Электросамолеты скоро масово піднімуться в небо

Незабаром в повітря можуть піднятися незвичні на вигляд літаки на електричних і гібридних двигунах. Коли пілот-випробувач Airbus Дідьє Естейн в липні здійснив переліт через Ла-Манш на двомісному літачку E-Fan з електродвигуном, європейський аерокосмічний гігант, який сконструював, особливо підкреслював, що політ не варто розглядати просто як рекламний трюк.
Насправді в Airbus так серйозно ставляться до теми електродвигунів, що готові поставити модель E-Fan на потік як тренувальний літак. Він надійде в продаж до кінця 2017 року, а за ним з’явиться чотиримісна версія.
Про створення набагато великих пасажирських літаків з електричними і гібридними двигунами думають не тільки в Airbus. Як і в автомобілях, електромотор пропонує цілий ряд переваг в порівнянні з поршневим або реактивним. Сучасні електричні двигуни з цифровим керуванням мають великий крутний момент — обертальну силу, яка однаково успішно приводить в рух пропелери, лопаті колеса. Крім того, електрична енергія безшумна, чиста і дуже надійна, і в електродвигунах зношується або ламається менше деталей. Правда, батареї не забезпечують звичайної бажаної дальності польоту: E-Fan пролітає на літієво-іонних близько години з 30-хвилинним запасом. Цього може вистачити для практичного заняття, але не для пасажирського авіалайнера. Однак батареї постійно вдосконалюються, а що літаки мають довгий термін експлуатації (Boeing 747 вперше піднявся в повітря в 1969 році), то інженери працюють над проектами, спрямованими далеко в майбутнє.
Особливо їх приваблює в електричних двигунах те, що останні дають можливість створити літаки радикально відмінного типу, як концепт Аеробуса E-Thrust. Задум полягає в тому, що замість підвішування великих і важких реактивних двигунів під крилом, в інших частинах літака можна встановити більш малогабаритних і легкі лопаті або пропеллері з електричним приводом.
Зробити таке з використанням значної кількості невеликих звичайних двигунів було б складно, і це призвело б до збільшення ваги. Але електричні двигуни дають реальну можливість втілити цей концепт, названий «розподілена електрична тяга» (distributed electric propulsion, DEP), в життя. Перевага розподілу потужності полягає в тому, що за рахунок неї можна збільшити потік повітря над крилами і таким чином забезпечити більшу економічність під час польоту. «DEP забезпечує фундаментальні зрушення в проектуванні літаків», — говорить Марк Мор, головний розробник електричних аеропланів в дослідницькому центрі НАСА в Ленглі, штат Вірджинія.
На злітній смузі
НАСА проводить випробування DEP-крил, встановлених на вантажному автомобілі, який рухається з великою швидкістю по дну висохлого озера на базі ВПС «Едвардс» у Каліфорнії. На передньому краї крила змонтовано 18 невеликих електричних пропелерів. Наступний крок — проект під назвою Sceptor («Скіпетр»): крило звичайного легкого чотиримісного літака (у цьому випадку двомоторного італійського Tecnam P2006T) замінять DEP-крилом, на якому буде встановлено кілька пропелерів з електричним приводом. Sceptor почне льотні випробування в 2017 році.
Ряд маленьких пропелерів на моделі Sceptor збільшить підйомну силу літака при більш низьких швидкостях, що дасть йому можливість підніматися в повітря і приземлятися на коротких злітно-посадкових смугах. А ще завдяки цьому можна буде зробити крило більш вузьким (до третини ширини крила звичайного літака) і цим зменшити вагу і заощадити витрати на паливо. Зазвичай крило легкого літака має відносно велику площу, щоб запобігти звалювання (це трапляється на малих швидкостях польоту, коли воно не забезпечує достатньої підйомної сили). Але великі крила не дуже економічні при крейсерських швидкостях, тому що викликають значне аеродинамічний опір. Крила моделі Sceptor будуть оптимально спроектовані саме для цього випадку, але в той же час забезпечувати достатню підйомну силу, щоб не допустити звалювання під час зльоту або посадки.
Крило буде здатна і на інші «витівки». Швидкістю кожного електричного пропелера можна управляти окремо, що дозволяє змінювати конфігурацію потоку повітря по крилу, пристосовуючись до швидкої зміни умов польоту, наприклад поривів вітру. Під час польоту на крейсерській швидкості найближчі до фюзеляжу пропелери можна буде згортати, залишаючи роботу для пропелерів на кінці крила. Якщо польотні випробування «Скіпетра» пройдуть успішно, цю технологію можна буде застосувати в найближчі 10 років для малих літаків на близьких маршрутах, навіть при сучасних батарей. Такі літаки, як каже Мор, не заражати повітря під час польоту, будуть безшумними і дадуть можливість зменшити експлуатаційні витрати приблизно на 30%.
Концепт E-Thrust від Airbus зараз ще трохи далі від злітної смуги. Введення в експлуатацію цього літака, розробленого спільно з британським виробником реактивних двигунів Rolls-Royce і іншими дослідними групами, планується близько 2050 року. До того часу в авіаційній галузі ЄС очікується зменшення споживання палива, викидів і шумового забруднення від пасажирських літаків мінімум на 20-30% в порівнянні з нинішніми новітніми розробками.
Мета E-Thrust — відповідати таким стандартам і перевозити близько 90 пасажирів рейсами тривалістю від двох годин, маючи при цьому великий запас заряду батарей. Проте для цього потрібен прорив у технології накопичення електроенергії, який цілком може статися в наступні кілька десятиліть. Ця модель також працює за принципом розподіленої тяги, але з модифікацією, тому що гібридний двигун.
Традиційний реактивний двигун розташований в хвості літака E-Thrust. Він також має три лопаті з електричним приводом на кожному крилі. Під час зльоту цей мотор і всі шість електричних лопатей будуть працювати і забезпечувати максимальну підйомну силу. Коли літак вийде на крейсерську висоту польоту, реактивний двигун можна буде перевести в режим меншої потужності, але її вистачає, щоб приводити в дію лопаті і заряджати батареї. Під час зниження і реактивний двигун, і лопаті будуть вимикатися. Під час планування зустрічний потоків повітря будуть обертати лопаті, які будуть працювати як лопаті вітряного генератора, таким чином заряджати батарею. Під час приземлення будуть задіяні лопаті, а двигун працювати на холостому режимі, але в готовності забезпечити додаткову потужність у випадку, якщо знову доведеться розгортатися.
Перевагою такої гібридної системи є те, що вона різко підвищує ступінь двоконтурности реактивного двигуна літака. Це співвідношення кількості повітря, що обтікає гарячу внутрішню частину реактивного двигуна, і повітря, яке проходить крізь неї, поставляючи кисень в камеру внутрішнього згорання. У перших пасажирських реактивних літаків двигуни мали низьку ступінь двоконтурності. Значну частину тяги забезпечувало швидке проходження повітря, яке викидалося з сопла двигуна. За це вони були дуже галасливі і споживали більше пального. На виході з сопла струмінь повітря обертає турбіну, яка через вал крутить лопаті пропелера в передній частині двигуна, щоб засмоктувати ще більше повітря. Збільшення розміру лопатей дало можливість проганяти більший об’єм повітря з меншою швидкістю руху (зовнішній контур) навколо серцевини двигуна. При цьому зростає ККД і помітно знижується рівень шуму. Це також пояснює, чому такі моделі реактивних двигунів отримали округлих форм.
Ступінь двоконтурності сучасних реактивних двигунів — в межах 12:1. Для порівняння: у 1970-х роках він був 5:1, а то і нижче. Але нарощувати розмір лопатей стає все важче, тому що вони займають все більше місця під крилом. А для більш об’ємних двигунів потрібні більш міцні крила, тобто зростає вага літака. Гібрид, встановлений на E-Thrust, акуратно уникає цих проблем, тому що тільки реактивний двигун в хвостовій частині має серцевину з камерою внутрішнього згоряння. Це означає, що все повітря, що проходить через шість пропелерів з електричним приводом, допомагає досягти економічного коефіцієнта двоконтурності 20:1 або більше. Це зробить літак надзвичайно економічним і безшумним.
Як по маслу
Ще помітніше збільшити ефективність можна за рахунок поглинання розподіленими двигунами так званого граничного шару повітря, який обтікає верхню частину крила. Він дуже тонкий і знаходиться близько до поверхні. Він сповільнюється за рахунок сили тертя, коли молекули повітря торкаються поверхні крила. Граничний шар, проходячи над опуклою верхньою частиною профілю крила (яка забезпечує піднімальну силу), може створювати турбулентність — завдяки цьому виникає «хвіст» за реактивним літаком. Встановлені над крилом E-Thrust для перехоплення граничного шару, електричні пропелери можуть прискорювати його і цим зменшувати аеродинамічний опір від попутного струменя.
Щоб підняти E-Thrust в повітря, потрібен технічний прогрес у двох сферах. Крім більш досконалих батарей це суперпровідність, тобто зникнення електричного опору в деяких матеріалах у разі охолодження до критичної температури. Зменшення опору дозволяє конструювати електричні системи і системи двигунів легкі, але досить потужні, щоб приводити в рух літаків. Це вже робиться в малих масштабах в обладнанні зразок медичних сканерів. Але для літака потрібно інтенсивне охолодження, якого поки що не забезпечують існуючі комерційні можливості. Над цією проблемою разом з Airbus працює група дослідників з Кембріджського університету.
Як тільки вдасться подолати ці бар’єри, як кількість електричних літак почне неухильно збільшуватися. Спочатку вони будуть невеликими, але з удосконаленням технологій будуть рости і перевозити все більше пасажирів. Деякі з цих технологій, як сподіваються в Airbus, допоможуть заодно зробити економічніше і тихіше також звичайні реактивні літаки.