Супертехнологии определят, какой авиация будет завтра
- По нашим оценкам, общий потенциал повышения эффективности от использования традиционных технологий в авиастроении к 2030 году не превысит 35-40 процентов от сегодняшнего уровня. И по авиадвигателям, и по аэродинамике практически достигнут потолок. Так что действительно нужен скачок, сопоставимый с переходом от винтовой к реактивной авиации. И электрические самолеты - это одно из наиболее очевидных направлений прорыва, - сказал "РГ" генеральный директор НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" доктор технических наук Андрей Дутов.
Национальный исследовательский центр "Институт им. Н.Е. Жуковского", куда сегодня входят ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт) и ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова"), разрабатывает ключевые технологии.
- Мы отказываемся от гидравлики и пневматики и разрабатываем технологии, которые будут положены в основу создания отечественного самолета с гибридно-электрической силовой установкой, - заметил в интервью "РГ" генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин. - Например, в электрическом двигателе, входящем в состав гибридно-электрической силовой установки, может применяться эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Его основа - проводники, охлаждаемые жидким азотом, который при очень низкой температуре (минус 196 градусов) обладает эффектом практически нулевого сопротивления. В результате достигается высокий коэффициент полезного действия и существенно уменьшаются массогабаритные характеристики двигателя.
В мире почти никто не имеет реальных работ в этом направлении. По крайней мере завершенных. Но работы по освоению электрических технологий для авиации ведутся в разных странах. Для самолето- и двигателестроения это совершенно новая история, абсолютно передовая. И здесь Россия в тренде.
По словам Михаила Гордина, на первом этапе у нас - создание уникальной гибридно-электрической силовой установки мощностью 500 кВт (679 лошадиных сил) с использованием сверхпроводников. На следующих этапах появится сверхпроводящий генератор. По планам, в 2019-2021 годах будет испытан электродвигатель, в 2022-м - генератор.
Как предполагается, первый полностью электрический самолет с гибридно-электрической силовой установкой на 180 пассажиров полетит не ранее 2050 года. В среднесрочной перспективе возможно создание серийной электрической силовой установки для самолетов на 2-4 пассажира и гибридной - на 9-19 пассажиров. Сейчас российские конструкторы спроектировали, изготовили и проводят испытания электродвигателя. При мощности 60 кВт (80 лошадиных сил) он весит немногим более 20 килограммов.
Необходимо решить огромное количество сопутствующих технологических проблем: хранение энергии на борту, передача и доведение ее до двигателя, переделка бортовых систем с учетом того, что основным источником энергии будет не реактивный двигатель, а источник питания... Важно отработать весь комплекс.
Поэтому демонстратор - необходимое звено в технологической цепи от фундаментальных явлений к конкретному образцу.
Но сегодня вопрос не только в том, на чем летать, но и куда летать. Тот же "региональщик", подчеркивают аналитики, должен делаться не просто из красивых идей и форм, а исходя из максимальной экономической эффективности для страны.
В частности, сейчас ученые ЦАГИ разрабатывают легкий многоцелевой самолет для региональной авиации. Они работают над концепцией аэродинамической компоновки легкой машины короткого взлета и посадки, предназначенного для перевозки пассажиров, негабаритных грузов, а также медицинских и спасательных операций в условиях сурового климата. По сравнению с имеющимися аналогами предлагается увеличение скорости полета с 300-350 до 650-700 километров в час, дальности - с 700-1000 до 2000 километров и сокращение взлетно-посадочной полосы с 600-700 до 300-400 метров.
- Совместить в компоновке воздушного судна такие противоречивые требования довольно сложно: например, взлетать с короткой ВПП можно только на небольшой скорости, из-за чего страдают аэродинамическое качество и скорость полета на крейсерском режиме, - отмечает начальник отдела отделения системных исследований и концептуального проектирования авиационно-космической техники ЦАГИ Вячеслав Кажан.
Изучив возможности современной авиатехники и научно-технические наработки, специалисты нашли оптимальный выход: в помощь аэродинамике решили использовать энергетику распределенной гибридной силовой установки, состоящей из турбовального двигателя, 20-30 электровентиляторных моторов, электрогенератора и резервной аккумуляторной батареи. Такая установка тяжелее обычной, но одновременное применение крыла малого удлинения со струйными закрылками, увеличивающими подъемную силу, компенсирует вес и дает возможность взять на борт больше топлива для дальнего перелета. Благодаря плавной интегральной компоновке летательного аппарата уменьшаются площадь омываемой поверхности и, соответственно, лобовое сопротивление. В результате мощности самолета достаточно для достижения заявленной скорости.
Надо сказать, что исследования по формированию облика самолетов следующего поколения - одна из ключевых задач, стоящих перед учеными ЦАГИ. Так, в рамках госконтракта с Минпромторгом России специалисты института разработали концепт перспективного гражданского воздушного судна увеличенной дальности и скорости полета. Летательный аппарат может быть использован для пассажирских и иных перевозок на расстояния до 9 тысяч километров.
В интересах поисковых исследований была спроектирована тематическая модель с типовым фюзеляжем круглого сечения. На ней будут испытываться различные варианты крыльев. На первом этапе испытывались два вида крыльев: первое со стреловидностью 30 градусов, рассчитанное на крейсерское число М = 0,83-0,84, второе - с чуть большей стреловидностью - на крейсерское число М = 0,84-0,85.
- Во всем мире возрастает интерес к новым самолетам умеренной пассажировместимости (200-250 мест), способным преодолевать расстояния свыше 8 тысяч километров и долетать из Европы до восточного побережья США. Естественно, и в нашей стране с ее огромными территориями такая машина будет востребована. За счет новых методов проектирования возможно значительное улучшение аэродинамических характеристик по сравнению с самолетами предыдущего поколения. А если учесть прогресс в области материалов и двигателей, то получается, что расход топлива можно снизить на 30-35 процентов, - комментирует начальник отдела отделения аэродинамики самолетов и ракет ЦАГИ, кандидат технических наук Анатолий Болсуновский.
Эксперименты, прошедшие в трансзвуковой аэродинамической трубе ЦАГИ, подтвердили предварительные расчетные оценки. Это позволяет рекомендовать спроектированную компоновку для дальнейших проработок в отечественных конструкторских бюро.