KEY TECHNOLOGIES FOR FUTURE AIRCRAFT

Full Text

Сегодня перед крупными авиастроительными корпорациями стоят амбициозные задачи по решению экологических и финансовых проблем, связанных с эксплуатацией традиционных летательных аппаратов (ЛА). Экологическая проблема обусловлена в основном вредными выбросами, возникающими из-за сжигания керосина при полетах воздушных судов (ВС). Например, за 2015 год авиационными лайнерами было израсходовано 276 миллионов тонн керосина, что составило 7% от общемировой добычи нефтепродуктов [1]. Авиационные выбросы CO2 при этом составили 2,7% от выбросов CO2, связанных с использованием энергоресурсов [1, 2]. Более того, авиационные выбросы, не связанные с CO2, оказывают существенное влияние на мировое изменение климата [3, 4]. Например, серьезным фактором, обуславливающим глобальное потепление, является образование перистых облаков из-за полетов ВС [3]. В связи с увеличением количества сжигаемого керосина существенно возрастут также выбросы NOx [5]. Негативное влияние на экологию оказывает шум, создаваемый ЛА, так как он негативно сказывается на здоровье и может приводить к преждевременной смерти подверженных ему людей [6]. Как вариант решения вышеуказанной проблемы рассматривается перевод самолетов на биотопливо [7, 8], что приведет к снижению выбросов CO2. При этом положительный эффект, не связанный с выбросами CO2, оценить затруднительно. Применение сжиженного газа и сжиженного водорода [9, 10] позволит существенно снизить уровень выбросов CO2, однако, высокое содержание водорода в этих видах топлива приведет к увеличению инверсионного следа и более активному образованию перистых облаков. Поэтому активно ведутся работы в рамках концепций более электрического самолета (БЭС) и полностью электрического самолета (ПЭС).

Финансовая проблема традиционных ЛА заключается в том, что крупные авиакомпании стремятся снизить стоимость эксплуатации ВС. Это может достигаться путем повышения топливной эффективности летательных аппаратов и путем снижения стоимости обслуживания ЛА. Одним из путей снижения расхода топлива при повышении надежности бортовых систем и снижении расходов на техническое обслуживание также является электрификация ЛА [11].

В статье авторами рассмотрен процесс электрификации ЛА и проведен обзор ключевых технологий для перспективных ЛА.

 

 

Процесс электрификации летательных аппаратов

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что перспективой развития ЛА является их электрификация. Любое ВС представляет собой комплексную техническую систему, в которой имеется множество взаимосвязанных компонентов. Поэтому процесс электрификации ЛА является достаточно сложным. Электрификация ЛА подробно рассмотрена в работах [11-18]. Ранее было отмечено, что существует концепция ПЭС, которая предполагает электрификацию всех систем ЛА, в том числе авиационных двигателей (АД). При этом на боту ВС нового поколения ведущую роль займут электрические машины (ЭМ), их блоки управления (БУ) и различные электронные системы. Согласно [14], для создания полностью электрифицированного самолета требуется существенное увеличение удельной мощности ЭМ. Например, если ЭМ планируется к применению взамен АД, ее удельная мощность должна быть сопоставима или должна быть выше удельной мощности АД. Здесь важно учитывать, что удельная мощность ЭМ для корректного сравнения с АД должна рассчитываться с учетом компонентов, необходимых для обеспечения работы ЭМ. Например, для сверхпроводниковой ЭМ удельная мощность должна рассчитываться с учетом криогенной системы. Более того, для полностью электрифицированного самолета существует ряд сложностей, связанных с построением его системы электроснабжения (СЭС). Системы электроснабжения ПЭС подробно рассмотрены в [17]. Для достижения высоких удельных мощностей потребуется достаточно большое количество времени. Согласно прогнозам [14] к 2030 году может быть достигнута удельная мощность 20 кВт/кг, тогда как удельная мощность 50 кВт/кг будет достигнута не ранее, чем к 2040 году. Очевидно, что для достижения целей 2040 года будет требоваться не только серьезное развитие технологий производства и подходов к проектированию ЭМ, но и применение новых материалов с высокими характеристиками. Таким образом, создание ЛА, в котором все системы, включая основные двигательные установки, будут электрическими, на сегодняшний день невозможно, однако является перспективным направлением разработок современной авиации.

Определенные шаги на пути к реализации ЛА в рамках концепции ПЭС делаются уже сегодня. Поэтапный план электрификации летательного аппарата представлен концепцией более электрического самолета (БЭС). Для раскрытия концепции БЭС рассмотрим, какие виды энергии используются на существующих ЛА. Энергия на ЛА в основном вырабатывается за счет сжигания топлива АД. Вырабатываемая энергия в основном расходуется на обеспечение движения ЛА. Некоторая часть энергии отбирается в различных видах для обеспечения работы различных агрегатов на ЛА [11]. На ЛА используются четыре вида энергии для обеспечения работы агрегатов ЛА: (1) пневматическая; (2) механическая; (3) гидравлическая; (4) электрическая. Гидравлическая энергия в основном используется для выпуска шасси, торможения при посадке и рулении, изменения положения рулевых поверхностей крыльев и т. д. [12] Гидравлическая энергия распределяется от центрального гидравлического насоса к потребителям. Преимуществами гидравлических систем являются достаточно высокая надежность и высокая удельная мощность. Недостатком гидравлических систем является их сложная конструкция с большим количеством трубопроводов и риск утечки опасных жидкостей. Пневматическая энергия на ЛА применяется для поддержания давления в салоне, кондиционирования и нужд противообледенительной системы [12]. Работа пневматических систем обеспечивается за счет отбора воздуха от компрессора АД. Недостатками пневматических систем являются сложность обнаружения утечек и невысокий коэффициент полезного действия. Механическая энергия на ЛА отводится от АД к центральному гидравлическому насосу, насосам для обеспечения работы АД, электрическому генератору и остальным системам, которые приводятся в действие механически [12]. Электрическая энергия на ЛА используется для обеспечения работы различной авионики, электродвигателей и электроприводов на борту ЛА. Наличие на борту ЛА различных видов энергии обуславливает необходимость передачи и распределения энергии различных видов для разных систем, что усложняет конструкцию ЛА. Необходимо отметить, что от механической, пневматической и гидравлической энергии можно отойти в сторону электрической. Это обусловлено тем, что системы, работающие за счет гидравлической, пневматической или механической энергии могут быть выполнены на основе электронных и электромеханических устройств с полным сохранением своих функций. Поэтому на сегодняшний день существует тенденция к переводу различных систем ЛА на электрическую энергию. Таким образом, при функционировании ЛА возникнет необходимость передачи и распределения только одного вида электроэнергии. 

Подходы к электрификации различных систем перспективных летательных аппаратов

Необходимо отметить, что электрификация различных систем ЛА на сегодняшний день имеет очевидные плюсы. Коротко рассмотрим возможности электрификации различных систем ЛА. На основной части эксплуатирующихся сегодня коммерческих ЛА для привода управляющих поверхностей (закрылки, элероны, интерцепторы, рули высоты, рули направления) используются гидравлические привода. Гидравлические привода позволяют обеспечить достаточно высокую надежность и необходимую скорость перемещения управляющих поверхностей, но при этом требуют специальных трубопроводов для подвода жидкости к ним. Взамен гидравлических приводов на ЛА могут применяться электромеханические привода или электрогидравлические привода [12, 13, 14, 18]. Электромеханический привод не требует резервуара с жидкостью и представляет собой электродвигатель, приводящий в действие механический узел, преобразующий вращательное движение ротора электродвигателя в линейное перемещение исполнительного органа [19]. Электромеханический привод позволяет обеспечить невысокие массу и габариты, необходимую скорость перемещения рабочего тела, но при этом невозможно гарантировать отсутствие заеданий или заклиниваний, обусловленных конструкцией электромеханического привода [14]. Электрогидравлический привод представляет собой электрический насос и резервуар с жидкостью, причем резервуар с жидкостью не подключен к центральной системе распределения жидкости [14]. Конструкция такого привода исключает возможность заклинивания, что является его основным преимуществом перед электромеханическим приводом. Электрогидравлический привод применяется на ВС Boeing 787 [18].

Другим примером электрификации систем ЛА является электрификация системы передвижения по аэродрому. Сегодня буксировка ВС происходит за счет специализированных буксиров, а дальнейшее передвижение по аэродрому происходит за счет маршевых двигателей. При этом маршевые двигатели работают в основном на режиме холостого хода и при минимальной тяге, за счет чего сжигается значительное количество авиационного топлива [20]. Осуществить передвижение ВС по аэродрому можно за счет интегрирования электродвигателей в переднюю или в основные стойки шасси [21]. Такое решение также позволит отключать маршевые двигатели ВС сразу после посадки, что также позволит снизить количество сжигаемого на земле топлива. Эта технология получила название E-Taxi или Green Taxi [22].

Электрификации на ЛА также подвергаются системы, обеспечивающие работу АД. Например, топливные насосы современных ЛА приводятся от авиационного двигатели за счет механических передач или за счет гидравлической системы. С целью упразднения систем отбора мощности от маршевого двигателя ЛА топливный насос АД может быть выполнен на основе электродвигателя [12].

На сегодняшний день основным компонентом ЛА, полная электрификация которого затруднена, является АД. Например, для того, чтобы электродвигатели могли конкурировать с АД в диапазоне удельных мощностей до 3-6 МВт удельная масса электродвигателей должна составлять 15-20 кВт/кг. Применение электродвигателей с высокой удельной мощностью требует применения аккумуляторов с высокой удельной мощностью для их питания. Характеристики аккумуляторов на сегодняшний день не являются удовлетворительными (удельная емкость аккумуляторов должна составлять порядка 1000 кВт·ч/кг). Как отмечалось ранее, по прогнозам [14] необходимые удельные показатели могут быть достигнуты к 2030 году. В связи с этим крупные авиастроительные корпорации ищут другие пути повышения топливной эффективности и экологичности ЛА за счет модернизации современных АД.

Фактически, пути по улучшению характеристик традиционных АД сводятся к электрификации различных систем традиционных АД. Как отмечалось ранее, основной функцией АД является создание тяги для обеспечения полета ВС. Помимо этого, от АД производится отбор различных видов мощности на нужды различных систем ВС. В рамках концепции БЭС предполагается, что от АД будет отбираться только электрическая энергия для работы различных бортовых систем ЛА. Таким образом, при проектировании электрифицированного АД принимается, что остальные системы ЛА представляют собой различного вида потребители электроэнергии. Возможности электрификации различных систем ЛА были рассмотрены ранее. Переход от традиционного ЛА к БЭС показан на рис. 1.

Рис. 1. Переход от традиционного ЛА к БЭС

Таким образом, создание БЭС невозможно без глубокой переработки конструкции АД и внедрения новых электрифицированных систем для обеспечения его работы. Для понимания, каким образом можно произвести электрификацию авиационного двигателя и какие преимущества это дает, осталось рассмотреть две важные системы ЛА – систему генерирования электроэнергии и систему запуска АД.

В СЭС современных коммерческих ВС обычно используется переменное напряжение 115 В постоянной часты 115 Гц. Также в СЭС современных зарубежных ВС присутствует шина постоянного напряжения 28 В, которое получается из переменного напряжения 115 В за счет трансформаторно-выпрямительных установок (ТВУ) [23]. Электроэнергия на ЛА используется в основном для питания авионики, мультимедийных систем, систем освещения, оборудования кухни и т. д. [24, 25] Очевидно, что потребности в электроэнергии здесь существенно ниже, чем в БЭС. На рис. 2 показана СЭС современного ЛА в упрощенном виде.

Рис. 2. Упрощенное представление СЭС современного ЛА

На рис. 2 цифрами 1 обозначены электрические генераторы, приводящиеся от маршевых двигателей, цифрой 2 – генератор, приводящийся от ВСУ. Этими тремя генераторами обеспечивается основная потребность традиционного ЛА в электроэнергии. Энергия, вырабатываемая генераторами, передается на блоки электроники, которые отвечают за преобразование электроэнергии, отказоустойчивость СЭС и т. д., после чего поступает к потребителям. Генераторы обычно располагаются за пределами мотогондолы ЛА и соединяются с ротором АД через центральную коническую передачу. Для обеспечения постоянной частоты переменного тока на выходе генератора перед ним может устанавливаться привод постоянный частоты (ППЧ) [26]. Это необходимо в связи с тем, что в зависимости от режима работы меняется частота вращения ротора АД. Поэтому для получения постоянной частоты переменного тока на выходе генераторов переменную частоту вращения ротора АД для генератора преобразуют в постоянную за счет ППЧ. Использование ППЧ снижает отказоустойчивость и надежность СЭС ЛА. Альтернативным решением является использование статического электронного преобразователя после генератора. В таком случае частота вращения ротора генератора будет меняться вместе с частотой вращения ротора АД, а постоянная частота переменного напряжения на выходе генератора будет получаться за счет электронного преобразователя. Отбор мощности от АД через механические узлы и расположение генератора за пределами мотогондолы увеличивают массу СЭС ЛА и снижают ее надежность. Более того, при этом увеличивается аэродинамическое сопротивление мотогондолы ЛА, что приводит к снижению топливной эффективности ЛА.

Система запуска АД на сегодняшний день не электрифицирована на большинстве современных ВС. На коммерческих современных ВС обычно используется пневматическая энергия для запуска АД. Вспомогательная силовая установка (ВСУ) вырабатывает сжатый воздух, который от кормы ВС по специальным воздушным каналам подводится к маршевым двигателям [27]. В мотогондолах АД расположены вспомогательные устройства (пневматические стартеры), за счет которых происходит раскрутка турбины АД. Также предусмотрена система запуска АД в полете, представляющая собой воздушные каналы между АД [28]. В такой системе сжатый воздух отбирается от работающего двигателя для запуска неработающего. Необходимость такой системы обусловлена тем, что на больших высотах воздух разрежен и энергии ВСУ может быть недостаточно для подачи к маршевым двигателям необходимого для их запуска количества сжатого воздуха [29]. Пневматический запуск АД используется на таких современных самолетах, как Airbus A350 и Airbus A380. При этом существует возможность электрического запуска АД при помощи электрического стартера. Электрический запуск АД реализован на современном гражданском лайнере Boeing 787 [30]. Электрический стартер фактически представляет собой электродвигатель, который соединен с ротором АД посредством механических устройств. За счет использования электрического стартера-генератора на ВС Boeing 787 устранены: (1) система отбора воздуха от АД; (2) потери энергии в системе предварительного охлаждения отбираемого воздуха; (3) воздушные стартеры. Более того, за счет применения такой системы запуска существенно упрощена конструкция ВСУ, а также обеспечено удобство эксплуатации ВС с точки зрения наземной инфраструктуры аэропорта за счет упрощения обслуживания.

ЭМ обладают свойством обратимости, то есть каждая ЭМ может работать как в режиме электродвигателя, так и в режиме генератора. Это позволяет совместить авиационный генератор и электрический стартер авиационного двигателя в одном устройстве – стартер-генераторе (СГ). Таким образом, СГ выполняет функцию запуска АД и функцию генерирования электроэнергии в бортовую сеть ЛА во время полета, что позволяет использовать одно устройство взамен двух. На ВС Boeing 787 используется стартер-генератор мощностью 250 кВА. Применение СГ является перспективой электрификации АД и важным аспектом создания БЭС. Поэтому разработка высокоэффективных СГ является важной задачей современного электромашиностроения и современного авиастроения. 

Ключевая технология на пути к высокоэффективному перспективному летательному аппарату

За счет электрификации различных систем ЛА его СЭС будет существенно отличаться от представленной на рис. 2. Это обусловлено возможностью обеспечения отказоустойчивости и надежности электронных и электромеханических систем, а также применением различных современных преобразователей. В связи с этим отсутствует необходимость подвода всей электроэнергии на блоки электроники, которые отвечают за преобразование электроэнергии, отказоустойчивость СЭС и т. д., после чего электроэнергия поступает к потребителям. Упрощенное представление СЭС ВС Boeing 787 (согласно [31]) представлено на рис. 3.

На рис. 3 цифрой 1 обозначены СГ маршевых двигателей ЛА (на одном двигателе устанавливается два СГ), а цифрой 2 – генераторы, расположенные на ВСУ (на ВСУ устанавливается 2 генератора). Рис. 3 показывает, что СЭС БЭС имеет более гибкую конфигурацию по сравнению с СЭС традиционного ЛА. СГ Boeing 787 соединены с роторами АД без ППЧ, поэтому отдают в СЭС ЛА напряжение переменной частоты, которое в дальнейшем преобразуется различными преобразователями.

Рис. 3 – Упрощенное представление СЭС ВС Boeing 787

Также отличием СЭС Boeing 787 является то, что в ней используются каналы переменного напряжения 235 В и канал постоянного напряжения ±270 В. Важно отметить, что для ЛА нового поколения повышение напряжений СЭС является перспективным.

Необходимо отметить, что в рамках концепции БЭС, согласно [11], из АД будут выходить только электрические провода, по которым энергия будет передаваться в бортовую сеть ЛА. То есть отбор мощности будет происходить напрямую от вала АД без механических передач и агрегатов. Для этого необходимо интегрировать СГ в АД. СГ, расположенный непосредственно внутри АД, называется интегрированным СГ (ИСГ). ИСГ обеспечивает запуск АД и обеспечивает питание всех потребителей электроэнергии на борту ЛА. Таким образом, ИСГ становится ключевой технологией в рамках создания перспективных ЛА.

Применение ИСГ на ЛА позволяет достичь положительного эффекта, обусловленного тем, что при выполнении ИСГ непосредственно внутри АД мотогондоле ЛА возможно предать более обтекаемую форму, что позволяет снизить сопротивление ЛА воздуху и, соответственно, повысить его топливную эффективность.

Заключение

В работе авторами был проведен обзор решений, направленных на совершенствование традиционных ЛА. Было установлено, что перевод ЛА на водород или биотопливо может не дать ожидаемого положительного эффекта. В связи с этим, основным путем совершенствования ЛА на текущем уровне развития технологий является его электрификация.

Так как ЛА представляет собой комплексное техническое устройство, его электрификация является сложным процессом. Электрификация ЛА в целом в рамках концепции БЭС формируется из решений по электрификации отдельных его систем. Электрификации подлежат привода рулевых поверхностей крыла и стоек шасси, система передвижения ЛА по аэродрому, система запуска АД, а также агрегаты АД. При этом единственным видом электроэнергии на борту становится электроэнергия.

На основании вышесказанного ключевой технологией при проектировании и изготовлении перспективного ЛА становится ИСГ, который позволяет запускать АД и отдавать электроэнергию потребителям во время полета. Поэтому для создания нового высокоэффективного ЛА инженерам из областей авиадвигателестроения и электромашиностроения предстоит решить задачу проектирования ИСГ с учетом особенностей АД, в который он интегрируется. Решение этой мультидисциплинарной научно-исследовательской задачи даст новый толчок к развитию традиционных ЛА.

Благодарности

Работа выполнена в рамках гранта в форме субсидий в области науки из бюджета Республики Башкортостан для государственной поддержки молодых ученых, тема «АП-ЭМ-02-21-ГБ».

About the authors

Ruslan R. Urazbakhtin

HSBEI HE "Ufa state aviation technical university"

Author for correspondence.
Email: urr98@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0886-0550

post graduate student of the department of electromechanics

Russian Federation

Al'bina M. Nurieva

Email: albinka_nurieva@mail.ru

Egor A. Pronin

Email: apblider04@yandex.ru

Supplementary files