«Эффективно управлять потоками энергии»: как продвигается разработка российского авиационного гибрида

До конца нынешнего года российские предприятия соберут демонстратор (прототип) гибридной силовой установки (ГСУ), сообщается на сайте «Ростеха». В настоящее время началось изготовление аккумуляторной батареи, электрических машин, газотурбинного привода, блоков силовой электроники и управления ГСУ.

Головным разработчиком авиационного гибрида является АО «ОДК-Климов» (Санкт-Петербург). Предприятие — часть АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» (ОДК, входит в «Ростех»).

«Полностью завершён этап разработки конструкторской документации демонстратора ГСУ мощностью 150 кВт, сформирован состав кооперации, предприятия приступили к изготовлению элементов и составных частей. До конца этого года демонстратор должен быть собран и испытан», — цитирует пресс-служба «Ростеха» генерального конструктора АО «ОДК-Климов» Всеволода Елисеева.

После сборки прототипа ГСУ начнутся испытания с целью подтверждения характеристик и правильности принятых технических решений, уточняют в «Ростехе».

В беседе с RT заместитель главного редактора журнала «Авиапанорама» Владимир Попов пояснил, что ГСУ представляет собой силовой агрегат, сочетающий использование электротяги и энергии традиционного двигателя. Как правило, электромоторы обеспечивают крейсерский режим полёта, а агрегат внутреннего сгорания — взлёт и посадку, пояснил эксперт.

«Создание авиационных гибридов — общемировая тенденция. Это наиболее подходящий силовой агрегат в плане экологичности. К тому же у электродвижения в авиации в принципе очень большой и нераскрытый потенциал», — отметил Попов.

По данным разработчика, гибридизация позволяет «эффективно управлять потоками энергии и выбирать наиболее оптимальные режимы работы её источников» по сравнению с традиционными силовыми установками.

Стоит отметить, что работы по внедрению технологий электродвижения в авиационной отрасли поддерживаются в России на государственном уровне.

Энерговооружённость и экономичность

Макет ГСУ представлен разработчиком на Международной выставке вертолётной индустрии HeliRussia 2022, которая проходит в подмосковном Красногорске, в МВЦ «Крокус Экспо».

В состав демонстрируемого широкой публике гибрида входят электродвигатели, блоки силовой электроники, электрогенератор, аккумуляторная батарея (АКБ), газотурбинный двигатель (ГТД) и воздушные винты.

«Движители летательного аппарата (винты) приводятся во вращение от электродвигателей, питание которых может осуществляться как раздельно от генератора или АКБ, так и за счёт их суммарной энергии. Генератор также обеспечивает возможность подзаряда АКБ», — говорится в презентационных материалах ОДК.

Мощность ГСУ на взлётном режиме составляет 500 кВт, удельная энергоёмкость — 200 Вт·ч/кг, номинальная мощность электродвигателя — 125 кВт, удельный расход топлива в оптимальном режиме работы газотурбинного агрегата — не более 0,347 кг/кВт·ч.

ГСУ может устанавливаться на большое количество носителей.

На сайте корпорации говорится, что «потенциальными объектами применения» нового силового агрегата являются лёгкие многоцелевые вертолёты, перспективные БПЛА, летательные аппараты взлётной массой 2—8 т, самолёты местных воздушных линий, бизнес-авиация, воздушные комплексы вертикального взлёта и посадки.

В материалах ОДК, представленных на HeliRussia 2022, уточняется, что ГСУ может быть установлена также на летательные аппараты «циклолётного типа». Речь идёт о воздушных носителях, способных вертикально взлетать и приземляться, в том числе на наклонные поверхности.

В России уже создан циклолёт-беспилотник массой 60 кг. Предполагается, что этот БПЛА будет востребован при проведении десантных операций.

Ещё один циклолёт в рамках проекта «Циклокар» в настоящее время создаёт Институт теплофизики имени Кутателадзе СО РАН совместно с Фондом перспективных исследований (ФПИ). Учёные этого института планируют создать летающий автомобиль. Масса такого аэромобиля составит примерно 2 т, максимальная полезная нагрузка — 600 кг, скорость — до 250 км/ч, дальность полёта — до 500 км.

Как считают «климовцы», большие перспективы открываются перед ГСУ и в сфере морской авиации. Благодаря летательным аппаратам на гибридных двигателях можно перевозить грузы, проводить спасательные операции и заправлять авиацию в воздухе.

«Для выполнения этих функций актуальна высокая топливная эффективность, увеличенная энерговооружённость летательных аппаратов и безопасность полётов, возможность быстрого форсирования мощности. Все эти преимущества может дать применение ГСУ», — приводит слова исполнительного директора АО «ОДК-Климов» Александра Ватагина пресс-служба корпорации.

Кроме того, как полагают в ОДК, гибридная силовая установка может использоваться как двигатель для скоростных маломерных судов различного назначения, а в будущем благодаря накопленному научно-техническому заделу ею можно будет оснащать корабли большей размерности.

В настоящий момент к достоинствам своего изделия «климовцы» относят увеличение дальности полёта, снижение выбросов вредных веществ, повышенный срок службы газотурбинного двигателя, сокращение расхода топлива на 15—20% и обеспечение повышенной электрификации носителя.

Наряду с этим благодаря отсутствию жёсткой связи между элементами ГСУ позволяет оптимально распределить «массы по фюзеляжу» и открывает возможность для создания новых конструкций летательных аппаратов. В частности, в ОДК уверены, что гибрид поможет разработать воздушные платформы со сверхкоротким взлётом и посадкой.

Единый энергоузел

В качестве привода в ГСУ используется перспективный агрегат ВК-650В, который создаётся для вертолётов «Ансат», «Ансат-У», Ка-226Т и VRT500. Пока эти вертолёты оснащаются импортными двигателями.

«Газотурбинный двигатель ВК-650В будет приводом для генератора. Вместе они образуют единый энергоузел, то есть основной резервуар энергии. Ставится дополнительный источник энергии в виде аккумуляторных батарей. За взаимодействие этих элементов будет отвечать блок силовой электроники», — пояснил ранее журналистам заместитель директора программы перспективных двигателей «ОДК-Климов» Михаил Шемет. 

Особенность ВК-650В заключается в реализации схемы с одноступенчатым центробежным компрессором, турбиной компрессора и свободной турбиной. Предполагается, что такой подход позволит получить улучшенные удельные параметры мощности. 

«К преимуществам ВК-650В относятся модульность конструкции, высокий ресурс двигателя, цифровая система автоматического регулирования типа FADEC. Унифицированный двигатель может применяться на различных типах многоцелевых вертолётов, как в двухдвигательной, так и в однодвигательной модификациях», — говорится в материалах ОДК.

На текущий момент лётные испытания ВК-650В ещё не проводились. По информации ОДК, в настоящее время на завершающей стадии оформления находятся стыковочные планы-графики опытно-конструкторских работ (ОКР) по самому двигателю и вертолётному носителю.

«В рамках дальнейшей работы над двигателем планируется применение современной технологии «цифрового двойника». С её помощью будут проводиться высокопроизводительные вычисления, разработка системы управления, моделирование натурных испытаний, оптимизация процесса автоматизации обмена данными и их обработки», — уточняет пресс-служба ОДК.

Как заявил 19 мая журналистам первый заместитель генерального директора «Ростеха» Владимир Артяков, в ближайшее время будут проведены стендовые испытания опытных образцов унифицированного двигателя. Серийное производство ВК-650В должно развернуться в 2024 году.

Ранее в комментарии RT заместитель главного конструктора АО «ОДК-Климов» Карен Малев заявил, что на основе ВК-650В может быть создана линейка авиационных двигателей взлётной мощностью от 500 до 700 л. с. Одна из модификаций будет применяться в ГСУ. В 2023 году для гибридной силовой установки должен быть изготовлен вариант газотурбинного двигателя мощностью 500 кВт.

В беседе с RT главный редактор портала Avia.ru Роман Гусаров отметил, что ВК-650В — абсолютно новая разработка, которая будет широко востребована как в вертолётной отрасли, так и для дальнейшего развития программы ГСУ.

«ВК-650В избавит Россию от критической зависимости в определённых сегментах авиации от зарубежных двигателей. Помимо этого, ВК-650В, безусловно, является крайне важным элементом ГСУ. Именно от него во многом зависит эффективность работы гибрида: он должен вращать генератор, который будет вырабатывать электричество, заряжающее батареи», — пояснил Гусаров.

Эксперт уверен, что будущее всей авиации — за двигателями, использующими электрическую энергию.

«Сейчас наиболее перспективное направление — это ГСУ, где традиционные и электрические двигатели помогают друг другу. Сложнее всего, на мой взгляд, создать для гибрида систему управления, которая учитывала бы особенности работы электромоторов, обеспечивала бы полёт в нужных параметрах и без сбоев. Однако для российских разработчиков на сегодняшний день нет нерешаемых проблем», — уверен Гусаров.