УДК 629.7.064.5

Перспективы частичной и полной электрификации воздушных судов современными электрическими комплексами

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

Санников Владислав Валерьевич – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Оганнисян Эдмонд Симонович – студент Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени А. А. Новикова.

Аннотация: В статье представлены электрические системы современных и будущих самолетов, рассматриваются их технологические концепции, преимущества/недостатки и перспективы использования на борту самолета, подробно описывается, как электрические системы, включающие в себя электрические двигатели, батареи и генераторы, способствуют улучшению энергоэффективности, экологической устойчивости.

Ключевые слова: ПЭВС, ЧЭВС, ГЭС, электрификация, электроэнергия, воздушное судно, система, устройство.

Введение

Сегодня наблюдается стремительный рост в использовании электричества в авиационной отрасли: с применением иных систем питания – электрических – вместо традиционных гидравлических и пневматических. Это направление развития известно в качестве концепции "ЧЭВС/ПЭВС" (частичной/полной электрификации воздушных судов). Электрические системы обладают преимуществом в виде уменьшенных затрат и времени на техническое обслуживание, а также более высокого КПД, что положительно сказывается на расходе топлива. В настоящее время продолжаются исследования в области электроэнергетики, гибридно-электрических силовых установок, преобразования и распределения энергии в конструкциях современных воздушных суден. Новые методы питания позволяют изменить строение самолета при помощи внедрения электрических "тяговых" двигателей.

Концепция полной электрификации воздушных судов на текущий момент нереалистична из-за ограничений в источниках электроэнергии. В связи с этим предлагается использование комбинированной/гибридной двигательной установки с несколькими различными источниками энергии. Это называется гибридным электрическим самолетом (ГЭС). Различные производители самолетов и их поставщики проводят испытания и исследования в области гибридных электрических систем.

ЧЭВС требуется генерировать большое количество электроэнергии для различных нагрузок. Для уменьшения веса системы распределения энергии, необходимо изучить новую систему управления электроэнергией. Исследования определяют параметры системы распределения электроэнергии на основе фактической потребности в мощности и приоритетов отдельных нагрузок. Предлагается использование децентрализованной системы распределения с использованием полупроводниковых контроллеров мощности вместо традиционных автоматических выключателей.

Эволюция в электрификации воздушных судов

Для обеспечения необходимым питанием всех систем самолета используются гидравлические источники энергии. После запуска двигателя они становятся источником энергии для каждой из этих систем. Мощность от вала двигателя передается на коробку передач, от которой приводятся в действие гидравлические насосы (источник гидравлической энергии) и генераторы (источник электрической энергии). Из компрессорной части двигателя (источник пневматический привод), отбирается сжатый воздух (отбираемый воздух). В традиционной концепции питания (ТКП) самолета пневматическая энергия подается на наддув кабины, противообледенительную и антиобледенительную обработку, а также на запуск двигателя. Гидравлическая энергия используется для управления полетом, выпуска/уборки шасси, управления носовым колесом, торможения и реверса тяги. Электроэнергия в основном подается на освещение, авионику и камбуз. Механическая мощность подается на топливный и масляный насосы. В ТКП соотношение этих четырех полномочий представлено на рис. 1 (А). Типичная выходная мощность одного трехкаскадного синхронного генератора возбуждения, составила 90 кВА при уровне напряжения 115/200 В–400 Гц. Такой выходной мощности было достаточно для питания всех электрических нагрузок на борту самолета.

Постепенная электрификация самолетов, получившая название ЧЭВС, привела к преобразованию механических, пневматических и гидравлических систем в электрические системы (рис. 1 (Б)) . Эти изменения имели значительные преимущества в снижении веса и расхода топлива, упрощении мониторинга компонентов, повышении надежности системы, а также более простом и менее трудоемком обслуживании. У единой электрической системы больше преимуществ. Для передачи мощности нет необходимости использовать легковоспламеняющиеся гидравлические жидкости или прокачивать воздуховоды, склонные к утечке горячего воздуха.

Электродвигатели являются одной из самых энергоемких электрических нагрузок на ЧЭВС. Для обеспечения достаточной мощности двигателей необходимо использовать генераторы высокой мощности. Типичная мощность стартер-генераторов, используемых на Boeing 787, типичном представителе ЧЭВС, составляет 250 кВА для главного С/Г (стартера/генератора) и 225 кВА для вспомогательного генератора. Уровень напряжения составляет трехфазное напряжение 230/400 В переменного тока с переменной частотой (система с дикой частотой) и ±270 В постоянного тока. Удобными для ЧЭВС являются индукционные, реактивные машины и машины с постоянными магнитами. В концепции ЧЭВС предлагается бескровотная архитектура двигателя; пневмоэнергия подается только на противообледенительную систему капотов двигателей. Бескровная система может снизить расход топлива на 1-2%.

Рисунок 1. Распределение энергии (А) ТКП и (Б) ЧЭВС

Еще одним фактором, типичным для концепции ЧЭВС, является использование децентрализованной/распределенной энергосистемы (рис. 2). Защита нагрузки не осуществляется штатными механическими выключателями, которые необходимо размещать в кабине. В результате используется меньше проводов. Вместо механического выключателя используются полупроводниковые контроллеры мощности. Эти «электрические» выключатели можно размещать в удаленных местах самолета благодаря возможности цифрового управления из кабины. Еще их преимуществом является использование транзисторов MOSFET или IGBT, которые обеспечивают мягкое переключение нагрузок постоянного или переменного тока. Реле и контакторы в системе распределенного электроснабжения не используются. Такая система гораздо более отказоустойчива; отсутствует искрение и дребезг контактов.

Рисунок 2. Распределение энергии (А) ТКП и (Б) ЧЭВС

Одной из систем, типичных для ЧЭВС, является электрический запуск двигателя. В ТКП процесс запуска утомителен. Сначала вспомогательную силовую установку (ВСУ) необходимо запустить электростартером.

Затем отбираемый воздух подается от ВСУ к пневмодвигателю, который находится в гондоле двигателя и приводит в движение главный двигатель. Такое решение также громоздко из-за наличия коробки передач и пневмоканалов и страдает от повышенного износа двигателя. В ЧЭВС процесс запуска выглядит следующим образом: ВСУ запускается стартер-генератором. Когда ВСУ имеет достаточную скорость, его С/Г вырабатывает электроэнергию. Эта мощность используется для привода C/Г главного двигателя. Преимущество состоит в том, что оба главных двигателя могут быть запущены одновременно, в отличие от традиционной системы запуска.

Температура – одна из самых больших проблем электрических машин, используемых в самолетах. Высокая рабочая температура вызвана высокой скоростью вращения и трением, а также потерями мощности в электрической системе. Скорость С/Г, предложенная в [3], находится в диапазоне от 20 000 до 32 000 об/мин. Влияние температуры на электрические машины исследовано в [4].

Электрические системы рулевого управления и руления

Еще одним компонентом современных самолетов, имеющим гидравлический привод, является система рулевого управления носовым колесом. Рулевой механизм используется для обеспечения возможности поворота самолета вправо или влево во время руления. В ЧЭВС рулевой механизм будет иметь электрический привод.

Линейные приводы, в которых используются машины с трехфазным осевым потоком на постоянных магнитах, являются потенциальными кандидатами для управления рулевым механизмом, поскольку они обеспечивают высокий крутящий момент при низкой скорости и очень компактны. Электрическую систему рулевого управления предпочтительно использовать при электрическом рулении, чтобы во время руления можно было использовать только электроэнергию.

Еще одна система, которая будет внедрена на Ближнем Востоке и в Африке, – это электрическая система руления (ЭСР). ЭСР позволяет самолету перемещаться с платформы аэропорта на взлетно-посадочную полосу полностью с помощью электроэнергии, без использования главных двигателей. Это будет достигнуто с помощью электрических машин, работающих на топливных элементах, встроенных в шасси.

Электрическое руление обеспечит экономию топлива и снижение шума и загрязнения воздуха, обычно вызываемых двигателями. По оценкам, в 2002 году в аэропорту Хитроу 56% выбросов NOx приходилось на такси. По оценкам, в мировом семействе ближнемагистральных самолетов сгорает около пяти миллионов тонн топлива в год при рулении. ЭСР позволит сэкономить до 2/3 того, что авиакомпании в настоящее время тратят на топливо для операций такси. Будет также экономия времени, поскольку нет необходимости использовать тракторы для буксировки.

На стадии проверки находятся два метода ЭСР – бортовое и внешнее руление. Внешняя ЭСР использует внешний источник электроэнергии – электрические буксиры. Текущие исследования и испытания сосредоточены на бортовой ЭСР, которая может быть установлена на носовом колесе или основных стойках шасси. Преимущество бортовой ЭСР в том, что самолет может быть полностью автономен на каждом аэродроме. Однако, если есть необходимость разворота на короткий радиус, возможности ЭСР на носовом колесе ограничены.

Для ЭСР рассматриваются несколько типов приводных устройств, а именно бесщеточные двигатели постоянного тока IM, PMSM и PM.

1. ЧЭВС – это самолет с электрической силовой установкой, в котором все недвижительные силы полностью электрические. Обычные электродвигатели не обеспечивают достаточную удельную мощность для использования в электрических двигателях больших самолетов. Использование сверхпроводящих материалов в электроприводах оказалось невозможным из-за необходимости очень низких температур, достигающих всего нескольких Кельвинов.

С открытием в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников работы в области электродвижения ускорились. Было выполнено множество проектов и испытаний двигателей [5]. Их преимуществами являются малый вес, компактные размеры, очень высокая удельная мощность и незначительные потери постоянного тока; однако потери переменного тока в обмотке должны быть минимизированы. Для этой цели используются обмотки ротора и статора вместо обычных медных обмоток.

Предложены два метода охлаждения: криокулер и криогенная жидкость. Криокуллеры предназначены в основном для наземных операций. Их эффективность ниже 10%. Криогенные жидкости могут использоваться в системах с разомкнутым или замкнутым контуром. Замкнутые системы более тяжелые, поэтому их применение достаточно удобно для больших самолетов. Напротив, разомкнутая система легче и требует только криогенной жидкости, поэтому ее можно применять и на небольших самолетах. В [6] в качестве охлаждающей жидкости для генератора с эффективной мощностью 10 МВт, плотностью мощности 20 кВт/кг, сетевым напряжением 3 кВ и плотностью тока в катушках 300 А/мм2 предложен водород при температуре 20К.

2. Топливные элементы (ТЭ) для самолетов ЧЭВС и ПЭВС. ЧЭВС полностью полагаются на электроэнергию. Современные технологии, как правило, не позволяют самолетам использовать для движения только электродвигатели из-за ограничений источников энергии. Типичная плотность энергии современных литий-ионных батарей составляет 100–265 Втч/кг в зависимости от того, оптимизирована ли батарея для пиковой мощности или длительного срока службы. Таких плотностей энергии достаточно только для небольших самолетов с ограниченной дальностью полета.

Согласно многим исследованиям, плотность энергии батареи для дальнемагистральных ПЭВС должна быть не менее 500 Втч/кг [7]. Такой плотности энергии могут достичь литий-серные батареи с теоретическим пределом 2700 Втч/кг.

Другим подходом к бортовым источникам электроэнергии является использование ТЭ, основанных на химических реакциях водорода и кислорода. Существует несколько испытаний, которые подтвердили их пригодность для авиации [8]; это твердооксидные и протонообменные мембранные элементы. В первую очередь их использование подразумевается как замена реактивного двигателя ВСУ. Такое решение можно совместить с рулежкой на электротяге. Другая цель – обеспечить энергию для движения, чтобы повысить общую эффективность двигательной системы. Такая комбинация реактивного двигателя и электродвигателя называется гибридно-электрическим самолетом.

Заключение

Современные самолеты очень сложны. Они используют гидравлические, пневматические, механические и электрические системы для работы в экстремальных условиях эксплуатации. Однако использование на борту самолетов четырех различных сил приводит к их большему общему весу и сложности. Это отрицательно влияет на расход топлива и затраты/время на техническое обслуживание. Поэтому в долгосрочной перспективе предпринимаются усилия по использованию только одной, наиболее эффективной системы питания – электрической системы. Использование электроэнергии является более эффективным способом питания нагрузки, чем отвод отбираемого воздуха из двигателя (пневматическая энергия). Предполагается, что бескровная архитектура будет извлекать из двигателя на 35% меньше мощности [9].

В результате было проведено множество исследований по ЧЭВС и ПЭВС. Ключевым компонентом электрификации самолетов является использование электрических машин высокой удельной мощности (генераторов, двигателей и преобразователей) и нового типа «интеллектуальной» системы распределения электроэнергии с электронными автоматическими выключателями с цифровым управлением.
Что касается окружающей среды, предпринимаются большие усилия по сокращению выбросов самолетов. Этого можно достичь за счет замены традиционных двигателей, сжигающих топливо на основе углеводородов, на электродвигатели – ПЭВС. Однако эта концепция по-прежнему неосуществима для самолетов среднего и большого размера из-за ограниченной мощности источников электроэнергии, но жизненно важна для небольших самолетов частной и гражданской авиации. К тому времени, когда источники энергии для ПЭВС будут усовершенствованы, концепция ГЭС станет многообещающей идеей. К 2035 году ожидается экономия топлива на уровне 20–30% в рамках ГЭС ближнего и среднего радиуса действия.

Список литературы

1. А. Надь, «Электрические самолеты-настоящее и будущее», Архив производственного машиностроения, вып. 23, нет. 23, стр. 36–40, 2019.
2. М. Шрётер, Р. Бреда, Р. Андога и Л. Фёзо, «Эволюция авиационных электроэнергетических систем», на Международной конференции и семинаре IEEE 2018 г. в Обуде по электротехнике и энергетике ( CANDO-EPE), стр. 159–162, Будапешт, Венгрия, 2018.Л. Сетлак, «Обзор авиационных технологических решений, совместимых с концепцией MEA», в Czasopismo Techniczne, стр. 67–76, Elektrotechnika, 2015.
3. С.Божко, Т.Янг, Ж.-М.ЛеПевведицеталь., «Разработка авиационной электростартер-генераторной системы на основе технологии активного выпрямления», IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 4, нет. 4, стр. 985–996, 2018.
4. Д. Арумугам, П. Логамани и С. Каруппиа, «Электромагнитный и термический анализ синхронного генератора с различными конструкциями ротора для применения в самолетах», Alexandria Engineering Journal, vol. 57, нет. 3, стр. 1447–1457, 2018.
5. Дежин Д., Иванов Н., Ковалев К., Кобзева И. и Семенихин В. Системный подход к использованию ВТСП-электрических машин в будущих электрических самолетах // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 28, нет. 4, стр. 1–5, 2018.
6. М. Филипенко, Л. Кюн, Т. Гляйкснеретал., «Концепция разработки мощного сверхпроводящего генератора для будущего гибридно-электрического самолета», Superconductor Science and Technology, vol. 33, нет. 5, статья 054002, 2020 г.
7. М. Тарик, А. И. Масвуд, К. Дж. Гаджанаяке и А. К. Гупта, «Авиационные аккумуляторы: текущая тенденция к увеличению количества электрических самолетов», IET Electrical Systems in Transportation, vol. 7, нет. 2, стр. 93–103, 2016.
8. Ж. Калло, Г. Ренуар-Валле, М. Сабаллюс, Г. Шмитальс, Дж. Ширмер и К. А. Фридрих, «Разработка и испытания систем топливных элементов для авиационных применений», на 18-й Всемирной конференции по водородной энергетике, 2010 г. - WHEC 16. .-21, Эссен, 2010 г.
9. Ю. Лю, Дж. Денг, К. Лю и С. Ли, «Анализ энергетической оптимизации более электрического самолета», в статье ID 012152IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 113, Харбин, Китай, 2018 г.