5 - 2018

Проект E-Fan X: эра электрической авиации наступит быстрее, чем вы думаете

Дженнифер Шлегель
Эксперт компании Siemens.

Все, кто связан с авиацией, знают, что самолеты должны стать более эффективными и менее шумными, а также сократить свою зависимость от ископаемых видов топлива. Но как добиться этого, если конструкция самолета, честно говоря, не сильно изменилась с конца 1950­х, когда появился Boeing 707? Очевидно, тут требуется действительно революционная инновация. И она появляется прямо сейчас.

Представляем проект E­Fan X

E­Fan X — самолет­демонстратор, который разрабатывается совместно компаниями Airbus, Rolls­Royce и Siemens. Цель проекта — подтвердить техническую возможность создания гибридной электрической силовой установки для 100­местного пассажирского лайнера. Первый полет ожидается в 2020 году.

В качестве основы выбран планер BAe 146 — британский 100­местный региональный реактивный самолет. Один из четырех газотурбинных двигателей BAe 146 на первом этапе проекта будет заменен двухмегаваттным электродвигателем производства компании Siemens.

Не секрет, что это не первый опыт Siemens в области авиации. За последние два года удалось создать немало прорывных инноваций, в том числе электрический самолет­рекордсмен Extra 330LE, оснащенный силовой установкой Siemens eAircraft. Весит этот самолет меньше тонны. Он установил мировой рекорд скороподъемности для электросамолетов с питанием от аккумуляторов и рекорд скорости в 337,5 км/ч, а также стал первым электролетом — буксировщиком планеров.

Создание самых совершенных силовых установок

Рекорды ставит не только сам самолет Extra 330LE. Электрическая силовая установка тоже установила мировой рекорд в своем классе, достигнув максимальной мощности на единицу массы: ее мощность в длительном режиме работы равна 260 кВт. Масса установки составляет всего 50 кг, а ее удельная мощность просто невероятна.

E-Fan X (рендеринг). Изображение самолета E-Fan X предоставлено концерном Airbus

E-Fan X (рендеринг). Изображение самолета E-Fan X предоставлено концерном Airbus

Базовая концепция E-Fan X. Изображение самолета E-Fan X 
предоставлено концерном Airbus

Базовая концепция E-Fan X. Изображение самолета E-Fan X предоставлено концерном Airbus

Компания Siemens намеревается, взяв за основу эту рекордную силовую установку, разработать двухмегаваттный авиационный электродвигатель для регионального самолета BAe 146. Мощность нового электродвигателя должна почти в восемь раз превысить мощность двигателя Extra 330LE.

Базовая концепция E­Fan X

В окончательном варианте авиалайнер E­Fan X будет иметь на крыльях от четырех до восьми электродвигателей с пропеллерами или вентиляторами. В первом летающем прототипе электрическая силовая установка получает питание от генератора, приводимого в действие установленной в фюзеляже газовой турбиной. При взлете и наборе высоты используется энергия, запасенная в литий­ионных аккумуляторах на 700 кВт.

С технической точки зрения проект E­Fan X — это большое достижение, но еще немало предстоит сделать. Хотя переход на электротягу позволит устранить большинство проблем, связанных с шумовым загрязнением, электродвигатели и аккумуляторы все же остаются очень тяжелыми. Несмотря на все технологические достижения, новые способы проектирования изделий малой массы и современные материалы, инженерам придется немало поработать над тем, чтобы в окончательном варианте E­Fan X представлял собой легкую и эффективную конструкцию. С учетом того, что первый испытательный полет запланирован уже на 2020 год, добиться этого будет непросто.

Первый в истории воздухоплавания полет с использованием электрического двигателя осуществил 8 октября 1883 года французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье на дирижабле La France, на котором был установлен электромотор Вернера фон Сименса, питавшийся от батареи весом 435 кг. Первый пилотируемый полет на электросамолете, продолжавшийся всего 14 минут, произошел через 90 лет — в 1973 году.

Когда же мы будем летать на электричестве?

В июле прошлого года на Парижском авиасалоне руководителю подразделения eAircraft компании Siemens Фрэнку Энтону и старшему вице­президенту по решениям для моделирования и испытаний Яну Леридану был задан вопрос: когда же можно будет полететь на самолете с гибридной электрической силовой установкой? Тогда я сомневалась, что через пару лет 50­местные электролеты уже смогут обслуживать линию Париж — Нюрнберг.

Несмотря на все рекордные инновации и сверхбыстрые циклы разработки изделий, создание гибридного электрического авиалайнера в столь короткие сроки представлялось невозможным. Достаточно вспомнить, сколько времени ушло на то, чтобы вывести на рынок электромобили. Сегодня у нас есть новые технологии и материалы, а также еще более быстрые циклы разработки изделий, но будет ли этого достаточно для достижения поставленной цели?

 Слева направо: Фрэнк Энтон, руководитель подразделения Siemens eAircraft; 
Марк Кузен, руководитель отдела разработки демонстраторов Airbus; 
Пол Штайн, президент Rolls-Royce. Фото предоставлено концерном Airbus

Слева направо: Фрэнк Энтон, руководитель подразделения Siemens eAircraft; Марк Кузен, руководитель отдела разработки демонстраторов Airbus; Пол Штайн, президент Rolls-Royce. Фото предоставлено концерном Airbus

Секрет — в Simcenter

По словам Фрэнка Энтона, секрет заключается не в материалах или топологии.

«Сверхлегкие силовые установки возможно создать только при помощи Simcenter — разработанного компанией Siemens PLM Software пакета численного моделирования, учитывающего все известные физические явления и технические аспекты конструкции. С помощью этих технологий симуляции мы итерационно создаем цифровые двойники и тем самым выполняем виртуальную оптимизацию опытного образца. Это не только ускоряет разработку, но и позволяет проектировать электрические машины большей мощности», — заявил он.

Что должно быть сделано к 2020­му

Итак, благодаря функциональным возможностям Simcenter, мои предсказания, к счастью, не сбылись. Проектирование демонстратора E­Fan X уже идет полным ходом. Три компании — участника проекта разработали обширный план работ.

Airbus отвечает за общую интеграцию самолетных систем, разработку архитектуры системы управления гибридной электрической силовой установкой и аккумуляторами, а также за ее интеграцию с авионикой самолета. Rolls­Royce создает двухмегаваттный генератор тока и турбовальный двигатель для него, а также силовую электронику. Кроме того, вместе с Airbus компания Rolls­Royce будет заниматься модернизацией турбовентилятора для его установки на электродвигатель Siemens в существующей мотогондоле. Наконец, Siemens поставит два электродвигателя мощностью по 2 МВт, электронный блок управления, преобразователь постоянного тока и систему распределения электроэнергии. Проект выполняется в рамках стартовавшей в 2016 году программы сотрудничества E­Aircraft Systems House между компаниями Airbus и Siemens. Цель программы — разработка и совершенствование элементов электрических силовых установок различной мощности и демонстрация их работоспособности в наземных условиях.

Заключение

E­Fan X — это впечатляющий испытательный самолет, дающий ответы на многие сегодняшние вопросы применения электрической тяги в авиации. Похоже, мне придется пересмотреть свою позицию. Я уверена, что все мы обязательно сможем полетать на самолетах с гибридными силовыми установками. И это произойдет гораздо быстрее, чем нам кажется.