Началась разработка авиадвигателей с гибридной архитектурой

Американская компания United Technologies и британская Rolls-Royce по заказу NASA занялись эскизным проектированием реактивных авиационных двигателей с гибридной архитектурой. Как пишет Aviation Week, в таких двухконтурных двигателях турбинная часть будет приводиться в движение выхлопными газами, в то время как вентилятор и компрессор низкого давления будут раскручиваться при помощи электромотора. По оценке разработчиков, такое решение позволит создать экономичную силовую установку.

Проектированием занимаются LibertyWorks, подразделение британской компании, и UTRC, исследовательский центр американской. По условиям соглашения с NASA, эскизное проектирование должно завершиться к октябрю 2016 года. По мере проектирования, разработчикам предстоит решить ряд технических и конструкторских задач, включая пересчет степени двухконтурности двигателей с учетом добавления в конструкцию электрической части, а также отвод тепла, расположение батарей и электромотора и развесовка элементов.

Разработчики полагают, что в существующем виде некоторые технологии не подходят для реализации гибридной архитектуры, поскольку выгода от ее использования на самолетах будет практически нулевой. В первую очередь из-за соотношения массы и емкости аккумуляторных батарей. По оценке UTRC, использование электропривода компрессора низкого давления и вентилятора на взлете и при наборе высоты, а также крейсерском полете позволит сэкономить около десяти процентов топлива. Расчет не учитывает горючее, потраченное на зарядку батарей.

Для нормальной работы двигателей с гибридной архитектурой на самолет придется установить системы охлаждения, проводку и аккумуляторные батареи общей массой 13,6 тонны, при массе самих батарей около 9,9 тонны. Это можно будет сделать либо уменьшив полезную нагрузку самолета, либо увеличив максимальную взлетную массу. По оценке UTRC, в любом случае это приведет к тому, что сэкономленное топливо все равно придется сжечь, чтобы самолет смог нести дополнительный груз в виде батарей.

Расчеты производились для текущей емкости батарей в 120-200 ватт-часов на килограмм массы. По данным разработчиков, об эффективности двигателей с гибридной архитектурой можно будет говорить в том случае, если емкость батарей достигнет по меньшей мере тысячи ватт-часов на килограмм массы. В таком случае масса аккумуляторных батарей составит всего 2,3 тонны, что позволит добиться пятипроцентной экономии топлива при взлете, наборе высоты и крейсерском полете. При этом батареи должны держать высокие токи разряда и температуру.

В свою очередь, по данным LibertyWorks, использование технологии плавающего цикла работы двигателей с гибридной архитектурой, при котором вклад электрической и топливной частей установки будет варьироваться в зависимости от условий полета, позволит добиться по меньше мере 15 процентной экономии топлива по сравнению с обычными турбовентиляторными реактивными двухконтурными двигателями. Такая экономия будет возможна при емкости батарей в 750 ватт-часов на килограмм.

В обычном турбовентиляторном двухконтурном двигателе истекающие из камеры сгорания газы раскручивают турбины высокого и низкого давления. В свою очередь турбины через редукторы приводят несколько вспомогательных агрегатов, включая генераторы, а также компрессоры низкого и высокого давления и вентилятор. Компрессоры сжимают воздух для подачи в камеру сгорания, в то время как вентилятор нагнетает воздух во внешний контур, по которому он минует компрессоры, камеру сгорания и турбины и поступает сразу в сопло.

В турбовентиляторных двигателях в зависимости от конструкции вклад вентилятора в формирование тяги составляет от 70 до 85 процентов. Именно благодаря переводу этой важной с точки зрения тяги части двигателя на электропривод конструкторы и рассчитывают добиться экономии топлива. От турбин не будет отбираться мощность на вентилятор и компрессор низкого давления, а значит потребуется сжигать меньше топлива для их раскрутки.

В начале февраля 2016 года немецкий проектный институт Bauhaus Luftfahrt объявил о намерении к 2022 году провести испытания «более электрического самолета» с гибридной тягой. В испытаниях примет участие уменьшенная беспилотная модель самолета, оснащенная двумя турбовентиляторными двигателями с ультравысокой степенью двухконтурности и одним электрическим вентиляторным двигателем. Реактивные двигатели будут частично формировать общую тягу силовых установок и обеспечивать электричеством вентиляторный движок.

Вклад электрического двигателя в формирование общей тяги всех силовых установок составит 23 процента. В сравнительном моделировании участвовал самолет проекта DISPURSAL пассажировместимостью 340 человек и с дальностью полета 8,9 тысячи километров. Его сравнивали с современным пассажирским самолетом Airbus A330-300. При моделировании самолеты совершали перелет на скорости 0,78 числа Маха (963 километра в час). Экономичность DISPURSAL по сравнению с A330-300 составила 38,3 процента.

Василий Сычёв