Электрический полёт

Тихий и экологичный авиатранспорт - это главная цель работы научно-исследовательских и конструкторских подразделений Германского аэрокосмического центра (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR). Специалисты DLR считают, что такой транспорт родится благодаря новому технологическому прорыву. Об этом рассказывает в интервью Андреас Клёкнер - координатор исследований и разработок DLR по электроприводной авиации.

Андреас Клёкнер

— Г-н Клёкнер, в некоторых странах Европы электромобили уже стали привычным элементом городского пейзажа. Когда электроприводной транспорт произведёт переворот в воздухе?

— Шаги к электрификации авиатранспорта, которые мы сегодня видим, - это движение в правильном направлении. Оно имеет огромное значение, потому что перед авиацией стоят серьёзные вызовы, на которые можно ответить электротягой, по крайней мере, частично.

О чём речь? Воздушный транспорт и так уже создаёт заметную нагрузку на экологию, а спрос на авиаперевозки продолжает расти. Международная ассоциация воздушного транспорта предсказывает, что трафик будет удваиваться каждые 20 лет. И если мы хотим выполнить ориентиры Еврокомиссии по снижению выбросов углекислого газа на 75% к 2050 г., нам уже сейчас нужно задуматься о радикальных переменах в системе воздушного транспорта.

— Действительно ли авиация стоит на пороге больших перемен?

— Да. И они будут вызваны электрической тягой. Представьте, что не турбина, а электромотор вращает пропеллер. Отсюда много изменений в конструкции летательных аппаратов. Во-первых, нужно откуда-то брать электрическую энергию - из аккумуляторов, топливных элементов или электрогенератора, приводимого во вращение турбиной. С большой вероятностью потребуется гибридное решение, объединяющее несколько источников энергии, которые будут переключаться на разных этапах полёта. Во-вторых, отмечу решения, которые нужно будет принять насчёт системы распределения электроэнергии на борту самолёта. Здесь следует учитывать технические ограничения по передаче электрической мощности, а также думать о применении сверхпроводников. В-третьих, электрическую мощность нужно самым эффективным образом превратить в тягу. Благодаря электродвигателям возникают варианты организации распределённой тяги, приповерхностного всасывания воздуха (см. «Энерговектор», № 12/2017, с. 13. - Прим. ред.) и аэротакси с вертикальными взлётом и посадкой.

— Электрический полёт - это уже не замки на песке?

— В последние годы компании вплотную занялись этим вопросом. Например, Airbus и Siemens организовали совместные исследования под Мюнхеном, в Оттобрюне, где работает группа учёных-исследователей и инженеров в количестве 200 человек. Одна из шести авиационных федеральных исследовательских программ Германии целиком посвящена электрике, да и Евросоюз финансирует подобные проекты, выделяя по нескольку миллионов евро в год.

Подобные инвестиции жизненно важны: если концепция электрической авиации воплотится в реальность, она перевернёт все цепочки поставок в авиастроении. Два основных элемента самолёта, а именно - планер и двигатели, уже нельзя будет рассматривать отдельно. Как следствие, производители двигателей и авиастроительные заводы будут вынуждены плотнее взаимодействовать друг с другом. Корпус летательного аппарата будет строиться вокруг новой силовой установки.

— Чем руководствуются инвесторы?

— В целом, электрическая тяга обещает три преимущества. Во-первых, если использовать только электрическую энергию, можно полностью исключить эмиссию загрязняющих веществ, конечно же, в локальном смысле. То есть сам самолёт становится практически безвредным для окружающей среды. Во-вторых, по мнению специалистов, системы электрического привода обойдутся дешевле в производстве и техническом обслуживании благодаря меньшему количеству движущихся частей. Понятно, что для этого нужно преодолеть серьёзные технологические трудности, включая производство долговечных аккумуляторов. В-третьих, станут возможны транспортные услуги принципиально нового вида, возможно, с вертикальными взлётом и посадкой. Это значит, например, что пассажиров можно будет из центра города доставлять в аэропорт летающими шаттлами. Появилось множество стартап-компаний, обещающих подобные услуги.

— Как в результате будет меняться облик пассажирской авиации?

— Уже сегодня энтузиасты поднимают в воздух различные электроприводные летающие аппараты. Планеры с вспомогательным электроприводным воздушным винтом существуют уже много лет. Я думаю, что, появляясь на рынке, электрические самолёты будут постепенно покорять различные ниши. Возможно, через несколько лет в таких мегагородах, как Сан-Паулу и Мехико, мы действительно увидим первые электроприводные воздушные такси, обслуживающие состоятельных клиентов.

Поначалу можно будет говорить о службах доставки пассажиров в аэропорты и других способах расширения местных транспортных сетей. Бизнесменам, которым приходится много путешествовать, это очень кстати. Со временем авиационные электродвигатели начнут устанавливаться на региональные пассажирские лайнеры. Однако нам очень долго придется ждать того момента, когда электроприводной самолёт сможет перелететь через океан. И это, по всей видимости, будет лайнер с гибридной энергоустановкой.

— Норвегия планирует к 2040 г. все местные рейсы выполнять на электроприводных самолётах. Насколько это реалистично?

— Эта цель амбициозная, но вполне осуществимая. Уже сегодня мы испытываем машины, которые на электрической энергии перевозят двух-четырёх человек на расстояния в несколько сотен километров. Наш проект по применению топливных элементов рассчитан на дистанции до 1500 км. Этого достаточно для того, чтобы пролететь вдоль почти всю Норвегию, но большинство региональных маршрутов короче - в пределах 500 км.

Настоящий вызов для конструкторов - это масштабирование систем ради производства электроприводных лайнеров на 50-80 пассажиров, которые обычно служат на местных рейсах. В ближайшем будущем вряд ли мы сможем поднять такие лайнеры в воздух только на электрохимических аккумуляторах - они имеют примерно в 60 раз меньшую энергетическую плотность, чем авиакеросин. Однако с помощью гибридных энергоустановок мы рассчитываем соединить преимущества жидкого топлива и экологически чистой работы аккумуляторов. Конечно, в воздухе подвисает ряд вопросов, таких, как оптимальная конфигурация инфраструктурных элементов (электросети, накопители, станции зарядки...), не говоря уж о выработке водорода из возобновляемых источников. Всем этим мы занимаемся в DLR.

— Автотранспорт развивается благодаря потребности людей в поездках и вообще в мобильном образе жизни. Как обстоят дела в случае с авиацией?

— Огромное количество стартапов и исследовательских компаний пытаются воплотить мечту людей о полётах по индивидуальным маршрутам. Сегодня в крупных городах можно взять в аренду вертолёт, но эта услуга для многих людей непозволительно дорога, причём в обозримом будущем ситуация вряд ли изменится. Правила регулирования воздушного движения, будучи применены к аэротакси, фактически запрещают их широкое использование. Тем не менее идут интенсивные исследования в сфере беспилотных авиаперевозок. И мы в DLR работаем над масштабируемой системой управления беспилотным воздушным движением. Будущее, без сомнений, - за подобными решениями, распространёнными на личный воздушный транспорт.

— Какие препятствия на пути электрической авиации Вы считаете самыми серьёзными?

— Первое - это разработка двигательной установки. Здесь DLR исследует несколько разных технологий. Мы начинаем с концепций и компьютерного моделирования, затем строим лабораторные макеты и далее пытаемся найти способы внедрить предлагаемые решения в летательные аппараты новых конфигураций. Второе препятствие - влияние инноваций на авиационный сектор. Мы анализируем, как наши решения отразятся на опыте пассажиров и авиакомпаний, практике регуляторов, интересах других пользователей воздушного пространства, аэропортов и даже местных жителей. При этом нам приходится учитывать процессы будущего масштабирования внедряемых технологий по размерам самолётов, числу пассажиров, частоте полётов и т. д.

Работая над подобными вопросами, важно понимать, что мало создать базовую технологию. Необходимо смотреть в будущее и пытаться охватить всю картину целиком. Мы уже достигли серьёзных успехов, построив ряд демонстрационных летательных аппаратов. Например, наш четырёхместный двухфюзеляжный самолёт HY4 (см. фото выше) используется для проверки возможностей применения топливных элементов. Теперь пора переходить к машинам большего размера.

— Как Германия и Европа в целом настроены по отношению к электроприводной авиации?

— В Европейском союзе, и тем более в Германии, электроприводной авиации дан «зелёный» свет. И мы находимся в уникальной позиции. Германский авиакосмический центр - это единственное профильное научно-исследовательское учреждение, способное охватить все аспекты развития электроприводной авиации с требуемым уровнем детализации и довести исследования до построения демонстрационных моделей. Подобных организаций по всему миру существует не более десятка. И мы сотрудничаем с университетами и инновационными промышленными компаниями.

Границы между авиастроением и другими секторами промышленности размываются. Потому что кроме традиционных крупных игроков из авиастроения нужно привлекать электротехнические и энергоинжиниринговые компании, которые ранее не были тесно связаны с авиацией. Кроме того, на рынке существует огромное количество малых научно-производственных предприятий и стартапов. Они «вдыхают энергию» в производственную систему.

Сегодня сообщество разработчиков нуждается в летающей лаборатории, которая была бы доступна всем заинтересованным сторонам и помогала проверять технологии будущей электрической авиации. Здесь DLR мог бы сыграть роль объединяющего начала, и мы готовы к этой роли.

— Вы прорабатываете вопросы будущей сертификации самолётов? Здесь может возникнуть море проблем.

— Да, действительно. Некоторые препятствия очевидны. Например, что делать с большими ионно-литиевыми аккумуляторными батареями, способными к воспламенению? Другие проблемные вопросы коренятся в сложившейся регуляторной системе. Например, сегодня технические требования к самолётам не допускают никаких других двигателей, кроме поршневых и газотурбинных.

Мы действуем, исходя из предположения, что электрические двигатели рано или поздно будут применяться в авиации. И на нас работает тот факт, что у регуляторов есть проблемы и посложнее. Это, например, сертификация беспилотных летающих аппаратов.

Регуляторы начинают всё плотнее взаимодействовать с исследовательскими организациями, промышленными компаниями и институтами по стандартизации. Европейское агентство по авиационной безопасности (EASA) уже выстраивает более гибкие требования, гармонизируя их с требованиями аналогичных организаций в других частях света. Германский авиакосмический центр помогает агентству своими консультациями - мы недавно подписали соответствующее соглашение.

— В завершение, пожалуйста, опишите состояние электроприводной авиации одним предложением.

— Электросамолёты уже взлетают, но для выхода на коммерческий рынок им потребуется какое-то время.

Региональный гибрид MH

В концепцию регионального авиалайнера с распределённой тягой заложена идея увеличения подъёмной силы (и, как следствие, эффективности двигательной установки) за счёт активного обдува крыла по всей его длине. Увеличенная подъёмная сила поможет конструкторам уменьшить площадь крыла, лобовое сопротивление и массу самолёта.

Кроме того, благодаря большому числу пропеллеров можно видоизменить систему управления летательным аппаратом. Это решение позволит уменьшить размеры хвостового оперения, дополнительно снизив вес и лобовое сопротивление лайнера. Концепция рассматривается в рамках программы Евросоюза Clean Sky 2.

Местный гибрид Canard 01

Концепция самолёта с гибридной тяговой установкой для коротких и средних рейсов. С целью повышения эффективности электроприводной винт, находящийся в хвостовой части, собирает воздух у поверхности фюзеляжа, где поток движется относительно медленно.

Исследовательский проект реализуется в рамках программы Евросоюза Clean Sky 2. Кроме DLR в нём участвуют французские и голландские научные организации, а также индустриальные партнёры: Airbus и Rolls-Royce.

Оригинальный NACOR

Концепция самолёта с крылом обратной стреловидности позволяет реализовать преимущества такой конфигурации без необходимости изготавливать сверхпрочные несущие элементы. Крыло поддерживает подпорка.

Исследовательский проект реализуется в рамках программы Евросоюза Clean Sky 2. Кроме DLR в нём участвуют французская компания Dassault Aviation и европейский концерн Airbus.

Источник: Департамент стратегии развития авиационных программ DLR (Германия).