Авиадвигатель на сверхпроводниках уже проходит испытания на самолете
И это тот случай, когда работа с получением награды и признания в профессиональном сообществе не заканчивается, а только набирает обороты, переходя на новый уровень.
В феврале нынешнего года результаты проекта были представлены публике уже в виде натурного образца-демонстратора и поступили на испытания в ФГУП "Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина (СибНИА, входит в Национальный исследовательский центр "Институт им. Н.Е. Жуковского").
Речь о гибридной силовой установке, в основе которой электродвигатель мощностью 500 кВт на отечественных высокотемпературных сверхпроводниках второго поколения (ВТСП). Такой двигатель создан в рамках совместного проекта Фонда перспективных исследований и компании "СуперОкс". А сам проект, как уже сказано, получил символическое название "Контур".
Минус 196 по Цельсию
Уже на старте, в 2016 году, цель была сформулирована предельно четко: создание электроэнергетических систем на основе принципа сверхпроводимости и разработка технологии производства высокотемпературных сверхпроводников в виде ВТСП-ленты.
В 2018-м пошли дальше - задались целью создать электроэнергетическую систему на основе единой сверхпроводниковой платформы. Как пояснили "РГ" кураторы проекта в Фонде перспективных исследований, единая платформа - это техническое решение, в котором все электротехнические изделия выполнены на сверхпроводниках и замкнуты в единый криогенный контур.
"Разработка подобного электрооборудования является актуальной научно-технической и конструкционной задачей, - утверждается в отчетах ФПИ. - А созданный в рамках проекта "Контур" научно-технический задел позволяет обеспечить создание безредукторных электромеханических приводов большой мощности, систем электродвижения (СЭД) и электроэнергетических комплексов (ЭЭК) для авиационной и морской техники".
Добавим: существующие в этой сфере разработки и решения имеют в своей основе традиционные медные проводники, которые обладают ограниченной проводимостью, и как следствие ограничивает предельную силу тока на единицу площади сечения проводника. В этой логике и при такой технологии всякая попытка увеличить на выходе мощность установки, ведет к пропорциональному увеличению массы и габаритов электрооборудования. Именно это становиться главным барьером-препятствием на пути создания полностью "электрических" летательных аппаратов и морских СЭД.
А с применением сверхпроводников в виде ВТСП-ленты все кардинально меняется. Эффект сверхпроводимости возможен только в особых материалах, из которых изготовлены обмотки электродвигателя. И достигается он только с помощью азота, охлажденного до температуры 77 градусов по Кельвину или - "всего" минус 196 по Цельсию, что совсем немного для достижения эффекта сверхпроводимости. По этой причине ее и называют высокотемпературной, а порог - точка кипения азота, те самые 77 по Кельвину…
- В результате сопротивление на таких обмотках двигателя нулевое, - пояснил, не вдаваясь в детали, главное ноу-хау этой разработки глава совета директоров компании "СуперОкс" Андрей Вавилов во время испытаний в Новосибирске. И тогда же заключил: это позволяет реализовывать огромные мощности при сравнительно небольших размерах. Что для авиации критически важно, ведь полет - всегда борьба с весом…
С ледокола на самолет
Что показали испытания двигателя-демонстратора, проведенные в СибНИА? Отметим, что их первый этап проводится пока на земле - ограничились выкаткой и пробежкой самолета-лаборатории по взлетной полосе. На этот момент на борту летающей лаборатории установлена гибридная силовая установка: электродвигатель мощностью 500 кВт совмещен в ней с газотурбинным. Первый отвечает за взлет и разгон, второй обеспечивает полет. Вторая часть гибридной установки - газотурбинный турбовальный двигатель с генератором - создана Центральным институтом авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ) совместно с Уфимским государственным авиационным техническим университетом (УГАТУ).
Как сообщалось, Як-40 смог разогнаться до 140 километров в час, но не это главное. "Была подтверждена правильность выбранных электротехнических, прочностных и компоновочных решений, отмечена корректная совместная работа самолетного оборудования и ВТСП-электродвигателя. Исследованы условия электромагнитной совместимости бортового и ВТСП-оборудования, основные режимы работы электродвигателя и его систем: захолаживание, пуск, остановка, работа под нагрузкой".
Это цитата из комиссионного заключения. А вот суждения непосредственных участников проекта и тех, кто следил и продолжает следить за его развитием.
Чтобы такой двигатель пошел в дело, замечает гендиректор ЦИАМ Михаил Гордин, очень много еще нужно узнать и отработать: как ввести в систему аккумуляторы? как использовать электродвигатель? Есть много неопределенностей и вопросов, на которые должна ответить авиационная наука.
По словам директора СибНИИ Владимира Барсука, большие токи, которые возникают в обмотках двигателя на сверхпроводниках, могут создавать разного рода наводки, влиять на авионику самолета и бортовые приборы. Это надо учесть и тщательно исследовать - на земле и, что самое главное, в полете…
Гибрид - это временно
Пока, как уже сказано, самолет-лаборатория Як-40 работает "на гибридной тяге". Если все пойдет по плану, через пару лет намереваются запустить летающую лабораторию на базе Ил-114 - уже исключительно с электрическим двигателем мощностью в 1 мегаватт, что вдвое больше нынешнего.
Генеральный директор ФПИ Андрей Григорьев, не загадывая далеко вперед, в диалоге с "РГ" констатирует то, что уже реально сделано.
- За четыре года, которые прошли с момента запуска проекта "Контур", нашим ученым удалось в четыре раза увеличить токонесущие способности и в восемь раз - критическую силу тока высокотемпературной сверхпроводниковой ленты, которая используется в обмотках двигателя. Это позволило значительно снизить габариты силовой установки и добиться качественно новых результатов.
А Сергей Кравченко, руководитель проекта "Контур" в том же ФПИ, заглянуть вперед не против. В его планах - разработка демонстрационных образцов и технологий для создания полностью электрического самолета и вертолета. Своим мнением на этот счет поделился и генеральный директор НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" Андрей Дутов. Создание электрического самолета, полагает он, может стать своего рода технологическим драйвером и вывести нашу авиацию, российское авиастроение на передовые позиции.
- Разрабатываемые нашим центром технологии позволят примерно к 2030 году представить полностью электрический самолет - с принципиально иными экономическими и экологическими показателями, в том числе по шумности и выбросам, - заявил собеседник "РГ". - Кроме того, в связи с тем что авиационные требования к технологиям наиболее жесткие, это дает возможность их использования в других отраслях промышленности при создании новой техники.
