Коли пілот-випробувач Airbus Дідьє Естейн у липні здійснив переліт через Ла-Манш на двомісному літачку E-Fan з електродвигуном, європейський аерокосмічний велет, котрий його сконструював, особливо наголошував, що політ не варто розглядати просто як рекламний трюк. Насправді в Airbus так серйозно ставляться до теми електродвигунів, що готові поставити модель E-Fan на потік як тренувальний літак. Він надійде в продаж до кінця 2017 року, а за ним з’явиться чотиримісна версія.
Про створення набагато більших пасажирських літаків з електричними та гібридними двигунами думають не тільки в Airbus. Як і в автомобілях, електромотор пропонує цілу низку переваг порівняно з поршневим чи реактивним. Сучасні електричні двигуни із цифровим керуванням мають великий крутний момент — обертальну силу, яка однаково успішно приводить у рух пропелери, лопаті й колеса. Крім того, електрична енергія безшумна, чиста й дуже надійна, і в електродвигунах зношується чи ламається менше деталей. Щоправда, батареї не забезпечують звичайної бажаної дальності польоту: E-Fan пролітає на літієво-іонних близько години із 30-хвилинним запасом. Цього може вистачити для практичного заняття, але не для пасажирського авіалайнера. Однак батареї постійно вдосконалюються, а що літаки мають довгий термін експлуатації (Boeing 747 уперше здійнявся в повітря 1969 року), то інженери працюють над проектами, націленими далеко в майбутнє.
Особливо їх приваблює в електричних двигунах те, що останні дають змогу створити літаки радикально відмінного типу, як-от концепт Airbus E-Thrust. Задум полягає в тому, що замість підвішування великих і важких реактивних двигунів під крилом, в інших частинах літака можна встановити більше малогабаритних і легших лопатей або пропелерів з електричним приводом. Зробити таке з використанням значної кількості невеликих звичайних двигунів було б складно, і це призвело б до збільшення ваги. Але електричні двигуни дають реальну можливість втілити цей концепт, названий «розподілена електрична тяга» (distributed electric propulsion, DEP), у життя. Перевага розподілення потужності полягає в тому, що за рахунок неї можна збільшити потік повітря над крилами й таким чином забезпечити більшу економічність під час польоту. «DEP уможливлює фундаментальні зрушення у проектуванні літаків», — каже Марк Мор, головний розробник електричних аеропланів у дослідному центрі НАСА в Ленглі, штат Вірджинія.
На злітній смузі
НАСА проводить випробування DEP-крила, встановленого на вантажному автомобілі, який рухається з великою швидкістю дном висохлого озера на базі ВПС «Едвардс» у Каліфорнії. На передньому краї крила змонтовано 18 невеликих електричних пропелерів. Наступний крок — проект під назвою Sceptor («Скіпетр»): крило звичайного легкого чотиримісного літака (у цьому випадку двомоторного італійського Tecnam P2006T) замінять DEP-крилом, на якому буде встановлено кільканадцять пропелерів з електричним приводом. Sceptor почне польотні випробування у 2017 році.
Ряд маленьких пропелерів на моделі Sceptor збільшить підйомну силу літака за нижчих швидкостей, що дасть йому змогу здійматися в повітря і приземлятися на коротших злітно-посадкових смугах. А ще завдяки цьому можна буде зробити крило вужчим (навіть до третини ширини крила звичайного літака) і цим зменшити вагу та заощадити витрати на пальне. Зазвичай крило легкого аероплана має відносно велику площу, щоб запобігти звалюванню (це трапляється на малих швидкостях польоту, коли воно не забезпечує достатньої підйомної сили). Але великі крила не дуже економічні за крейсерських швидкостей, бо спричиняють значний аеродинамічний опір. Крила моделі Sceptor будуть оптимально спроектовані саме для цього випадку, але водночас забезпечуватимуть достатню підйомну силу, щоб не допустити звалювання під час зльоту чи приземлення.
Крило буде здатне й на інші «витівки». Швидкістю кожного електричного пропелера можна керувати окремо, що дає змогу змінювати конфігурацію потоку повітря по крилу, пристосовуючись до швидкої зміни умов польоту, наприклад поривів вітру. Під час польоту на крейсерській швидкості найближчі до фюзеляжу пропелери можна буде згортати, залишаючи роботу для пропелерів на кінці крила. Якщо польотні випробування «Скіпетра» пройдуть успішно, цю технологію можна буде застосувати в найближчі 10 років для малих літаків на близьких маршрутах, навіть за сучасних батарей. Такі літаки, як каже Мор, не забруднюватимуть повітря під час польоту, будуть безшумними й дадуть змогу зменшити експлуатаційні витрати приблизно на 30%.
Концепт E-Thrust від Airbus наразі ще трохи далі від злітної смуги. Введення в експлуатацію цього літака, розробленого спільно з британським виробником реактивних двигунів Rolls-Royce та іншими дослідницькими групами, планується близько 2050 року. До того часу в авіаційній галузі ЄС очікується зменшення споживання пального, викидів та шумового забруднення від пасажирських літаків щонайменше на 20–30% порівняно з нинішніми найновішими розробками.
Мета E-Thrust — відповідати таким стандартам і перевозити близько 90 пасажирів рейсами тривалістю від двох годин, маючи при цьому великий запас заряду батарей. Проте для цього потрібен прорив у технології накопичування електроенергії, який цілком може статись у наступні кілька десятиліть. Ця модель також працює за принципом розподіленої тяги, але з модифікацією, тому що двигун гібридний.
Читайте також: Досі «зроблено в Китаї»
Традиційний реактивний двигун розміщено у хвості літака E-Thrust. Він також має три лопаті з електричним приводом на кожному крилі. Під час зльоту цей мотор і всі шість електричних лопатей працюватимуть і забезпечуватимуть максимальну підйомну силу. Коли літак вийде на крейсерську висоту польоту, реактивний двигун можна буде перевести в режим меншої потужності, але її вистачатиме, щоб одночасно приводити в дію лопаті й підзаряджати батареї. Під час зниження і реактивний двигун, і лопаті будуть вимикатися. Під час планерування зустрічний струмінь повітря обертатиме лопаті, що працюватимуть як лопаті вітряного генератора, таким чином дозаряджаючи батарею. Під час приземлення будуть задіяні лопаті, а двигун працюватиме в холостому режимі, але в готовності забезпечити додаткову потужність у разі, якщо знову доведеться розвертатися.
Перевагою такої гібридної системи є те, що вона різко підвищує ступінь двоконтурності реактивного двигуна літака. Це співвідношення кількості повітря, яке обтікає гарячу внутрішню частину реактивного двигуна, і повітря, яке проходить крізь неї, постачаючи кисень у камеру внутрішнього згорання. У перших пасажирських реактивних літаків двигуни мали низький ступінь двоконтурності. Значну частину тяги забезпечувало швидке проходження повітря, яке викидалося із сопла двигуна. Через це вони були дуже шумні й споживали більше пального. На виході із сопла струмінь повітря обертає турбіну, яка через вал крутить лопаті пропелера в передній частині мотора, щоб засмоктувати ще більше повітря. Збільшення розміру лопатей дало змогу проганяти більший обсяг повітря з меншою швидкістю руху (зовнішній контур) навколо серцевини двигуна. При цьому зростає ККД і помітно знижується рівень шуму. Це також пояснює, чому наступні моделі реактивних двигунів набули округліших форм.
Ступінь двоконтурності сучасних реактивних двигунів — у межах 12:1. Для порівняння: у 1970-х роках він був 5:1, а то й нижчий. Але нарощувати розмір лопатей стає дедалі важче, бо вони займають дедалі більше місця під крилом. А для об’ємніших двигунів потрібні міцніші крила, тобто зростає вага літака. Гібрид, установлений на E-Thrust, акуратно уникає цих проблем, тому що лише реактивний двигун у хвостовій частині має серцевину з камерою внутрішнього згорання. Це означає, що все повітря, яке проходить через шість пропелерів з електричним приводом, допомагає досягнути «економічного» коефіцієнта двоконтурності 20:1 або й більше. Це зробить літак надзвичайно економічним і безшумним.
Як по маслу
Ще помітніше збільшити ефективність можна за рахунок поглинання розподіленими двигунами так званого граничного шару повітря, яке обтікає верхню частину крила. Він дуже тонкий і перебуває близько до поверхні. Він сповільнюється за рахунок сили тертя, коли молекули повітря торкаються поверхні крила. Граничний шар, проходячи над опуклою верхньою частиною профілю крила (яка забезпечує підйомну силу), може створювати турбулентність — завдяки цьому виникає «хвіст» за реактивним літаком. Установлені над крилом E-Thrust для перехоплення граничного шару, електричні пропелери можуть прискорювати його і цим зменшувати аеродинамічний опір від супутного струменя.
Читайте також: Третя промислова революція: цифрові технології змінять виробництво до невпізнанності
Щоб підняти E-Thrust у повітря, потрібен технічний прогрес у двох царинах. Окрім досконаліших батарей це суперпровідність, тобто зникнення електричного опору в деяких матеріалах у разі охолодження до критичної температури. Зменшення опору дає змогу конструювати електричні системи та системи двигунів легкі, але достатньо потужні, щоб приводити в рух літак. Це вже робиться в малих масштабах в обладнанні на кшталт медичних сканерів. Але для літака потрібне буде інтенсивне охолодження, якого поки що не забезпечують наявні комерційні можливості. Над цією проблемою разом із Airbus працює група дослідників із Кембриджського університету.
Тільки-но вдасться подолати ці бар’єри, як кількість електричних літаків почне невпинно збільшуватися. Спочатку вони будуть невеликими, але з удосконаленням технологій «ростимуть» і перевозитимуть щораз більше пасажирів. Декотрі із цих технологій, як сподіваються в Airbus, допоможуть заодно зробити економічнішими й тихішими також звичайні реактивні літаки.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com