Распределяй и властвуй: распределенная силовая установка для автолета

Литий-ионные аккумуляторы, о которых шла речь в предыдущей статье, – одна из трех ключевых технологий для летающего автомобиля. Непосредственно с ними связана вторая критическая технология – электрические распределенные силовые установки. (Продолжение. Предыдущая статья: «Третья авиационная революция: электричество витает в воздухе»).

В принципе, эта идея в авиации родилась из попыток увеличить степень двухконтурности турбореактивных двигателей (ТРД), то есть увеличить долю тяги, которая создается не горячей струей турбины, а холодным потоком вентилятора – так стали называть первую ступень компрессора двухконтурных ТРД. Чем выше степень двухконтурности – тем экономичнее ТРД. Поэтому первую ступень стали делать все большего размера, из-за чего ТРД с большой степенью двухконтурности без обтекателя в самом деле все больше стали напоминать вентилятор с моторчиком (см. на фото ниже).

Но у процесса повышения двухконтурности есть предел: как только концы лопаток начинают вращаться быстрее скорости звука, эффективность их работы резко падает. Лопаткам вентиляторов стали придавать все более изощренную форму, а для снижения скорости их вращения относительно скорости вращения вала турбины начали применять редукторы, как в вертолетах или турбовинтовых самолетах.

Родилась и другая идея. Почему бы к одной турбине не присоединить через систему валов два или три вентилятора (см. рис. выше). Затем подумали еще немного и пришли к выводу, что таких вентиляторов можно сделать сколь угодно много и размещать их, где будет удобнее с точки зрения аэродинамики, если вместо механического привода использовать электрический: турбина приводит генератор, ток накапливается в буферной батарее и питает электромоторы, которые вращают вентиляторы.

Наконец, если для питания электромоторов использовать только аккумуляторы, то получаем электрическую распределенную силовую установку (ЭРСУ), частным случаем которой является всем известный мультикоптер.

Распределенную силовую установку не надо путать с многодвигательной. Это разные вещи. В общем случае в распределенной силовой установке на один двигатель приходится несколько движителей – пропеллеров или вентиляторов. Но для ЭРСУ типа мультикоптер эта разница отсутствует. По сути, она является как раз многодвигательной, но по своей идеологии ее можно считать распределенной: место главного двигателя, питающего множество электромоторов, в схеме занимает аккумуляторная батарея.

В настоящее время с этой концепцией связывают будущее гражданской авиации (оно наступит, когда появятся достаточно мощные и легкие генераторы и электромоторы). Одно из достоинств распределенной силовой установки состоит в том, что она позволяет создавать более эффективные аэродинамические схемы летательных аппаратов. К примеру, на экспериментальном самолете NASA X-57 Maxwell (вверху слева) множество винтов создают дополнительную подъемную силу за счет обдува крыла, тем самым повышая аэродинамическое качество ЛА. А справа проект авиалайнера будущего Airbus с распределенной силовой установкой на весьма вместительном фюзеляже. Но использование множества маленьких винтов вместо одного большого для вертикального взлета дает и другие важные преимущества.

На графике выше, составленном специалистами небезызвестной компании Uber, которая очень интересуется проблематикой летающих автомобилей, сравнивается эффективность различных современных и исторических ЛА вертикального взлета. По горизонтали показана нагрузка на винт, то есть отношение массы ЛА к ометаемой винтами площади. А по вертикали – удельная мощность, т.е. количество лошадиных сил на единицу массы аппарата. Пунктирная вертикальная ось – скорость отбрасываемого винтом потока. Зеленая кривая изображает соотношение параметров, достаточных для висения ЛА в воздухе. Видно, что чем больше нагружен винт, то есть чем меньше его диаметр при той же тяге, тем больше мощности он требует для поднятия одного кг. И наоборот: чем больше диаметр винта при той же тяге, тем больше килограммов способен поднять в воздух один ватт мощности двигателя.

Поэтому вертолеты за счет большого несущего винта отлично приспособлены именно для зависания в воздухе (см. график выше). Правда, у них возникают из-за этого другие проблемы, но речь в данном случае о вертикальных взлете и посадке.

Референтым для мульткоптеров в этом отношении опять же можно считать сравнение с классическим 2-местным вертолетом Robinson R-22 (на фото внизу слева).

К примеру, можно сравнить с ним 2-местный экспериментальный немецкий автолет Volocopter VC200, у которого вместо одного большого винта используется 18 небольших (вверху справа выше). Как видим на графике Uber, удельная нагрузка на 18 винтов у мультикоптера VC200 получилась даже меньше, чем у R-22. Соответственно, и удельной мощности для висения ему требуется меньше. Но зато и компактной конструкцию VC200 не назовешь. По габаритам он даже больше вертолета: диаметр его рамы 9,15 м, в то время как диаметр винта R-22 7,62 м, а длина с хвостовой балкой – 8,74 м. Кроме того, запаса мощности у VC200 почти нет (высота точки VC200 на графике над зеленой линией): то есть его скороподъемность и управляемость весьма ограничены. По сути, он только и может, что висеть в воздухе. А вот китайский одноместный квадрокоптер eHang 184 (на фото вверху справа ниже) благодаря в 6 раз большей эффективности (нагруженности) своих 8 относительно небольших попарно соосных винтов может сесть на площадку размером 5х5 м. Зато и мощности на 1 кг при взлете он потребляет больше, что негативно влияет на максимальное время полета, которое у электролетов и так измеряется считанными минутами.

Правда, и запас удельной мощности (высота над зеленой линией висения на графике Uber в начале статьи) у eHang гораздо выше, то есть набирать высоту, разгоняться и маневрировать он может куда интенсивнее, чем R-22 и, тем более, VC200. Собственно, различные схемы многочисленных автолетов, которые сейчас находятся в разработке, как раз и посвящены поискам оптимального для целей городской аэромобильности соотношения этих трех качеств: дальности, маневренности и компактности за счет различного количества, диаметра и нагруженности винтов.

Однако у многовинтовой схемы по сравнению с классической вертолетной есть и другие достоинства, которые для использования в городе имеют принципиальное значение. Во-первых, вентиляторы небольшого диаметра работают гораздо тише, чем вертолетные винты. Дело в том, что шум винтов растет по экспоненте в зависимости от скорости концов лопастей – уменьшение скорости всего на треть снижает шум в 27 раз. При этом у классического вертолета с одним большим винтом скорость концов лопастей из-за большого диаметра велика даже при относительно небольшой частоте вращения. Множество небольших винтов могут крутиться быстрее, но при этом концы их будут иметь меньшую скорость. Поэтому даже 10 маленьких винтов работают в разы тише, чем один большой. Недаром на некоторых электролетах уже появились надписи: «Осторожно, винты работают бесшумно!» Не говоря о том, что и сами электромоторы в сравнении с поршневыми или турбодвигателями практически беззвучны, а электропроводка в отличие от механической трансмиссии не лязгает шестернями. Электромобили, например, даже снабжают специальными имитаторами рокота двигателя, чтобы не пугать бесшумным появлением зазевавшихся прохожих.

Во-вторых, небольшие вентиляторы можно поместить в обтекатели, чтобы обезопасить окружающих от случайного контакта с ними и заодно еще больше снизить шум, что с вертолетными винтами никак не сделаешь.

В-третьих, небольшие электромоторы гораздо более приёмисты, чем большой двигатель – будь то турбина или ДВС. А значит, такой ЛА быстрее выходит на максимальные режимы и лучше управляется в целом, что очень важно для условий города.

В-четвертых, ЭРСУ обеспечивает куда большую надежность. Ведь при отказе одного мотора даже на двухдвигательном вертолете второй придется выводить на аварийный режим работы с удвоенной мощностью. То есть каждый из двух моторов приходится изрядно переразмеривать из-за необходимости иметь такой запас мощности. В то время как отказ одного двигателя из 8, например, на eHang приведет к потере всего 12,5% тяги, в то время как любой современный электромотор легко выдерживает кратковременное, на 1-2 минуты, увеличение мощности на 50% в сравнении с номиналом. При поломке одного, двух, а иногда и большего числа электромоторов остальные без проблем позволяют совершить безопасную вертикальную посадку. Мультикоптеры, правда, не могут садиться на авторотации, то есть совсем без двигателя, как вертолеты, но такой способ аварийной посадки в городе может мало отличаться от катастрофы.

Казалось бы, если поставить буферные батареи достаточной для аварийной посадки емкости, то подобный же уровень безопасности можно обеспечить и для гибридного автолета с тем же ДВС или турбиной, что заодно решит проблему дальности полета. Но не забываем про шум. Одно дело, когда пару раз в сутки над вами пролетит медицинский или полицейский вертолет по очень важным делам, и совсем другое – когда таких полетов возле вашей форточки будет десятки в любой час дня и ночи. А самое главное, не забываем, что новый вид массового транспортного средства предназначен для мегаполисов, а из них в ближайшее время собираются изгнать даже бензиновые автомобили. В Лондоне уже появляются зоны, запретные для въезда автомобилей с ДВС.

Правда, согласно некоторым подсчетам, вред от производства, эксплуатации и утилизации электромобилей может превышать негативное влияние, которое оказывает на окружающую среду бензиновые и дизельные авто, однако лондонцев, к примеру, это не смущает. Похоже, им главное, чтобы углеродный след появлялся не на их улицах. В любом случае с 2030 года в Великобритании, Германии и некоторых других странах власти намерены полностью запретить продажу автомобилей на ископаемом топливе. В 2035 году аналогичная мера будет введена в Калифорнии. Поэтому альтернативы у конструкторов будущих автолетов нет: ЛА в городах должны быть электрическими. Конечно, запаса электричества ему хватит минут на 30 максимум. Но за 30 минут можно облететь всю Москву и половину Московской области, а быстро заряжаться батареи уже умеют. Электромобили Tesla на «быстрых» зарядных станциях «заправляются» на 80% за 15 минут. Кроме того, никто не мешает быстро менять севшие «батарейки» на заряженные. Та же компания Tesla уже продемонстрировала устройство, которое меняет аккумуляторы в подъехавшем автомобиле за 90 секунд.

Теперь о водородных топливных элементах, которые тоже вроде как не шумят и воздух не портят. Еще одно явное достоинство ЭРСУ – простота и, следовательно, надежность, что связано с отсутствием механической трансмиссии со всеми ее валами, редукторами и автоматами перекоса. Наличие на борту запасов водорода – под давлением или в криогенном виде – ни простоту в обслуживании, ни надежность, ни безопасность явно не увеличат. Не говоря о проблемах с водородной заправочной инфраструктурой. Ее нет, и когда она появится и появится ли вообще – пока неизвестно. То ли дело воткнуть вилку в розетку. Да и в целом спокойнее, когда у автолета под обтекателем не криогенный бак или баллон высокого давления, а лишь «батарейки», электромоторы, провода и электроника. О последней стоит поговорить отдельно, потому что на самом деле именно она делает полет таких ЛА возможным.

Продолжение следует.

Часть 1. «Мир накануне третьей авиационной революции»

Часть 2. «Третья авиационная революция: электричество витает в воздухе»

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 800 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.

Читайте также:

Мир накануне третьей авиационной революции

Небо становится ближе с каждым днем. Часть 1.

Третья авиационная революция: электричество витает в воздухе

Небо становится ближе с каждым днем. Часть 2.

Рейс Ryanair и системы безопасности БелАЭС

Как ядерные реакторы защищают от самолетов на самом деле.