Учёные МАИ создают гибридную силовую установку для БПЛА и лёгких самолётов
Осенью 2022 года начнутся лётные испытания новейшего российского гибридного двигателя для БПЛА и лёгких пилотируемых самолётов. Об этом рассказал инженер-конструктор Московского авиационного института Кирилл Балясный. Особенность этого агрегата заключается в использовании энергии двигателя внутреннего сгорания в сочетании с электротягой. С таким мотором в воздух смогут подниматься воздушные суда взлётной массой до 400–600 кг. Ожидается, что по удельной массе и мощности российский «гибрид» станет сопоставимым с австрийским агрегатом Rotax 912 UL. При этом стоимость двигателя МАИ будет существенно ниже зарубежного мотора.
Проекты авиационных гибридных силовых установок (ГСУ) стали своеобразным технологическим трендом во всём мире. Только в России в этом сегменте работают такие титаны, как Центральный институт авиационного моторостроения им. Баранова (ЦИАМ) и Объединённая двигателестроительная корпорация (ОДК). В чём специфика проекта МАИ?
В отличие от других предприятий, конструкторский коллектив 203-й кафедры создаёт гибридную силовую установку для беспилотной авиации и лёгких пилотируемых самолётов. Это наша ниша, и здесь, как я думаю, мы не вступаем в конкуренцию с другими отечественными разработчиками. К тому же проект МАИ предполагает использование в ГСУ двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а не классического авиационного газотурбинного мотора.
Мысль объединить два силовых агрегата — электрический двигатель и ДВС с общим приводом на воздушный винт — пришла мне в процессе разработки и стендовых испытаний компонентов электрической силовой установки (ЭСУ) для экспериментального одноместного электросамолёта.
Основная идея такого изделия состоит в том, чтобы задействовать поршневой двигатель с мощностью только для горизонтального полёта, а необходимую прибавку тяги для взлёта и набора высоты обеспечить за счёт электрической энергии. Уже сейчас у нас в активе есть летающий демонстратор электросамолёта, в котором решена часть задач по разработке ГСУ.
Когда непосредственно начались работы по ГСУ?
Работы по гибридной силовой установке стартовали на кафедре в мае 2021 года при поддержке и. о. проректора по научной работе, доктора технических наук, профессора Юрия Равиковича.
В ноябре 2021 года наш проект занял первое место на XIII Всероссийском межотраслевом конкурсе «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» по направлению «Авиационные, ракетные двигатели и энергетические установки».
В декабре проект ГСУ был представлен ректору МАИ, доктору технических наук Михаилу Погосяну. В итоге была получена рекомендация создать линейку авиационных «гибридов» различной мощности для летательных аппаратов разных классов.
Помимо меня, над ГСУ работают инженер-конструктор Дмитрий Борисов и ведущий инженер Алексей Сычёв. Также мы стараемся вовлекать в работу студентов. Для них это уникальная возможность принять участие в проектировании и постройке летательных аппаратов, освоить современное производственное оборудование, научиться 3D-моделированию и составлению конструкторской документации.
Какого практического эффекта вы планируете достичь?
Существует несколько схем гибридных силовых установок, самая распространённая — это использование поршневого или газотурбинного двигателя совместно с генератором. Традиционный силовой агрегат накапливает энергию в аккумулятор, который подключён к электродвигателю с воздушным винтом. Как я уже говорил, мы используем общий привод ДВС и электродвигателя на воздушный винт. Это позволяет сделать гибридную силовую установку более компактной и лёгкой.
Наша ГСУ позволит увеличить продолжительность полёта летательных аппаратов (по сравнению с чисто электрическими), повысить мощность на взлётном режиме, а также снизить стоимость силовой установки по сравнению с аналогичными по мощности двигателями внутреннего сгорания.
В нашем «гибриде» на взлётном режиме к работе ДВС будет подключаться электродвигатель и дополнительно увеличивать мощность ГСУ. В крейсерском полёте будет работать только двигатель внутреннего сгорания, а электромотор в режиме рекуперации (возвращения энергии для дальнейшего использования. — RT) сможет заряжать небольшой буферный аккумулятор. Также электродвигатель при отказе ДВС должен помочь летательному аппарату долететь до посадочной площадки.
У современных демонстраторов (прототипов) ГСУ пока ещё много недостатков. Один из них — чрезмерные массогабаритные свойства. Ведь летательный аппарат должен, по сути, подниматься в воздух с двумя моторами вместо одного и ещё нести аккумулятор.
Да, это так, но над уменьшением веса и размеров ГСУ во всём мире идёт интенсивная работа. Математические расчёты и практические испытания убедительно доказывают, что главное преимущество авиационных «гибридов» заключено в том, что они дают выигрыш по дальности и продолжительности полёта. В итоге достигается экономия расходов на эксплуатацию летательного аппарата, снижаются вредные выбросы.
Так, если современный одноместный самолёт, оснащённый силовой электрической установкой и аккумулятором, обеспечивает полёт в течение около 25 минут, то создаваемый нами «гибрид» при той же массе уже позволяет находиться в воздухе более часа.
Безусловно, современные ГСУ далеки от идеала. Существенный прогресс в этой сфере связан ещё и с тем, насколько эффективно классический двигатель будет выполнять функцию генератора и как много энергии будет способен вместить аккумуляторный блок, который при этом должен оставаться компактным и относительно лёгким.
Естественно, все эти вопросы прорабатываются и коллективом 203-й кафедры МАИ. На текущем этапе важно завершить проектирование и собрать демонстратор ГСУ, а далее — определить направления совершенствования изделия. В перспективе мы рассчитываем использовать аккумуляторы массой 6–7 кг.
Какой мотор будет стоять в ГСУ в качестве двигателя внутреннего сгорания? По каким параметрам вы выбирали ДВС?
Для проведения экспериментальной работы был закуплен бензиновый двухтактный двигатель РМЗ-500 мощностью 50 л. с. Это отечественный аналог австрийского силового агрегата Rotax 503. Он применяется на парапланах, аэролодках и аэросанях. РМЗ-500 — надёжный, экономичный и доступный по цене двигатель, способный развивать необходимую тягу и давать носителю возможность маневрировать.
Не секрет, что Россия испытывает определённые трудности с оснащением БПЛА собственными силовыми установками. Много ли в ГСУ будет импортных агрегатов и систем?
При изготовлении опытных образцов нормальная практика — широко использовать доступные на рынке комплектующие, потому что первоочередной задачей для конструкторов является проверка жизнеспособности и адекватности принятых технических решений.
Не буду скрывать, что в нашей ГСУ есть иностранные комплектующие. Это контроллер электромотора, разнообразные датчики, аккумуляторная ячейка и другое. Доля импортных агрегатов и систем в изделии составит порядка 30%. Но в будущем многим комплектующим иностранного производства вполне реально найти замену на отечественные аналоги. Долю российских элементов можно довести до 85–90%.
Есть ли у вас представление о том, на какие аппараты вы будете монтировать ГСУ?
Хочу напомнить, что современные авиационные двигатели часто разрабатываются не под конкретные носители. В нашем случае у нас есть понимание, что «гибрид», который создаётся в МАИ, будет востребован в любительской авиации, то есть для установки на одноместные и двухместные самолёты. Этот рынок достаточно активно развивается, в том числе в нашей стране. Например, в России одноместные самолёты взлётной массой менее 115 кг могут летать совершенно свободно. Многие люди, увлечённые авиацией, пользуются этой возможностью.
Также нашим изделием можно будет оснащать беспилотники самолётного типа взлётной массой до 400–600 кг. Сейчас в России действуют строгие законодательные ограничения на полёты БПЛА. Аппараты от 250 г до 30 кг должны быть обязательно зарегистрированы, и летать они могут далеко не везде. Полёты более тяжёлых дронов, по сути, запрещены.
Однако многие специалисты уверены, что беспилотники непременно будут широко использоваться в РФ в коммерческих и иных целях. В России создаются зоны, где тестируется массовое использование БПЛА, в том числе большегрузных. Например, в Томской области планируется применять беспилотники массой более 30 кг для доставки тяжеловесных грузов (от 0,1 до 1500 кг), аэрофотосъёмки и сельскохозяйственных работ.
По данным Минэкономразвития РФ, до конца текущего года в нашей стране планируется запуск нескольких так называемых экспериментальных правовых режимов (ЭПР) для отработки возможностей грузовых и пассажирских перевозок с помощью дронов. Широкое использование гражданских беспилотников непременно станет реальностью, и, естественно, БПЛА потребуются надёжные и эффективные в эксплуатации двигатели. Можно сказать, что коллектив 203-й кафедры МАИ работает на опережение. Сейчас важно создать технологический задел, который потом позволит совершенствовать и выпускать линейку «гибридов» под нужды заказчиков.
На какой стадии находится реализация проекта ГСУ и когда планируется начать лётные испытания?
Сейчас завершается последний этап сборки «гибрида», уже создан наземный стенд для его испытаний, идут испытания электродвигателя, который стал более мощным, практически изготовлен редуктор.
В ближайшее время начнутся испытания. В ходе них сначала будет проверена система управления (как отдельно, так и в составе ГСУ). Она должна обеспечивать синхронный режим работы ДВС и электродвигателя. Потом стартуют силовые стендовые испытания «гибрида». Осенью 2022 года мы планируем провести лётные испытания на самолёте-демонстраторе.
В дополнение к ГСУ создаётся распределённая силовая установка — это несколько небольших электродвигателей с воздушными винтами, которые размещены по передней кромке крыла и создают дополнительную подъёмную силу. При этом их питание обеспечивается за счёт маршевой ГСУ. Такое изделие, с нашей точки зрения, потребуется летательным аппаратам с укороченным взлётом и посадкой.
Согласно расчётам, которые мы провели, наш двигатель будет сопоставим по удельной массе и мощности с австрийским мотором Rotax 912 UL, но окажется почти в три раза дешевле.
Сейчас идут переговоры с заинтересованными в нашем проекте потенциальными заказчиками. Мы оцениваем их требования и свои возможности по налаживанию производства «гибридов».
