uacrussia (uacrussia) wrote,
uacrussia
uacrussia

Энергия для самолета. Технологии, созданные российскими учеными, внедряют в конструкции лайнеров

Солнечная батарея 1P5A8978

В 2014 году сразу несколько крупных организаций — ОАК, госкорпорация «Ростех» и Российская академия наук объединили усилия по созданию концепции «более электрического самолета». Повышение эффективности аккумуляторов и топливных элементов для авиации в ближайшие годы позволят улучшить характеристики существующих и создаваемых гражданских лайнеров.

Навстречу рекордам

В Европе значительную часть энергии уже получают от солнца. В Японии до трети потребности домов в тепле и электроэнергии обеспечивается топливными элементами. В России удалось объединить две эти эффективные и экологичные технологии в единое целое. В подмосковной Черноголовке часть зданий Института проблем химической физики (ИПХФ) РАН получает энергию от топливных элементов, водород для которых вырабатывается с использованием электричества, вырабатываемого установленными на территории учреждения солнечными батареями. Институт, конечно, не ставит перед собой задачу перевести на альтернативную энергию все работающие лаборатории. Однако исследования и их практические результаты в последние годы вывели Россию в число четырех стран (наряду с Израилем, США и Сингапуром), лидирующих в области сверхлегких электрохимических источников тока для транспортных средств.

«Совместные разработки ведутся как в рамках подписанного соглашения между Российской академией наук и Объединенной авиастроительной корпорацией, так и в сотрудничестве с Центральным институтом авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, рядом крупных предприятий судостроительной отрасли, автомобилестроения и других, — говорит вице-президент РАН, академик Сергей Алдошин. — Что важно, по принятой во всем мире шкале готовности Total Readiness Level или TRL, уровень наших разработок варьируется в пределах 6-7, то есть внедрением большинства из них в промышленность уже вполне можно заниматься».

По вырабатываемой энергии (около 500 г/кВт) созданные в Черноголовке топливные элементы в 7-8 раз превосходят самые современные литий-полимерные батареи той же массы, но могут служить значительно дольше.

Руководитель лаборатории ионики твердого тела ИПХФ РАН Юрий Добровольский показывает несколько источников питания для беспилотных летательных аппаратов, резервных источников питания и зарядных устройств для мобильной техники, созданных на основе новых разработок. И они уже превосходно зарекомендовали себя во время испытаний.

Многие разработки в области электрохимии уже приносят ИПХФ РАН стабильную прибыль. Исследования ведутся как для отечественных (авиа- и судостроение, автомобильная промышленность), так и для зарубежных компаний, в число которых входят, например, Nissan или Samsung. По заказу компании Nissan Институт участвует в разработке полностью электрического автомобиля. У россиян традиционно сильные компетенции в области разработки катализаторов.

«Наши идеи абсолютно коммерциализированы, — говорит Юрий Добровольский. — Зайдите в любую комнату и посмотрите на оборудование, спектрометры, мембранные анализаторы, 3D-принтеры для печати, стоимость каждого аппарата — 10, 15, 25 млн рублей. И эти деньги заработаны, в основном, благодаря коммерческим проектам».

Электрический беспилотник 1P5A9055

На фото: экспериментальный беспилотный летательный аппарат с электрохимической энергоустановкой.

Немного о технологии

Рынок водородно-воздушных топливных элементов начал формироваться около десяти лет назад. В нашей стране сейчас существует несколько сильных школ.

«Специалисты не потерялись и остались в науке. Важно, что по этому направлению мы создаем собственные разработки, а не копируем чужие. Это мощный мотиватор», — отмечает Добровольский.

Для коммерциализации разработок Институт пошел на сотрудничество со сколковским предприятием AT Energy. В этом году Сколково планирует инвестировать около 60 млн рублей в запуск мелкосерийного производства элементов питания. Лаборанты ИПХФ РАН уже не справляются с полупромышленным выпуском топливных элементов, ведь основная задача науки — новые разработки, а не производство.

Битва за КПД

Разработанными в Черноголовке технологиями для беспилотников уже заинтересовалось Министерство обороны России. Беспилотные летательные аппараты с каждым годом все больше завоевывают небо. Их применяют для мониторинга состояния линий электропередач, трубопроводов в труднодоступных районах, для обнаружения возгораний и для контроля ледовой ситуации. За время одного полета беспилотник по специальной программе может исследовать территорию до 100 гектаров. Это сравнимо с работой целой бригады пожарных в течение недели.

Новые технологии позволят также решить многие проблемы пилотируемой авиации. Основная задача исследований для отечественного авиастроения — многократное повышение эффективности источников питания, что позволит существенно улучшить характеристики как уже существующих, так и только разрабатываемых гражданских самолетов.

Владимир Каргопольцев, директор Научно-технического центра ОАК, говорит, что разработчики выжимают максимум из авиационных двигателей.

«Сегодня их КПД оценивается в 32–33%. Улучшения конструкторов приводят к увеличению мощности на десятые доли процента, — рассказывает Каргопольцев. — Однако сегодня значительная часть энергии маршевых двигателей тратится на питание вспомогательных систем самолета — шасси, приборов, систем кондиционирования и освещения. Естественная идея — освободить маршевый двигатель от неосновных функций, переложив их на другие источники питания на борту. Использование современных материалов и новых источников питания позволит увеличить КПД маршевого двигателя сразу на четверть за счет высвобождения мощности».

Потребность гражданского самолета в энергии — около трех мегаватт, это мощность маленькой электростанции, питающей многоквартирный дом. Благодаря работе отечественных ученых уже в ближайшее время мечта авиаконструкторов — добиться существенного увеличения КПД двигателя авиалайнера — станет реальностью.

Баллон 1P5A9001

Для воплощения в жизнь этих идей ОАК и входящий в госкорпорацию «Ростех» концерн «Авиационное оборудование» объявили летом этого года о начале первого этапа совместных работ по реализации проекта «Электрического самолета». В его рамках ведется создание колеса с электроприводом для самолетов SSJ100 и МС-21. Электрические двигатели, размещенные на стойках шасси, позволяют воздушным судам без использования основных двигателей и помощи аэродромных тягачей совершать руление, в том числе хвостом вперед, перед взлетом и после посадки. «Электрическое колесо » сокращает время работы маршевых двигателей на земле на 30-40 минут за один вылет и существенно снижает расход топлива. При этом уменьшается выброс углекислого газа и двуокиси азота в атмосферу и длительность шумового воздействия вблизи аэродрома. За счет повышения мобильности возрастает интенсивность авиационного движения, что увеличивает рентабельность авиаперевозок.

Со временем самолеты, не оснащенные электроприводом, не будут допускаться во многие зарубежные аэропорты. По словам генерального директора холдинга «Авиационное оборудование» Максима Кузюка, запланированный объем инвестиций в разработку и постановку в серийное производство этого инновационного продукта составит около 600 млн рублей. Для выполнения работ используются как собственные средства предприятий, так и финансирование в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники». Одним из ключевых партнеров ОАК и концерна «Авиационного оборудования» станет Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

Участвующий в этом проекте профессор МГУ Александр Тишин рассказывает: «Электрический двигатель должен сдвинуть полностью нагруженный самолет с места и ускорить его до 40 км/ч за 90 секунд. В конструкции двигателя был использован уникальный магнитный материал. Изобретенная технология позволяет минимизировать вес двигателя благодаря магнитам на основе редкоземельных металлов».

ИНТЕРВЬЮ с Екатериной Золотухиной — из Бургундии в Черноголовку

Год назад в Черноголовку для участия в разработке новых элементов питания вернулась группа исследователей, ранее уехавших работать в Институт молекулярной химии Университета Бургундии. Среди них был профессор Михаил Воротынцев, которого называют самым цитируемым электрохимиком России. В составе группы вернулась и Екатерина Золотухина, которая стала одним из самых молодых докторов химических наук в России.

— Екатерина, какие работы вы проводили в Университете Бургундии?

— Я работала в Институте молекулярной химии Университета Бургундии в городе Дижон. Занималась созданием электрокатализаторов на основе наночастиц металлов и проводящих полимеров.
Работала в группе под руководством одного из ведущих мировых электрохимиков, профессора Михаила Воротынцева.

— Почему решили вернуться в Россию?

— Во Францию я поехала, чтобы получить опыт работы в европейской лаборатории. Тем не менее, продолжение этих работ, как и своей научной карьеры, я видела только на Родине. В России начинают активно поддерживать новые перспективные исследования.

— Какие впечатления от работы в Черноголовке?

— Вернувшись, конечно, отмечаешь, что уровень развития научных лабораторий в нашей стране пока гораздо ниже, чем за рубежом. Например, в Европе оснащенность многих научных лабораторий позволяет сразу начинать работу, как только есть финансирование темы. У нас таких лабораторий пока единицы. В ИПХФ РАН как раз имеются условия для развития приоритетных научных тематик с небольшими организационными затратами. В работу одной из таких лабораторий — ионики твердого тела — влилась наша группа, вернувшись из Франции. В настоящее время мы продолжаем работу над созданием металлсодержащих и бесплатиновых электрокатализаторов, электрохромных пленок. Частично этот материал вошел в мою докторскую диссертацию. Много и новых перспективных идей, которые надо развивать.

— Как вы оцениваете современный уровень научных разработок в России в области, которой занимаетесь?

— Считаю, что Россию можно отнести к одной из ведущих стран по разработкам в области источников энергии, в частности для беспилотных летательных аппаратов, поскольку такие темы в России могут получать направленное государственное финансирование. В настоящее время мы работаем по заказу российских фирм и компаний, сохраняя связи с нашими зарубежными коллегами. Приятно, что теперь иностранные компании и ученые проявляют интерес к нашим исследованиям и новаторскими замыслами. Уровень квалификации и экспертизы постоянно растет.

Статья из корпоративного журнала «Горизонты» (№3, 2014)
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments