СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ И ГИБРИДНЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ
© В.Н.Титоренко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2014 г.
Выполнен анализ состояния и тенденций развития летательных аппаратов (ЛА) коммерческих, легких пилотируемых, аэростатических, беспилотных с электрическими (ЭСУ) и гибридными силовыми установками (ГСУ). Рассмотрены зарубежные программы по созданию ЛА с ЭСУ и ГСУ: программы США NASA FAP (Fundamental Aeronautics Program) и фирмы Boeing SUGAR (Subsonic Ultra Green Aircraft Research); Европейские исследовательские программы концерна EADS и НИЦ DRL; национальные программы КНР, Японии, Южной Кореи. Конечной целью этих программ является разработка концепции самолета поколения N+3 с целевыми показателями, определяющими сокращение уровня шума на 71 децибел, 75-процентное сокращение выбросов окислов азота NOx и 70-процентное снижение расхода топлива.
Целью программы SUGAR являются исследования концепции самолета SUGAR Volt, основанной на использовании энергии топливных батарей и углеводородного топлива, и интеграции компоновки и энергетической системы СУ (электродвигатель+газовая турбина). Фирма Boeing в рамках программы DARPA Vulture II разработала самолетыдемонстраторы технологий — ЛА Fuel Cell Demonstrator с ЭСУ и высотный БЛА Solar Eagle с ГСУ на солнечных батареях и регенеративных топливных батареях.
Европейские исследования по ЛА с ЭСУ и ГСУ проводятся концерном EADS и НИЦ DRL. Концепция самолета E-Thrust с ГСУ концерна EADS основана на использовании энергии топливных батарей и углеводородного топлива. Концепция регионального самолета с нулевой эмиссией Volt Air концерна EADS ориентирована на использование энергии топливных батарей. Концерн EADS разработал самолеты демонстраторы технологий: самолет Cri-Cri с ЭСУ; самолет E-Fan с ЭСУ с винто-вентиляторным движителем, а также проводит исследования по применению топливных батарей в составе вспомогательных СУ самолета и электропривода колес шасси.
Анализ состояния и тенденций развития низковысотных и высотных аэростатических летательных аппаратов (АЛА) показал, что ЭСУ и ГСУ являются перспективными силовыми установками для этого класса ЛА. Низковысотные АЛА с ЭСУ в настоящее время выпускаются серийно для видеосъёмок массовых мероприятий и рекламных полетов внутри и вне помещений. Высотные АЛА исследуются в диапазонах характеристик: массы полезной нагрузки 30÷2000 кгс, высоты полета 18÷30 км, продолжительности полета от 30 дней до 5 лет.
Анализ летно-технических характеристик ЛА с ЭСУ и ГСУ показал, что ключевой характеристикой силовой установки является удельная энергоёмкость бортового аккумулятора, которая является одним из основных параметров, определяющих облик ЛА. Повышение удельной энергоемкости источников энергии может быть достигнуто в результате развития технологий; появления источников на новых физико-химических принципах; развития технологий гибридных автомобилей, мобильных средств связи и вычислительной техники, т.е. сегментов экономики, инвестирующих средства в разработку источников энергии.
Оценка практических возможностей существующего парка ЛА с ЭСУ и ГСУ показывает, что эффективность мини- и микро-БЛА с ЭСУ позволяет обеспечивать разведывательные операции на уровне батальонного звена. Активно продвигаются на рынки лёгкие 2÷4-местные пилотируемые ЛА с ЭСУ и продолжительностью полета до 1.5 часов. Среди легких пилотируемых ЛА с ГСУ (солнечная батарея + аккумулятор) перспективными являются мотопланеры. Внедрение на коммерческих ЛА топливных батарей в составе вспомогательной СУ и электроприводов колес шасси позволит снизить наземные расходы топлива ЛА и тем самым уменьшить экологическую нагрузку на аэропорты.
Анализ перспектив расширения производства ЛА с ЭСУ и ГСУ показывает, что наибольший рост ЛА с ЭСУ наблюдается в секторе мини беспилотных ЛА. В РФ в настоящее время серийно произведено 1200 ед. БЛА с ЭСУ для силовых и гражданских ведомств. В США эксплуатируются свыше ~4000 ед. мини БЛА с ЭСУ при среднегодовом производстве ~3000 ед. Прогнозируется, что мировой рынок мини БЛА к 2020 г. достигнет более 0.5 млрд. долл. при ежегодном 20-процентном росте рынка в военном и гражданском сегментах. Результаты анализа состояния и тенденций развития летательных аппаратов с электрическими и гибридными силовыми установками показали, что:
– в ведущих авиационных странах приняты и реализуются научно-исследовательские программы по ЛА с электрическими и гибридными силовыми установками;
– коммерческие ЛА с электрическими и гибридными силовыми установками в перспективе позволят совершить качественный скачок в летно-технических и экологических характеристиках ЛА;
– мини БЛА с электросиловой установкой эффективны и серийно выпускаются, высотные БЛА с электрическими и гибридными силовыми установками в перспективе могут достичь продолжительности полета от 30 дней до нескольких лет.