УДК 629.73

Гибридная силовая установка – будущее авиации

Сагитов Дамир Ильдарович – кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Черменинов Кирилл Леонидович – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Рямяков Никита Алексеевич – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: Данное исследование посвящено трансформации гибридных силовых установок, в частности, их ключевой роли в формировании будущего авиации. Поскольку производители авиационных двигателей во всем мире обращают свои взоры на разработку гибридных силовых установок (ГСУ), целью работы является решение проблемы экологической устойчивости, топливной эффективности и общих характеристик самолета, так как Объединенная Двигателестроительная Корпорация (ОДК) находится в авангарде этой технологической революции.

Ключевые слова: гибридные электростанции, газотурбинные двигатели, экологическая устойчивость, аэродинамика, эффективность силовых установок, эмпирические данные, электродвигатели.

Современный взгляд на силовые установки летательных аппаратов претерпел изменения, обусловленные, прежде всего, требованиями экологической устойчивости и постоянным стремлением к повышению топливной эффективности. В этом контексте интеграция гибридных силовых установок (ГСУ) представляется новаторским решением, органично сочетающим традиционные тепловые двигатели с электродвигателями. Крупнейшие производители авиационных двигателей, в том числе Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК), переориентируются на разработку газогенерирующего устройства (ГГУ) с целью смягчения экологических и эксплуатационных проблем, возникающих при использовании традиционных газотурбинных двигателей (ГТД). Актуальность данного исследования заключается в раскрытии многогранных аспектов применения ГСУ в авиации, изучении их преобразующего потенциала и оценке практических последствий.

Проблема заключается в существующих ограничениях ГТД, которые в настоящее время приближаются к зениту своего развития. Признавая эргономические и экологические недостатки этих традиционных двигателей, авиационная промышленность нуждается в инновационной силовой установке. Цель данного исследования - всесторонне изучить траекторию развития ГСУ, раскрыть ее тонкости, преимущества и проблемы. Объектом исследования является динамическая эволюция ГСУ, ее интеграция в различные типы самолетов и определение ее ключевой роли в изменении авиационных норм.

Задачи:

1. Изучить современное состояние авиационных двигателей, обратив особое внимание на ограничения ГТД.
2. Проанализировать согласованные усилия крупнейших мировых игроков, примером которых является компания UEC, по разработке и интеграции ГСУ.
3. Оценить экологические и экономические последствия применения газоперекачивающих агрегатов (ГПА) с точки зрения топливной эффективности, снижения выбросов и общих характеристик самолета.

Методология исследования основана на разумном использовании смешанных методов, сочетающих исчерпывающий обзор литературы с эмпирическими данными, полученными в результате деятельности ведущих производителей. Интервью с экспертами отрасли и тщательное изучение опытных образцов способствуют глубокому и целостному пониманию предмета исследования.

Императивы, определяющие концепцию и развитие гибридных силовых установок (ГСУ) в авиации, находят свое теоретическое обоснование в настоятельной необходимости преодоления ограничений, присущих традиционным газотурбинным двигателям (ГТД).

Теоретическая база начинается с признания экологических проблем, с которыми сталкиваются традиционные ГТД. Авиационная промышленность, вносящая значительный вклад в загрязнение окружающей среды, требует создания силовой установки, отвечающей современным экологическим стандартам. ГСУ, органично сочетающие электродвигатели с традиционными тепловыми двигателями, представляют собой убедительное решение по снижению вредных выбросов и уменьшению углеродного следа авиации.

Аэродинамика, являющаяся основополагающим постулатом теории авиации, играет ключевую роль в обосновании необходимости смены парадигмы на газоэлектрическую силовую установку (ГЭУ). Включение в силовую установку самолета электродвигателей позволяет расширить возможности тонкой регулировки и оптимизации тяги, повышая тем самым общую аэродинамическую эффективность воздушной платформы [1, с. 149]. Такая согласованность с теоретическими основами подчеркивает обязательную взаимосвязь между эффективной аэродинамикой и достижением оптимальных показателей топливной экономичности и производительности. Более того, теоретическое обоснование распространяется и на императив повышения эффективности энергетических установок. Симбиоз традиционных тепловых двигателей и электродвигателей в рамках газоэлектрической двигательной установки (ГЭУ) позволяет решить проблему малой тяги, громоздкой массы и ограниченного ускорения, присущую электроракетным двигателям [2, с. 7]. Такое теоретическое соответствие не только смягчает проблемы, связанные с традиционными электроракетными двигателями, но и подчеркивает потенциал ГПА как преобразующего посредника на пути от нынешней зависимости от газотурбинных двигателей к предполагаемой сфере полностью электрических самолетов. Эта стратегия включает в себя планомерную эволюцию, характеризующуюся синтезом традиционных и инновационных технологий, и представляет собой убедительный мост между устоявшимися авиационными традициями и открывающимися горизонтами электрических силовых установок.

В настоящее время авиационная отрасль столкнулась с насущной проблемой - надвигающимся истощением запасов топлива, предназначенного для постепенной доработки газотурбинных двигателей (ГТД). Эта проблема, не являясь чисто концептуальной, приобретает осязаемые масштабы, подтвержденные эмпирическими данными. Траектория постепенного совершенствования газотурбинного привода (ГТД) натолкнулась на грозное плато, что существенно сдерживает стремление отрасли к повышению производительности и эффективности. Очевидный застой в эволюционной дуге ГТД подчеркивает необходимость инновационных парадигм в двигательной технике.

В современных условиях повсеместное использование ГТД в качестве двигателей внутреннего сгорания, хотя и является давней традицией, не лишено присущих им недостатков. Ощутимые эргономические и экологические недостатки, присущие газотурбинному приводу (ГТД), побудили к систематическому поиску альтернативных силовых установок. Статистическое подтверждение этих недостатков, хотя и не сформулированное в явном виде, проявляется в заметном росте внимания к разработке гибридных электростанций (ГЭС) и электростанций [3, с. 353]. Этот заметный сдвиг отражает сознательную реакцию на необходимость смягчения выявленных недостатков ГТД, способствуя формированию общеотраслевой предрасположенности к созданию более устойчивых и эффективных конфигураций силовых установок. По мере того, как в авиации растет потребность в экологически чистых и технологически совершенных силовых установках, траектория исследований выходит за рамки традиционного ГТД. Импульс к исследованию гибридных и электрических силовых установок возникает как стратегический ответ на императив преодоления ограничений, присущих ГТД. Этот парадигматический сдвиг подчеркивает прагматическую рекалибровку траектории развития отрасли, направляя ее в будущее, характеризующееся двигательными технологиями, которые преодолевают существующие ограничения и открывают новую эпоху авиационных инноваций.

Использование электроракетных двигателей (ЭРД) в космических экспедициях сопряжено с целым рядом трудностей, в первую очередь, с низкой тягой, повышенной массой и, как следствие, неоптимальным ускорением в полете. Несмотря на свою эффективность во внеземных условиях, недостатки ЭРД являются серьезным препятствием для их повсеместного внедрения в авиационные силовые установки. Эмпирические данные подтверждают эту загадку, подчеркивая, что недостатки ЭРД являются серьезными препятствиями, мешающими их беспрепятственной интеграции в парадигму авиационных силовых установок. Разработка электродвигателей, являющихся ключевым компонентом гибридных силовых установок (ГСУ), представляет собой многогранную задачу, требующую тщательного изучения. Как в России, так и на мировой арене ведется согласованная работа по развитию технологий электродвигателей. Примером таких усилий может служить флагманская программа Национального аэрокосмического агентства США (NASA) - демонстрационный самолет X-57 Maxwell. Специалисты в этой области подчеркивают, что первостепенной задачей является создание мощностей, необходимых для обеспечения длительного крейсерского полета лайнеров гражданской авиации [4, с. 6].

Замысловатый перечень проблем, связанных с ЭРД, требует более глубокого изучения, выходящего за рамки космических приложений. Склонность к малой тяге и громоздкой массе, характерная для ЭРД, побуждает к научному исследованию парадигм двигательной установки. Эмпирическое обоснование ограничений ЭРД, подтвержденное достоверными данными, подчеркивает настоятельную необходимость совместных научных усилий по преодолению этих препятствий и началу эпохи трансформации авиационных силовых установок. В динамичном пространстве эволюции электродвигателей растущие инициативы, как на национальном, так и на международном уровне, свидетельствуют об общем стремлении преодолеть сложности, присущие совершенствованию технологий электрических силовых установок. Демонстрационный самолет X-57 Maxwell, олицетворяющий собой новаторские устремления NASA, служит подтверждением коллективной решимости разобраться в тонкостях, связанных с выработкой энергии для устойчивой аэронавигации. Как подчеркивают специалисты в этой области, основная проблема заключается в необходимости накопления достаточного запаса энергии, что является непременным условием реальной реализации длительных и эффективных крейсерских траекторий для самолетов гражданской авиации.

Еще один пример, иллюстрирующий существующие проблемы в области электрических силовых установок для авиации, связан с ограничениями, возникающими при выработке энергии для крупногабаритных самолетов. Несмотря на положительные сдвиги, примером которых могут служить проводимые компанией Rolls-Royce испытания компонентов гибридной силовой установки мощностью 2,5 МВт, остается нерешенной сложная задача достижения повышенной мощности, соответствующей требованиям региональных и транспортных самолетов. Необходимость повышения мощности этих силовых установок подчеркивается общим для отрасли императивом повышения эффективности и производительности [4, с. 7]. Несмотря на значительные успехи в развитии вспомогательных силовых установок (ВСУ) и электродвигателей, в научном сообществе сложилось единое мнение, что существующие перспективные электродвигатели не способны генерировать необходимую мощность, нужную для поддержания крейсерского полета большинства лайнеров гражданской авиации. Этот недостаток является существенным препятствием на пути к созданию полностью электрического самолета. Для устранения этого недостатка требуется постоянное стремление к дальнейшим научным исследованиям и неустанному техническому прогрессу. Парадоксальная дихотомия достижений в развитии автомата продольной устойчивости (АПУ) и электродвигателей в сравнении с признанными недостатками в генерации энергии, необходимой для обширной воздушной навигации, усиливает необходимость всесторонней переоценки существующих парадигм. Траектория развития электрических силовых установок, отмеченная значительными прорывами, находится на перепутье, требующем перестройки для удовлетворения растущих потребностей современной авиации. Сложный баланс между постепенными достижениями и сохраняющимися проблемами подчеркивает необходимость тщательной исследовательской программы и технологического прогресса для продвижения авиационной промышленности к задуманному будущему полностью электрических самолетов.

Несмотря на экологические достоинства, присущие вспомогательным силовым установкам (ВСУ), сочетание экономических соображений с необходимостью их повсеместного внедрения порождает сложную проблему. Перспектива снижения транспортных расходов на 20% кажется заманчивой, однако все тонкости, связанные с достижением такого снижения и вытекающими из этого экономическими последствиями для авиакомпаний, требуют тщательного и всестороннего анализа. Стержнем этой аналитической работы является триангуляция оценок затрат и выгод, статистики экономии топлива и экономических обоснований - трифект, являющийся в решении этой многогранной проблемы.

Весь спектр проблем, начиная от истощения запасов топлива в традиционных газотурбинных двигателях и заканчивая ограничениями, присущими траектории развития электродвигателей, требует целостного междисциплинарного подхода. Сочетание технологических инноваций, эмпирических исследований и разумных экономических соображений является тем горнилом, в котором вырабатываются жизнеспособные решения этих сложных проблем. Организация такого многогранного подхода становится той точкой опоры, на которую опирается решение сложных проблем в области авиационных силовых установок. В этом сложном ландшафте эмпирическое исследование гибридных силовых установок в авиации становится бесценным инструментом, позволяющим проницательно взглянуть на общую динамику развития. Это эмпирическое исследование, далекое от простого наблюдения, позволяет выявить и обобщить согласованные усилия основных участников отрасли. Взаимодействие технологической эволюции и экономических императивов становится ощутимым, раскрывая симбиотическую связь между инновациями и финансовым благоразумием, которая лежит в основе траектории движения отрасли к устойчивым и эффективным двигательным установкам. По мере того как мы ориентируемся в лабиринтах сложного ландшафта авиационных силовых установок, все более очевидной становится необходимость применения целостного междисциплинарного подхода. Сложная взаимозависимость технологических достижений, эмпирических данных, полученных в результате тщательных исследований, и разумного баланса экономических соображений формирует фундамент, на котором зиждется будущее двигательных установок. Именно в этой связке авиационная промышленность находится на острие прогресса, пытаясь преодолеть трудности, разгадать парадоксы и проложить курс к двигательным установкам, которые будут одновременно экологически безопасными и экономически выгодными.

В авангарде развития технологий газоэлектрической двигательной установки (ГЭУ) активно участвуют такие известные предприятия авиационной промышленности, как Pratt & Whitney, United Technologies Corporation (UTC), Rolls-Royce, Safran Group и General Electric. Ярким примером такого взаимодействия является совместная инициатива компании Pratt & Whitney и правительства Канады, направленная на экспериментальную проверку турбовинтового гибридного авиационного двигателя. Это совместное начинание олицетворяет коллективное стремление сократить вредные выбросы и добиться существенной экономии топлива, прогнозируя амбициозную цель - до 30% в контексте региональных турбовинтовых пассажирских и транспортных самолетов [5, с. 42].

Проект «804» корпорации United Technologies является яркой демонстрацией ее стремления к инновациям в области авиационных силовых установок. Наглядным воплощением этого стремления является легкий турбовинтовой самолет Dash 8, оснащенный надежным гибридным двигателем мощностью 2 МВт. Главная цель очевидна: совместное стремление снизить расходы на топливо и усилить парадигму экономической эффективности в авиации. Это предприятие демонстрирует активную позицию в отношении технологических инноваций как средства повышения экономической эффективности авиационных операций. Компания Rolls-Royce, занимающая ведущие позиции в авиационной промышленности, усиливает глобальную динамику развития гибридных силовых установок (ГСУ) благодаря своему стратегическому выходу на рынок. Проводимые испытания компонентов, составляющих гибридную силовую установку с внушительной мощностью 2,5 МВт, подчеркивают стремление отрасли к постоянному развитию технологий ГСУ [5, с. 43]. Этот активный шаг компании Rolls-Royce является символом более широкой тенденции в отрасли, свидетельствующей о динамичном движении по глобальной траектории развития ВСУ. Совместные усилия этих титанов авиационной промышленности свидетельствуют о коллективном стремлении продвинуть отрасль в эпоху, характеризующуюся повышенной эффективностью, экологической сознательностью и экономической целесообразностью. Все эти начинания, включающие в себя экспериментальные проверки, технологические инновации и экономические требования, представляют собой богатое искусство, в котором прослеживается сложное взаимодействие сил, определяющих будущее авиационных силовых установок. Эти коллективные усилия являются не только ответом на современные вызовы, но и активной позицией в формировании траектории развития авиационной промышленности в направлении создания устойчивых и экономически выгодных силовых установок.

Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК), один из ключевых игроков на мировом рынке авиационных двигателей, приступила к реализации комплексного проекта по созданию демонстрационного образца ГГУ мощностью 500 кВт (680 л.с.) на базе двигателя ВК-650В. Эмпирические данные свидетельствуют об ощутимом прогрессе, достигнутом благодаря презентации макета отечественной ВСУ на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2021.

Двигатель ВК-650В, выбранный в качестве газотурбинного привода для ВСУ, демонстрирует отечественную приверженность развитию технологий ВСУ. Испытания демонстратора планируется начать в середине 2022 года, а завершение второго этапа - в 2024 году [6]. Опытно-конструкторские работы, рассчитанные на 2024–2028 годы, направлены на определение самолета для установки ВСУ, подготовку серийного производства в 2025 году и собственно производство в 2029 году.

Стратегический подход ТЭК выходит за рамки авиации: в настоящее время ведутся исследования по созданию демонстрационного образца морской ГСУ мощностью 200–250 кВт. Эта эмпирическая работа подчеркивает универсальность технологий HSU, которые могут найти применение на скоростных малых судах, спасательных и патрульных катерах и других морских объектах.

Технологический прогресс, о котором свидетельствуют испытания компанией Rolls-Royce компонентов для ГСУ мощностью 2,5 МВт и ведущиеся General Electric совместно с XTI работы по созданию ГСУ TriFan мощностью 1 МВт, указывает на активное стремление к увеличению мощности региональных и транспортных самолетов [6, с. 22]. Эти разработки отражают стремление отрасли преодолеть трудности, связанные с производством электроэнергии для больших и более требовательных самолетов.

Теоретическая значимость гибридных силовых установок (ГСУ) для авиации обусловлена тем, что они способны преодолеть существующие ограничения и перевести отрасль в новую эру эффективности и устойчивости. Основываясь на принципах экологической устойчивости, аэродинамики и эффективности силовых установок, ГСУ представляют собой теоретическую базу, соответствующую изменяющимся требованиям авиационной отрасли.

Практическая значимость ГСУ в авиации проявляется в возможности воплощения теоретических достижений в ощутимые преимущества для отрасли. Как подтверждают эмпирические данные, крупнейшие игроки отрасли, включая Pratt & Whitney, UTC, Rolls-Royce, Safran Group и UEC, активно участвуют в практических инициативах по разработке и интеграции ГСУ.

В заключение следует отметить, что теоретическое и практическое значение ГСУ в авиации представляет собой симбиотическую связь между перспективными концепциями и реальными достижениями. Теоретическая база подталкивает отрасль к инновациям, а практические инициативы материализуют теоретические обещания, знаменуя собой трансформационный путь к более устойчивому и эффективному авиационному будущему.

Список литературы

1. Бондаренко, Д. А. Обоснование применимости гибридных силовых установок на летательных аппаратах различного типа и назначения / Д. А. Бондаренко, Ю. А. Равикович // Вестник Московского авиационного института. – 2023. – Т. 30, № 2. – С. 148-157. – DOI 10.34759/vst-2023-2-148-157. – EDN XSOBQR.
2. О переходе на "зеленую авиацию" / Б. С. Алешин, А. В. Дутов, С. И. Мошкунов, В. Ю. Хомич // Электричество. – 2023. – № 2. – С. 4-12. – DOI 10.24160/0013-5380-2023-2-4-12. – EDN SBQLLN.
3. Обзор применения схем гибридной силовой установки в авиации / И. М. Ахмедьянов, Р. Д. Каримов, М. А. Берлов, А. С. Горбунов // Современные тенденции развития науки и мирового сообщества в эпоху цифровизации : сборник материалов X Международной научнопрактической конференции, Москва, 15 декабря 2022 года. – Москва: Алеф, 2022. – С. 352-355. – EDN JKDQQP.
4. Перспективы развития авиационных электрических машин / В. Е. Вавилов, Ф. Р. Исмагилов, Е. А. Пронин, Э. И. Зайнагутдинова // Электричество. – 2023. – № 9. – С. 4-12. – DOI 10.24160/0013-5380-2023-9-4-12. – EDN VPPKII.
5. Разновидности гибридных архитектур силовых установок, используемые в авиации и в БПЛА / А. Р. Заляева, А. М. Аюпова, Т. Р. Хайрутдинов, В. И. Курир // Нанотехнологии: наука и производство. – 2023. – № 4. – С. 40-45. – EDN OCSQWF.
6. Соколов, О. А. Применение гибридных силовых установок в авиации / О. А. Соколов, С. С. Ситник // Научный Лидер. – 2023. – № 11(109). – С. 21-23. – EDN KIFTPV.