[Перевод] Гибридные электрические самолёты позволят уменьшить вредные выбросы и шум
Электрические двигатели в воздухе появятся так же, как появились на земле — сначала аккумуляторы будут использоваться в помощь двигателю, сжигающему топливо
31 мая 2018 года электросамолёт Magnus eFusion с двигателем Siemens разбился в Венгрии. Его пилот Януш Б., упомянутый в статье, и пассажир погибли. Siemens работает с местными властями над расследованием причин происшествия.
Я сижу в кабине одного из самых удивительных самолётов в мире. Это двухместный лёгкий самолёт eFusion, произведённый компанией Magnus Aircraft, оснащённый мотором от Siemens — огромной компании, знаменитой не своим вкладом в авиацию. Я убираю свои ступни от педалей управления как раз перед тем, как пилот включает свою машину.
Воздушный винт мгновенно начинает крутиться и становится почти не виден. Но при этом стоит такая тишина, что мы легко можем общаться без гарнитур. Это первый признак того, что самолёт питается электричеством.
Мы начинаем катиться по небольшой взлётной полосе на заросшем травой поле Будапешта. 10 утра, солнечное небо, вдалеке видны фермы. Внезапно мы подпрыгиваем в небо и начинаем круто карабкаться вверх, фермерские домики умильно сжимаются. Коровы внизу даже не смотрят вверх. Это быстрое ускорение, авиационный эквивалент режима работы Ludicrous автомобиля Tesla Model S — ещё один признак электродвигателя. Вы получаете все возможности мотора, и сразу.
Затем мы ныряем, отклоняемся в сторону и поднимаемся снова, оставляя где-то позади мой желудок. Неплохо для простого самолёта, способного на немногие фигуры высшего пилотажа, как описал его мне Гергель Джорджи Балаш [Gergely György Balázs], глава будапештского исследовательского офиса Siemens, будто бы извиняясь, перед тем, как я забрался в самолёт. К счастью для меня, пилот модели, способной на все фигуры высшего пилотажа, был в отъезде по делам.
После 15 бодрящих минут аккумуляторы сели наполовину, до значения менее 10 кВт*ч, и уже настала пора приземляться. Это последний признак электрического двигателя. Хотя сегодня литий-ионные батареи, стойки с которыми упрятаны в корпус перед кабиной, хранят гораздо больше энергии, чем они могли всего несколько лет назад, они и близко не подбираются к баку бензина. Так что в ближайшие годы возможности всех электросамолётов будут ограничены короткими прыжками, в основном между соседними населёнными пунктами, а не между городами.
Авиация отвечает за 2–3% общемирового выброса парниковых газов. Но её эффективность на единицу объёма считается очень высокой, поскольку довольно много газов выбрасывается в стратосфере. Ожидается, что доля авиации в выбросах будет быстро расти в следующие пару десятилетий, с увеличением количества полётов и уменьшением выбросов из других источников — в частности, от генерации электричества и автомобилей.
В 2016 году 23 страны подписали соглашение об ограничении выбросов углерода, совершаемых воздушными судами, которое должно начаться в 2020, согласно стандартам, разработанным Международной организацией гражданской авиации, ИКАО (ICAO — International Civil Aviation Organization), агентством ООН. Поэтому исследователи всего мира работают над поисками способов удовлетворить этим ограничениям.
Но чем могут помочь электросамолёты, ограниченные до смешного малым расстоянием? Их считают критическим шагом технологической эволюции в авиации, которая повторит миграцию, начинающуюся только сейчас, автомобильной индустрии от двигателей внутреннего сгорания к электромоторам. Лет через 15 гибридные пассажирские самолёты, комбинирующие электричество и горючее, возможно, начнут работать на коротких и средних перелётах. Гибриды будут сжигать горючее, но делать это экономно.
Концепт Blue Sky. Способная на фигуры высшего пилотажа версия Extra 330LE, лёгкого самолёта, модифицированного компанией Siemens для работы от электричества. На ранних испытаниях конца 2016 года он установил рекорд высоты электрополётов, забравшись на 3000 метров за 4 минуты 22 секунды.
«Мы можем серьёзно изменить ситуацию на масштабах малых тренировочных самолётов, питающихся электричеством, поскольку там физика не работает против нас», — говорит Джордж Бай, директор Bye Aerospace, совместно с Siemens поставляющий электрические тренировочные самолёты. «Но для увеличения скоростей и масс, требующихся для лайнеров, необходимо переходить на гибридную установку. Индустрия активно работает над этим».
Пока что гибриды нужны потому, что, хотя авиационное горючее даёт 12 500 Вт*ч энергии на килограмм, литий-ионные батареи дают всего лишь 160 Вт*ч/кг, учитывая вес батарей и всего остального оборудования, обеспечивающего их безопасность.
Для поднятия гибридов в воздух потребуется множество технологических прорывов. Они, естественно, появятся в результате работы программ по исследованиям и разработке. Но также они появятся и благодаря попыткам, таким, какую делает Siemens, ввести в строй электрические тренировочные самолёты, и, что, вероятно, наиболее важно — попыткам создать индустрию городских авиатакси в чём-то вроде дронов-переростков. Сама Siemens работает с Airbus Helicopters над одним из таких полностью электрических проектов, CityAirbus. Параллельно Airbus работает над проектом Vahana, который разрабатывает его филиал в Кремниевой долине. Есть и множество других стартапов, включая китайский Ehang, первые демонстрации пассажирских полётов у которого прошли в этом году, когда инженера унёс в небо октокоптер компании.
В авиации большинство гибридов основано на последовательной архитектуре, в которой двигатель, сжигающий топливо — либо ДВС, либо турбина — питает генератор, питающий электромоторы, вращающие винты и заряжающие батарей. В такой схеме аккумуляторы обеспечивают краткосрочные всплески энергии, необходимые для взлёта, что позволяет техникам подстроить сжигающие топливо двигатели так, чтобы они работали на идеальных скоростях. Массивные реактивные двигатели, свисающие с крыльев вашего самолёта, работают на полную мощность только во время взлёта; всё остальное время они, грубо говоря, работают вхолостую и лишь увеличивают вес самолёта.
Есть и другие преимущества. Раздавая питание по проводу, при гибридном дизайне можно расположить винты ровно там, где нужно, не обустраивая всё, исходя только из местоположения огромных двигателей. Некоторые гибридные схемы пробуют располагать винты сзади самолёта или даже на вертикальном стабилизаторе.
Над гибридами работают два основных консорциума. В Европе Airbus скооперировался с Siemens и Rolls-Royce в альянсе, отдельном от проекта CityAirbus. В США Boeing и JetBlue являются частью конкурирующего проекта, управляемого стартапом Zunum Aero, расположенном в Киркланде, Вашингтон. Оба консорциума рассчитывают поднять гибриды в воздух к началу 2020-х.
Airbus планирует начать с изменённой версии существующего самолёта, British Aerospace 146 на 100 сидений, у которого одна из четырёх гондол на крыльях будет держать не двигатель, а двухмегаваттный электромотор. Он будет получать энергию от генератора, вращаемого небольшой газовой турбиной, расположенной в фюзеляже (благодаря чему она не испытывает сопротивления воздуха). Если электрическая система отказывает, самолёт сможет лететь на трёх винтах, движимых обычными моторами. Airbus готовит гибрид к демонстрации на следующей Международной Парижской авиавыставке.
Консорциум США практически ничего не сообщил о своих планах. В августе 2017 GE Aviation выдала описание концепции и огромной работы, которая, как она утверждает, проводится над созданием гибридных генераторов. В одном из наземных экспериментов GE Aviation использовала мотор мощностью в 1 МВт для вращения винта диаметром 3,3 м. В другом она использовала компрессор с двигателя GE F110 для питания генератора на 1 МВт, при этом двигатель продолжал выдавать тягу.
Батарейки вставлять сюда: этот Magnus eFusion покатал пилота Януша Б. и автора статьи в манёврах над полем близ Будапешта.
Хотя информации по работе обоих консорциумов крайне мало, из интервью явно следует, что они концентрируются на улучшениях в четырёх технологических категориях: ёмкость аккумуляторов, вес мотора и генератора, эффективность питающей электроники, материалы и дизайн рамы. В Европейском консорциуме Siemens занимается мотором, генератором и электроникой. Кроме этого компания модифицировала несколько малых самолётов, создав полностью электрические модели, считая, что по-настоящему оптимизировать все части можно, лишь используя их все вместе на самолёте.
«Мы приобретаем опыт использования всей системы электрической силовой установки, всего, что находится между пилотом и винтом», — говорит Фрэнк Энтон, глава департамента eAircraft компании Siemens. «Единственный способ обучиться этому — отправлять технологии в полёт».
Электромоторы могут быть относительно маленькими и лёгкими, что открывает много возможностей. Можно установить кучу малых винтов на крыльях, и поворачивать их для облегчения взлёта. НАСА даже изучает схему с кучей маленьких винтов, размещенных по всей длине крыла, которые нужным образом направляют поток воздуха по поверхности, и увеличивают отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению. В результате крылья можно делать короче и тоньше.
«Отделите генерацию от двигателя, — говорит Энтон, — и внезапно у вас появляется куча разных возможностей векторизации тяги».
Ключевая задача уменьшения веса электрической силовой установки зависит от двух вещей. Первое — необходимо повышать энергетическую плотность аккумуляторов, которая будет расти плавно, по крайней мере, пока современные литий-ионные аккумуляторы не уступят место совершенно новой технологии, вроде железо-воздушных аккумуляторов. Во-вторых, энергетическая плотность системы из мотора и генератора также должна расти. Это дело Siemens.
В носу самолёта от Siemens, способного на выполнение фигур высшего пилотажа, сидит их авиамотор SP260D, который при весе 50 кг и мощности в 260 КВт имеет удивительное соотношение КВт/кг в 5,2. У другого самолёта, не способного на все фигуры высшего пилотажа, мотор имеет то же соотношение, правда, его размер в полтора раза больше. Впервые Extra летал перед публикой в 2016 году в Германии. В 2017 он установил рекорд для электрических полётов, преодолев планку скорости в 340 км/ч. Инженеры Siemens активно работают над дальнейшим увеличением энергетической плотности мотора.
В исследовательском центре в Будапеште Балаш подводит меня к верстаку в лаборатории и вручает мне часть мотора, разрезанную пополам. Это часть статора — неподвижной части, вокруг которой вращается ротор — и в её разрезе видно перпендикулярные сечения медной обмотки, совпадающие друг с другом, как кирпичики. Такая прямолинейность — ключевой метод достижения высоких уровней энергии. Она не оставляет воздушной прослойки, которая могла бы помешать отводить тепло от проводов к корпусу с жидкостным охлаждением. Это тепло необходимо отводить от изоляции проводов, или она расплавится и произойдёт замыкание.
«Нам нужен более гомогенный теплообмен, который может обеспечить круглый провод, а ещё мы надеемся на улучшение электрической изоляции — всё это имеет значение для авиационного мотора», — заявляет Балаш. Siemens специально заказывает этот кабель у Furukawa Electric Co., японского поставщика.
Здесь инженеры осуществляют повседневные исследования, срезая лишний вес грамм за граммом. Такой трудоёмкий подход делает эти сделанные вручную «драгоценные камни» дороже любого Rolex. Когда я поднимаю запчасть, чтобы оценить её вес, Балаш ощутимо вздрагивает. Я осторожно кладу её обратно.
Он говорит, что через несколько лет тысячи этих моторов будут изготавливаться ежегодно для использования в воздушных такси, которые, как предсказывает Siemens и все его конкуренты по области, заполонят наши города на манер саранчи. Именно тогда стоимость производства моторов упадёт, возможно, даже ниже стоимости сравнимых сегодняшних ДВС, состоящих из сотен частей и осуществляющих бесчисленное количество сложных механических взаимодействий.
Но работа по устранению лишнего веса грамм за граммом в итоге уступает место революционным улучшениям. Одно из таких случилось в начале 1980-х, когда General Motors и Sumitomo Special Metals независимо представили сверхмощные неодимовые магниты в моторах. Следующая революция будет связана с электромагнитами, обмотка которых будет состоять из сверхпроводящих проводов.
С такой обмоткой мотор-генератор практически не будет терять энергии в виде паразитного тепла –, но эту мечту удастся осуществить только после появления высокотемпературных сверхпроводников. Сейчас керамические материалы достигают сверхпроводимости при температурах в -135 °C, что на 100 °C теплее изначальных металлических. Так что, вместо охлаждения проводов жидким гелием, не сильно превышающим абсолютный ноль, дизайнеры могут полагаться на жидкий азот.
Siemens работает над этой концепцией почти два десятилетия. Изначально компания планировала помещать сверхпроводящие моторы на морские суда, где пространство и вес особо важны. И всё равно, текущая версия их двигателя (используемого в качестве генератора) — это такой шкаф, по высоте больше роста человека. Поэтому инженеры компании занимаются его миниатюризацией для использования в авиации. Цель плотности мощности — 10 Вт на грамм. Siemens не показала мне этих разработок — только изображение большей машины с охлаждением, и диаграммой будущей авиационной версии.
Другие компании тоже нацеливаются на это. GE Aviation работает над моторами с криогенным охлаждением для НАСА, но подробностей не разглашает. Все эти компании играют в молчанку; возможно, не хотят раскрывать карт, или же им просто нечего пока показать. В любом случае, НАСА оценивает, что пассажирские самолёты с криогенными системами мощностью от 30 ВМт не появятся по крайней мере до середины 2030-х.
Чтобы сполна воспользоваться преимуществами сверхпроводящего мотора — и генератора, в гибридной системе — необходимо создать и сверхпроводящие инверторы. НАСА работает с GE над производством такого, способного работать с 19 кВт/кг с эффективностью в 99%.
Интегрирование мотора в схему гибрида — вероятно, используя газовую турбину для вращения генератора — пока ещё находится в процессе. Инженеры Siemens сначала моделируют всё в компьютере, в интерактивной симуляции, из которой мне показали лишь пару кадров на экране. Это была часть симуляции обычным образом охлаждаемой машины. «Это последовательный гибрид, и симуляция показывает нам распределение мощностей», — говорит Балаш.
В настоящее время газотурбинные установки в основном используются в качестве запасного питания для электросетей, где вес компонентов не имеет значения. Однако
множество современных военных самолётов берут электроэнергию от турбин, питаемых либо компрессорами реактивных двигателей, либо потоком воздуха.
Может показаться, что слишком много усилий тратится на то, чтобы сэкономить несколько килограмм –, но тут имеет значение каждая мелочь. Килограмм, сэкономленный на весе мотора, даёт драгоценные лишние килограммы для аккумуляторов. Когда United Airlines недавно начала распечатывать свой журнал для пассажиров на бумаге, весящей меньше обычной, экономя по 28 грамм на номер, или примерно по 5 кг на полёт, то по расчётам это должно сэкономить компании по 640 000 литров топлива ежегодно, или $290 000.
Именно поэтому новые авиалайнеры, например Boeing 787, используют такое количество полимеров, усиленных углеродным волокном. То же делает и Magnus eFusion — чтобы выкатить самолёт из ангара, достаточно усилий одного человека.
Давайте же перенесёмся к конечному продукту. Он появится лет через десять, и авиалинии будут использовать настолько тихие гибридные самолёты, что они смогут летать ночью над городом. Благодаря вращающимся винтам, они смогут взлетать с более коротких полос, возможно, расположенных прямо в годе. Они будут экономить энергию за счёт эффективности и малого веса. Это значит, их обслуживание и владение будет стоить дешевле — у сегодняшних самолётов ситуация обратная, поскольку стоимость их обслуживания многократно превышает стоимость покупки.
Один подвох: в ближайшие лет десять простые гибриды будут лишь немного экологичнее обычных самолётов. Ощутимое улучшение наступит в результате экономии на масштабе, когда гибриды позволят индустрии перейти на полностью электрические самолёты, возможно, уже в 2030-х. «Гибридизация позволит нам экономить от 4% до 20% энергии, — говорит Отто Олаф, глава отдела продаж и бизнес-развития мюнхенского офиса Siemens. — Если мы полностью электрифицируем самолёт, экономия будет ещё больше».
Точно так же авиаперевозчики заинтересованы в уменьшении выбросов парниковых газов. «Инициатива Евросоюза Flight Path 2050 пытается уменьшить выбросы более чем в 2 раза, — говорит Энтон из Siemens, —, но к тому времени пассажиропоток должен будет удвоиться, поэтому нам нужно по меньшей мере четырёхкратное улучшение».
Неясно, как именно получаются эти цифры. Легче всего сравнивать выбросы с пассажиро-милями. Честнее будет учитывать ожидаемый источник электричества, которое можно будет генерировать на земле и хранить в аккумуляторах для последующего использования в воздухе. В подсчётах также необходимо учесть, сколько энергии используется на изготовление аккумуляторов, моторов, сверхлёгких углеродно-композитных частей самолёта и всего остального.
Та же инициатива Евросоюза нацелена на уменьшение шума работы самолётов в два раза к 2050 году. Оказывается, что сейчас это наибольшая мотивация для авиаиндустрии. Для того, чтобы удовлетворить ограничениям на ночные полёты, авиаперевозчики иногда тратятся на работы по приглушению старых, громких самолётов.
«Большим сюрпризом стал момент, когда Siemens начала общаться с авиаперевозчиками, — говорит Энтон. — Я всегда считал, что тихая работа двигателей по приоритету располагается на третьем месте, после энергии и выбросов. А теперь это первостепенное дело».
Это будет не первая технология, успешно внедрённая по причинам, не связанным с глобальным потеплением. Люди покупают гибридный Prius, чтобы сэкономить на бензине; они покупают Tesla, чтобы обгонять Porsche. Авиаперевозчики будут покупать гибридные самолёты из-за их тихой работы, а уменьшение выбросов парниковых газов окажется практически побочным эффектом. Но оно всё равно будет.
