В ближайшие десятилетия электрические самолёты не смогут оказать заметного влияния на путешествия по воздуху, поскольку аккумуляторные батареи не будут обладать достаточной электрической ёмкостью, чтобы обеспечить перелёт на большие расстояния. А заявления, что такие самолёты вскоре изменят нашу жизнь, являются преувеличением.
В 2017 году Boeing и JetBlue профинансировали американский стартап Zunum Aero, который обещал к 2022 году революцию в авиаперевозках на региональных электрических самолётах вместимостью до 12 человек. Два года спустя Boeing отказался продолжать финансирование проекта.
На авиасалоне Ле-Бурже-Париж в июне 2019 года американо-израильская компания Eviation представила проект Alice – девятиместный самолёт с двумя толкающими винтовыми электродвигателями на законцовках крыла и одним в кормовой части фюзеляжа. Источником энергии должен был служить аккумулятор весом около 3700 кг при том, что максимальный взлётный вес самолёта составлял примерно 6500 кг. Первый полёт планировалось выполнить в 2021 году, но 22 января 2020 года произошёл пожар в аккумуляторном отсеке под полом пассажирской кабины, и прототип был уничтожен. К концу 2020 года конструкторы Eviation только два двигателя и разместили их по бокам хвостовой части фюзеляжа. Самолёт ещё не взлетел, но сертификация уже намечена на вторую половину 2023 года.
В тоже время Европейское агентство по авиационной безопасности летом 2020 года объявило о сертификации первого электрического самолёта Pipistrel Velis Electro. Этот самолёт может находиться в воздухе не более часа и рассчитан на двух человек.
Когда говорят о самолётах будущего, которые будут летать на водородном или биотопливе, полностью электрических либо гибридных силовых установках, то речь идёт не об амбициозных целях или неудачах – современная авиация тоже начиналась с самолёта Можайского и братьев Райт. Проблема гораздо более фундаментальна. Наличие полностью электрических самолётов для полётов на короткие расстояния обеспечит миллионам путешественников комфортное перемещение, и при этом не будет «летать стыдно», потому что летательные аппараты всё равно рано или поздно станут углеродно-нейтральны. Но это в будущем.
С 1950 года мировой воздушный траффик вырос с 28 миллиардов пассажиро-километров (пкм) до 2,8 триллиона пкм к 2000 году – рост в 100 раз. К 2020 году траффик увеличился почти до 9 триллионов пкм, прежде чем вмешалась пандемия. Такой рост пассажирских перевозок можно объяснить появлением широкофюзеляжных лайнеров, берущих на борт от 300 до 500 пассажиров на межконтинентальные расстояния. Газотурбинные двигатели, приводящие в действие эти самолёты, работают на авиационном керосине, который обеспечивает почти 12 кВт/ч на килограмм массы воздушного судна. И сравните: лучшие коммерческие литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день обеспечивают мощность менее 300 Вт/ч на кг, или 1/40 плотности энергии керосина, и даже с учётом более высокого КПД электродвигателей их эффективная плотность энергии составляет примерно 1/20. Аккумуляторные батареи в течение ближайших 10-20 лет не смогут достичь показателей плотности энергии современного авиационного топлива.
За последние 30 лет максимальная плотность энергии батарей увеличилась примерно в три раза. Даже если к 2050 году будут разработаны аккумуляторы с удельной мощностью 1000 Вт/кг, это всё равно будет далеко не то, что необходимо для беспосадочного транс- или межконтинентального полёта на широкофюзеляжном самолёте. При этом во время полёта по мере выработки керосина современные лайнеры становятся легче, электрические самолёты по прибытии в пункт назначения легче не станут, т.к. масса батареи остаётся постоянной, следовательно, и посадка такого воздушного судна на повышенной скорости будет менее безопасной.
Более того, авиационная отрасль требует огромных инвестиций. По предварительным оценкам, в период с 2018 по 2038 год совокупный рынок новых самолётов вместе со стоимостью их технического обслуживания, ремонта и связанных с ними услуг по обучению составит порядка 16 триллионов долларов США. Такие огромные затраты требуют длительных горизонтов планирования, заложенных в обязательства по конкретным проектам и заказам на самолёты. Это означает, что ближайшие несколько десятилетий для отрасли уже определены. Поскольку средний срок службы самолётов составляет чуть более 20 лет, предстоящие закупки новой авиатехники увеличат существующий парк как минимум вдвое, и все крупные коммерческие воздушные суда будут, как и прежде, оснащаться газотурбинными двигателями, работающими на керосине.
Учитывая вышесказанное, ожидать скорого появления полностью электрических коммерческих пассажирских или транспортных самолётов не стоит. Если и появятся аккумуляторные батареи относительно лёгкие и сравнимые по плотности энергии с авиационным топливом, то ближе к концу столетия. Поэтому наиболее перспективными в ближайшие два-три десятилетия могут стать, в первую очередь, самолёты с двигателями на биотопливе или на водороде, а также оснащённые гибридными водородно-электрическими силовыми установками (ГСУ).
Разработчик авиадвигателей с углеродной нейтральностью – компания ZeroAvia готовится в конце текущего года приступить к испытательным полётам на демонстраторе технологий – 19-местном двухмоторном самолёте Dornier 228, оснащённом ГСУ мощностью 600 кВт. ZeroAvia уже работает над разработкой силовой установки на основе водородных топливных элементов. В компани рассказали, что работа над ней будет проводиться поэтапно: сначала в 2021 году создут гибридный водородный топливный элемент в комбинации с батареей, затем к середине 2022 года состоится полёт с двигателями только на водородном топливе.
В долгосрочной перспективе ZeroAvia намерена переоборудовать более крупные авиалайнеры вместимостью от 50 до 100 пассажиров на водородные двигатели. Для этого потребуются силовые агрегаты мощностью от 2 до 5 МВт.
В России научно-исследовательскими работами по теме гибридных и электрических силовых установок занимаются Центральный институт авиационного машиностроения им. Баранова, СибНИА им. Чаплыгина, ЗАО «СуперОкс» и санкт-петербургское АО «ОДК-Климов».
Летом 2021 года на авиасалоне МАКС ЦИАМ продемонстрировал в полёте экспериментальный самолёт Як-40ЛЛ с ГСУ в составе турбовального двигателя ТВ2-117 и электродвигателя на высокотемпературных сверхпроводниках мощностью 500 кВт (680 л.с.). Работу по этому направлению ЦИАМ ведёт совместно с СибНИА и «СуперОкс» по заказу Фонда перспективных исследований.
В составе статической экспозиции ЦИАМ на МАКС-2021 демонстрировался самолёт «Сигма-4Э». Это проект с полностью электрической силовой установкой в двух вариантах: первый – полностью на аккумуляторах, второй – на аккумуляторах и водородных топливных элементах.
Особенность второго варианта в том, что водород в двигателе не сжигается, а вступает в электрохимическую реакцию с кислородом, давая электроэнергию для вращения винтов. В атмосферу вместо выхлопных газов выделяется водяной пар. В основе конструкции лежит топливный элемент – устройство, превращающее в электричество энергию реакции водорода с кислородом без горения, он разработан в Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке.
Самолёт «Сигма-4Э» планировалось поднять в воздух ещё в 2019 году, но в ходе работы над этим проектом ЦИАМ столкнулся с рядом проблем управления двигателем и первый полёт был перенесён на 2020 год. Из-за пандемии он пока не состоялся.
В 2022 году начнётся работа над проектом создания сверхмощной (2500 кВт) ГСУ на основе модернизированного турбовального двигателя ВК-2500. Первоначально в ЦИАМ будет создан наземный демонстратор, который пройдёт комплекс испытаний на стендах, затем его установят на летающую лабораторию для прохождения наземных экспериментов с последующей подготовкой к первым полётам. С учётом сложности инженерных задач весь проект рассчитан на период до пяти лет.
«ОДК-Климов» представил на МАКС-2021 концепцию демонстратора гибридной силовой установки последовательной схемы мощностью 500 кВт, которая будет создана на базе двигателя ВК-650В. Партнёром «ОДК-Климов» по разработке ГСУ станет ЦИАМ. Потенциальными объектами применения двигателей данного класса мощности являются лёгкие многоцелевые вертолёты, перспективные беспилотные летательные аппараты взлётной массой от двух до восьми тонн, самолёты местных воздушных линий, аэротакси, бизнес-авиация, летательные аппараты вертикального взлёта и посадки.
В 2022 году предприятие планирует выйти на мощность демонстратора ГСУ примерно в 150 кВт с последующим её доведением до 500 кВт в 2023 году.
Источники:
EASA certifies electric aircraft, first type certification for fully electric plane world-wide
Eviation: Alice – Pure Electric
Pipistrel aircraft
IEEE: Electric Airplanes Won’t Make Much of a Dent in Air Travel for Decades to Come
ZeroAvia: First Practical Zero Emission Aviation Powertrain
Future Flight: Hydrogen Commercial Flights Could Start Between UK and Netherlands in 2024
Гибридное будущее: Михаил Гордин о тенденциях развития авиационных двигателей
Як-40ЛЛ — демонстратор гибридной силовой установки
Самолёт Як-40ЛЛ совершил первый полёт с работающей гибридной силовой установкой
