже в данный момент она демонстрирует весьма неплохие результаты. Тестовые полёты гибридного самолёта проходили в воздушном пространстве Великобритании, впрочем, высота полётов самолёта ограничилась скромными 500 м. 

2) Як-40 с электродвигателем

Рис. 5 - Самолёт "Байкал"

В Новосибирске стартовали наземные испытания самолета Як-40 с многообещающим сверхпроводящим электрическим авиадвигателем в составе гибридной установки.

Новая двигательная система Як-40 состоит из двух элементов. В «хвосте» самолета размещена гибридная силовая установка — турбовальный газотурбинный двигатель с электрическим генератором. На «носу» самолета установлен инновационный электрический двигатель на высокотемпературных сверхпроводниках мощностью 500 кВт. Силовую установку разработал институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова с участием других российских мероприятий и Минпромторга, а двигатель — компания «СуперОкс» по контракту с Фондом перспективных исследований.

Разработчики надеются, что уже через два года будет создана следующая «летающая лаборатория» на основе самолета Ту-114, которая сможет летать на электродвигателях без вспомогательных двигателей.

3) Байкал

Новейший легкий многоцелевой самолет "Байкал" получит в 2024 году гибридную силовую установку, включающую маршевый и электрический двигатель, заявил замминистра промышленности и торговли.

Легкий многоцелевой самолет "Байкал" должен заменить устаревшие легкие многоцелевые самолеты АН-2, в народе известные как "кукурузники".

Как докладывали в компании "Байкал-Инжиниринг", разработанный отечественными конструкторами и инженерами самолет безопасен, доступен и универсален, а его экономические показатели существенно лучше, чем у зарубежных конкурентов: стоимость ниже на 30-50%, а себестоимость летного часа - более чем в два раза.

4) ZA10

Рис. 6 - Самолёт "ZA10"

Американский стартап Zunum Aero принял решение оснастить свой перспективный гибридный самолет ZA10, который сможет перевозить 12 пассажиров, вертолетным турбовальным двигателем французской фирмы Safran. На перспективном самолете планируется использовать силовую установку Ardiden 3Z, свежую версию двигателей семейства Ardiden для легких многоцелевых вертолетов. В составе ZA10 новый двигатель будет подключен к генератору электрической мощностью 500 кв.

5) Cessna 337

Рис. 7 - Самолёт "Cessna 337"

Самолет Electric EEL с гибридным электродвигателем осуществил удачный перелет из Эксетера (графство Девоншир) в Ньюки (графство Корнуолл), преодолев расстояние в 137 км. Самолет с 2-мя пилотами провел в воздухе 25 минут, основная часть полета проходила на высоте 1,5 км со скоростью чуть меньше 200 км/ч. Испытания проводились при поддержке британского правительства в рамках программы перехода на более экологичные авиаперелеты.

Это уже не первый успешный перелет Electric EEL, который до этого испытывался в Калифорнии и на Гавайях, а вслед за тем был доставлен в Великобританию, где его также протестировали в разных условиях. Нынешний полет был не только испытательным, но и показательным, среди гостей торжественного старта были министр авиации и министр по делам бизнеса Англии.

6) Летающий автомобиль

Рис. 8 - Летающий автомобиль

Летающий автомобиль уже не является футуристической концепцией. Это доказал словацкий изготовитель AeroMobil, представив в 2017 году свой последний летательный аппарат на Top Marques Monaco и на Парижском авиашоу. Кстати, AeroMobil уже доступен для предварительного заказа: стоимость «самолета» составляет 1,2 миллиона долларов, что немного для машины-трансформера. В будущем компания планирует строить разнообразные модели в нескольких ценовых категориях.

Характеристики летательного аппарата:

• Полное преобразование в режим полета менее чем за 3 минуты.
• Автомобильный диапазон (дальность перемещения на одной заправке) - 700 км с использованием цикла NEDC.
• Наибольший авиационный спектр - 750 км.
• Вместимость топливного бака 90 литров.
• Пропеллер с переменным шагом прямого хода (2400 об/мин).
• Максимальная скорость: в режиме автомобиля - 160 км/ч, в режиме самолета - 112/259/360 км/час (в зависимости от задач).
• Взлетная масса - до 960 кг (полезная нагрузка - 240 кг).

3. Заключение

До недавнего времени батареи были слишком тяжёлыми, громоздкими и не владели при таких габаритных размерах должной ёмкостью. С выходом в свет улучшенных литий-полимерных аккумуляторов ситуация изменилась, что позволило воплотить концепцию небольшого гибридного самолёта в действительность уже сегодня.

Гибридная и электрическая тяга является перспективным направлением в современном авиастроении. Это одна из определяющих технологий для будущего авиации. Сейчас в мире большое количество маленьких самолетов на одного-двух человек, но все они могут летать очень недолго.

Эти технологии способны не только улучшить нашу жизнь, но и уменьшить количество загрязнения атмосферы выбросами нынешних самолётов.

Источники:

1. http://gvtm.ru/letatelnyy_apparat_ekip
2. http://www.airwar.ru/enc/la/bella.html#camo
3. https://novate.ru/blogs/291020/56561/
4. https://3dnews.ru/907355
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Термоплан