А.Г. Капустин, кандидат технических наук, доцент

Н.С. Карнаухов, курсант

(УО «Белорусская государственная академия авиации»)

Энергетической основой бортовых систем самолетов является система энергоснабжения, в которой первичными источниками являются авиационные двигатели. Затем часть механической энергии авиадвигателей преобразуется в другие виды вспомогательной энергии – пневматическую, гидравлическую и электрическую.

Анализ показывает, что электромеханическая и гидравлическая системы на настоящий момент времени находятся по многим позициям практически в равных количественных оценках, хотя по комплексным оценкам специалистов преобладающей системой по мере развития науки и техники станет электрическая система [1,2,3].

Достижения последних десятилетий в областях микропроцессорной техники, силовой электроники, электропривода и магнитных материалов позволяют кардинально перестроить функциональные системы самолетов и использовать электрическую энергию в качестве единого вида вспомогательной энергии на борту самолета. В связи с этим в зарубежной литературе появилась и соответствующая терминология: All Electric Aircraft; All Electric Airplane (полностью электрический самолет или полностью электрифицированный самолет; самолет с полностью электрифицированным оборудованием) [4,5,6].

Переход к самолету с полностью электрифицированным оборудованием коренным образом сказывается на принципах построения и особенностях функционирования основных бортовых систем и агрегатов самолета (рисунок 1). Позиции на этом рисунке обозначают: 1 – силовая установка; 2 – генератор; 3 – стартер-генератор; 4 – вспомогательная силовая установка; 5 – помпы, редукторы; 6 – гидроприводы; 7 – компрессор; 8 – электроприводы; 9 – потребители.

В частности, реализация концепции All Electric Aircraft предполагает существенное изменение облика силовой установки самолета (рисунок 2) вследствие ликвидации отбора воздуха для системы кондиционирования и противообледенительной системы, устранения пневмо- и гидросистем, интеграции источника электрической энергии с авиационным двигателем, широкого применения электропривода в системах управления авиадвигателем и т.д. [2,3,7]. Электрифицированный авиадвигатель не будет иметь коробки приводов. В электрической системе запуска авиадвигателя предполагается применение встроенного стартер-генератора. Вспомогательная силовая установка при этом будет использоваться только для генерирования электрической энергии.

Основной проблемой электрификации авиадвигателя является необходимость существенного изменения собственно конструкции авиадвигателя [3,4,6].

Рисунок 1 – Бортовые самолетные системы энергоснабжения:
а – «традиционная» схема; б – концепция All Electric Aircraft.

Основное применение электрификации авиадвигателя заключается в электрическом запуске различных, в основном, пневмо-, гидро- и топливных механизмов, расположенных на- и около авиадвигателя и выполняющих функции управления. Традиционно они приводились в действие топливными, пневматическими или гидравлическими источниками питания, расположенными на авиадвигателе [1,3,7].

Специалистами показано, что устранение отбора воздуха от компрессора, используемого для систем жизнеобеспечения, кондиционирования и противообледенительной системы, экономичнее в 6–7 раз по отношению к традиционной системе [2,3,4,5]. В авиадвигателе с отбором только механической мощности исключаются высокотемпературные трубопроводы из нержавеющей стали, узлы сливных отверстий и другие элементы традиционных систем. Поэтому только за счет ликвидации отбора воздуха на функционирование противообледенительной системы КПД авиадвигателя может быть повышен [3,4,5,8]. Исследованиями NASA и фирмы Lockheed установлено, что самолет с тремя двигателями, осуществляющими лишь отбор механической мощности с вала (рисунок 1 б), на скорости около 960 км/ч на высоте 11000 м за 5 ч полета потребляет на 900 кг меньше топлива, чем самолет с традиционным отбором сжатого воздуха (рисунок 1 а) [3,5,9].

Дополнительным преимуществом оказывается использование в авиадвигателе центрального элемента системы энергоснабжения – «стартера-генератора». На рисунке 2 в соответствии с вышеизложенным представлены функциональные схемы сопряжения стартеров, генераторов, помп, компрессоров и других агрегатов с авиадвигателем [3].

Рисунок 2 − Функциональные схемы сопряжения авиационного двигателя (АД) со вспомогательными источниками энергии:
МА – маслоагрегаты; ГА – гидроагрегаты; ТП – топливные агрегаты; ППС – привод постоянной скорости; ПС – пневмостартер; ПР – пневморедуктор; ВММ – выходная механическая мощност АД; КВД – компрессор высокого давления; ПСПЧ – система электроснабжения «переменная скорость — постоянная частота»; КП – компрессор с приводом; СтГ – стартер-генератор; ПЧ – преобразователь частоты; ПЭЭ – потребители электрической энергии; П – потребители других видов энергии.

Кроме того программа электрификации авиадвигателя перспективного самолета предусматривает [1,3,4]: повышение мощности источников электрической энергии (до 250 кВА и более); повышение уровня генерируемого напряжения (до 230/400 В трехфазного переменного тока и до 540 В постоянного тока); разработку системы запуска авиадвигателей с использованием электрических стартер-генераторов, обладающих удельной массой (0,2 – 0,4) кг/кВт и крутящим моментом не менее 200 Н·м; интеграцию источников электрической энергии в маршевые двигатели [3,4,5,9].

Предполагается, что переход на электрифицированный авиационный двигатель может дать следующие преимущества [3,4,5,9]: снижение массы и размеров авиадвигателя (на 10–20 %); снижение температуры топлива перед форсунками (на 10–15°С); снижение потребления топлива (до 30 %); улучшение аэродинамики самолета; увеличение ресурса авиадвигателя за счет устранения коробки приводов; повышение надежности и экономичности, уменьшение массы, пожароопасности и стоимости обслуживания (примерно в 2 раза) за счет перехода к электрическим исполнительным приводам для управления авиадвигателем.

В целом электрификация авиадвигателя позволит уменьшить массу и мидель авиадвигателя на 10–15%; снизить теплонапряжённость топливной системы приблизительно на 10–20°С; уменьшить стоимость обслуживания в 2–3 раза; улучшить тактико-технические характеристики самолётов [3,9].

Другим направлением увеличения топливной эффективности авиадвигателей является разработка биротативного открытого винтовентиляторного двигателя (рисунки 3,4). Ожидается, что использование технологии открытого винтовентилятора обеспечит снижение выбросов СО2 не чем на 20%, а акустического шума – на (9–10) дБ по сравнению
с уровнем 2000 г. [9]. В процессе разработки предстоит определить варианты оптимальной конфигурации законцовок лопастей, с увеличением скорости вращения которых повышается шум, но понижается аэродинамическое сопротивление, и лопастями большого диаметра, которые снижают расход топлива и уровень шума, но утяжеляют двигатель и делают его интеграцию с планером более сложной. В ходе разработок необходимо также определить оптимальное количество, угловой шаг и длину лопастей винтовентилятора и эффект от разных вариантов установки двигателя на планер [2,9].

Рисунок 3 – Общий вид открытого редукторного винтовентиляторного двигателя

Рисунок 4 – Устройство открытого ротора винтовентиляторного двигателя

В итоге следует отметить, что повышение топливно-энергетической эффективности самолета, разработка активных способов борьбы с шумом, реализация концепции All Electric Aircraft требуют комплексного подхода и представляют собой значительную сложность, но вместе с тем находятся в русле перспективных направлений развития авиации и способствуют созданию самолета с высокой топливно-энергетической эффективностью.

Список использованных источников:

1. Брускин, Д. Э. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием. Сер. Электрооборудование транспорта. – Т. 6 / Д. Э. Брускин, С. И. Зубакин.– М.: ВИНИТИ, 1986.– 108 с.

2. Интернет-портал компании Aircraft Electrical Power Systems – Charged with Opportunities – www.aerospace.frost.com.

3. Гарганеев, А. Г., Харитонов, С. А. Технико-экономические оценки создания самолета с полностью электрофицированным оборудованием. Доклады ТУСУРа, №2 (декабрь 2009).–179с.

4. Воронович, С. Полностью электрический самолет / С. Воронович,
В. Каргапольцев, В. Кутахов //Авиапанорама. – 2009. – № 2. – С. 23–27.

5. Волокитина, Е. В., Шалагинов, В. Ф., Овечкин, О. И. Вентильные электродвигатели постоянного тока и возрождение концепции полностью электрифицированного самолета. // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2005.– №5.–С.7-9.

6. Левин, А. В. Электрический самолет: от идеи до реализации. / А. В. Левин, И. И. Алексеев, С. А. Харитонов, Л. К. Ковалев // М.: Машиностроение, 2010. – 288 с.

7. Adam McLoughlin. More Electric Aircraft Forum. Engine Powerplant Electrical Systems. 2009 MOET Project Consortium – ALL RIGHTS RESERVED.

8. Интернет-портал – European Aeronautic Defense and Space Company

9. Деловой авиационный портал ato.ru – Демонстрация открытости: выбор оптимальной конструкции открытого винтовентилятора.