Ток и только ток: новая катушка позволит создать первый электроавиалайнер
В МАИ разработали технологию производства одного из основных компонентов электрического двигателя — катушек из высокотемпературных сверхпроводников. Благодаря свойствам материала деталь повышает мощность машин, работающих на электричестве, в пять раз без увеличения их массы. Это очень важно для создания первого авиалайнера, летающего за счет движения тока. По словам экспертов, инновационные катушки действительно приближают эру принципиально новой авиации. Однако для создания первого действующего самолета нужно преодолеть еще множество препятствий, главное из которых — большой вес аккумуляторов.
Без набора веса
Ученые Московского авиационного института разработали оригинальную технологию производства катушек из высокотемпературных сверхпроводников, то есть обладающих способностью пропускать электрический ток без сопротивления и потерь электроэнергии. Это одна из основных деталей в конструкции электродвигателя, от которой зависят его основные характеристики. Использование таких катушек позволяет повысить мощность электрических моторов почти в пять раз без увеличения их массы.
Принцип действия следующий. По катушкам течет ток. За счет этого создается магнитное поле. Преобразуя энергию магнитного поля, двигатель выполняет механическую работу. По сверхпроводнику можно пропускать более высокий ток, чем по обычному проводнику, а значит, создавать более сильные магнитные поля. При этом уменьшаются потери при протекании тока, поэтому эффективность двигателя становится выше, пояснили ученые.
— За счет этого растет удельная мощность, то есть сколько дает мотор с 1 кг своей массы. Для традиционных электрических машин это 5 кВт/кг в лучшем случае, а для сверхпроводящих может быть более 20 кВт/кг, — объяснил «Известиям» начальник научно-исследовательского отдела кафедры «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Николай Иванов.
Технология, разработанная в МАИ, позволяет производить катушки полностью из российских комплектующих, делать это в больших количествах и получать при этом продукт с заданными свойствами.
Применять технологию можно в любых транспортных средствах. Однако в планах разработчиков — использовать ее в первую очередь для создания электрического двигателя для авиации, где масса оборудования имеет особое значение.
— Применение сверхпроводимости в авиации позволяет создать ранее невозможный вариант летательного аппарата — полностью электрический самолет. Но не в виде моделей, небольших беспилотных летательных аппаратов или одноместных пилотируемых аппаратов, которые активно входят в повседневную жизнь, а в виде большого пассажирского дальнемагистрального авиалайнера, — подчеркнул научный сотрудник кафедры «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Сергей Занегин.
Как рассказали ученые, сверхпроводящие катушки имеют множество преимуществ, но их внедрение в конструкцию авиадвигателя несет за собой и некоторые сложности. Например, они могут работать только при сверхнизких температурах — ниже –200 °C. Однако у инженеров уже есть несколько решений, выбор которых будет зависеть от конструкции конкретного устройства.
Девять ступеней
Как сообщили в МАИ, создание полноценного электродвигателя для авиации стало целью для множества ученых из разных стран. Практически все проекты на планете в этой области находятся сейчас на одной стадии. Согласно общепринятой в мире шкале, оценивающей уровень готовности технологий, сегодня человечество в этой сфере находится на четвертой или пятой ступени из девяти, то есть на уровне лабораторных образцов. Сборка первого крупного работающего экземпляра, который бы прошел хотя бы наземные полноценные испытания, продвинула бы специалистов на шестой или даже седьмой уровень. По оценкам ученых, на это уйдет около четырех лет.
Для того чтобы создать электрический самолет, нужно в первую очередь решить проблему аккумуляторов. Они должны обеспечивать правильную работу двигателя и делать это длительное время. Также необходимы максимальное облегчение корпуса и переход на композитные материалы, считает изобретатель, автор боле двух десятков разработок для авиации Гамид Халидов.
— Конечно, увеличение удельной мощности двигателя без увеличения его массы — это важное достижение, которое дает много преимуществ. Однако переход к самолетам нового типа — это комплексная проблема. Нужно и продумать новую обшивку, и добиться минимального веса всех остальных узлов. Скорее всего, это движение будет осуществляться рывками. Сегодня мы получили новую катушку, а завтра какой-то другой компонент. И так в итоге соберем передовой самолет, — уверен Гамид Халидов.
Материал будущего
Сверхпроводники могут иметь более низкое тепловое сопротивление, что позволит эффективно отводить тепло и предотвращать перегрев двигателя. В итоге это улучшит его работу и продолжительность службы, считает директор Центра координации научных исследований ГУАП Алексей Рабин. Но помимо модернизации катушек для создания авиационного электродвигателя также необходимо решить еще ряд проблем.
— Это хранение энергии: аккумуляторы пока имеют очень ограниченную емкость. Системы безопасности, которые предотвратят возникновение пожара или взрыва и обеспечат надежную работу электродвигателя в любых условиях. А также его интеграция с другими системами самолета, в первую очередь управления полетом, электрической и системой охлаждения, — сказал Алексей Рабин.
Возможность сконструировать более легкий двигатель поможет в создании электросамолета. Однако основная проблема сегодня — это масса аккумуляторов. Их удельная энергоемкость по сравнению с углеводородным топливом в десятки раз меньше, поэтому их нужно много и у них большой вес. По этой причине специалисты стали задумываться над использованием гибридных вариантов двигателей, рассказал «Известиям» создатель электрических летательных аппаратов, научный сотрудник МАИ Кирилл Белясный.
— Безусловно, разработка ученых МАИ заслуживает внимания, поскольку высокотемпературные сверхпроводники — материал будущего, который может быть использован в энергетических установках нового поколения, — сказал младший научный сотрудник кафедры электротехнологической и преобразовательной техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Артем Мельников.
Двигатель на основе сверхпроводниковых катушек — значительный шаг к созданию электрического самолета. Но на сегодня эта концепция довольно далека от реализации, поскольку проблема массо-габаритных характеристик аккумуляторных батарей пока не решена, резюмировал эксперт.
