Электрические самолёты настоящего и будущего

Электрические самолёты настоящего и будущего

Электрические самолёты — воздушные летательные машины, соответственно, получающие силу хода от работающих электродвигателей. Первая воздушная система такого рода, наделённая сплошным крылом, прошла испытания в 1973 году. Полёт продолжался 14 минут. Конструкция такого типа предполагает исполнение либо полностью электрическим, либо гибридно-электрическим. Рассмотрим — каким изменениям подвергся этот сектор спустя почти 50 лет с момента первого полёта.

Электрические самолёты — технология обеспечения энергией

Электрические самолёты — область современной авиации, где отмечается применение двух основных типов технологий подачи энергии двигателям:

  1. Аккумуляторные батареи.
  2. Водородные топливные элементы.

Здесь преимущественный момент электродвигателей относительно систем внутреннего сгорания отмечается более экономичным энергетическим ресурсом. Большая часть потенциальной энергии топлива поршневых и газотурбинных двигателей преобразуется в тепло.

Электродвигатели же утрачивают лишь часть потенциальной энергии благодаря эффекту сопротивления проводников. То есть электрический самолёт как таковой, способен летать с эффектом передачи потенциальной энергии на ось силового агрегата, превышающей 90%. В свою очередь воздушная машина турбовинтового типа демонстрирует потенциал энергии 20–25% на малых высотах и КПД до 35% на больших высотах.

Турбореактивный двигатель достаточно эффективен, но все же далёк по эффективности от электродвигателя.

Двигатели электрических самолётов обеспечивают более продуктивное ускорение от нуля до максимального эффекта, по сравнению с поршневыми и газотурбинными моторами. Дополнительным преимуществом следует выделить и более лёгкое техническое обслуживание, поскольку трансмиссия здесь имеет меньше движущихся частей, получающих износ в процессе работы по сравнению с двигателем, функционирующим на ископаемом топливе.

Электрические самолёты на аккумуляторах

Дальность полёта электрического самолёта измеряется тремя способами:

  • теоретический диапазон,
  • фактический диапазон,
  • коммерческий диапазон.

Теоретический диапазон указывает расстояние, которое электрический самолет способен пролететь в условиях нормальной скорости полёта до момента полной остановки двигателей. Фактический диапазон определения дальности хода, как правило, используется частной авиацией. Коммерческий диапазон включает все необходимые резервы для обеспечения перелёта к альтернативному месту посадки, например, в случае плохой погоды.

Аккумуляторный электрический самолёт следует рассматривать воздушной машиной, силовые агрегаты которой работают от энергии, запасённой внутри банок аккумуляторов. Рассмотрим современные электрические самолёты для такой системы питания энергией, разрабатываемые или уже запускаемые в серийное производство.

Специалистами словенской компании «Pipistrel» разработаны три электрических самолёта, среди которых модель «Taurus Electro» — первый серийный двухместный электрический самолёт. Эта техника появилась на рынке ещё в 2007 году. Конструкция оснащается литий-ионным аккумулятором мощностью 40 кВт.

Также имеется аппарат «Pipistrel Alpha Electro», представляющий первый в мире электрический самолёт, предназначенный для лётной подготовки. Эта воздушная машина обеспечивает время полёта не менее полутора часов. Теоретическая дальность перелёта составляет 600 км.

Электрические самолёты настоящего и будущего производства Pipistrel
Продукты производства фирмы Pipistrel, заявившей некое лидерство на рынке инновационной воздушной техники

Конструкция наделена двигателями мощностью 60 кВт, каждый весом 20 кг. Применяется быстро заменяемый аккумулятор ёмкостью 21 кВт/ч, для заряда которого достаточно одного часа. Электрический самолёт  словенского производства сертифицирован в соответствии с правилами Федерального авиационного управления (FAA).

Кроме всего прочего, компанией «Pipistrel» создана третья модель техники – «Velis Electro» (лето 2020 года). Эта разработка стала первым в мире электрическим самолётом, сертифицированным по стандарту EASA. Аппарат полностью одобрен для обучения пилотов. Силовой агрегат на «Velis Electro» отличается наличием полностью жидкостного охлаждения, включая батареи.

Здесь налицо технология нового поколения, позволяющая увеличить срок службы трансмиссии примерно вдвое. Обучение полётам – это основная цель воздушной машины модели «Velis Electro». Коммерческий диапазон дальности хода, в данном случае, составляет 100 км, а время полёта, соответственно, 50 минут.

Электрические самолёты аккумуляторные из Европы

Здесь на передний план выходит чешская компания «Pure Flight». Специалистами фирмы разработан, в частности, электрический самолет «Phinix». Первый полёт воздушной машины состоялся в 2018 году. Электрический самолёт сертифицирован в соответствии с правилами ELSA (Experimental Light-Sport Aircraft).

Двухместная машина получает энергию от аккумулятора мощностью 60 кВт. Дальность полёта составляет 2,5 часа. На момент 2019 года инженерами компании выполнены испытательные полеты в зимних условиях.

Компания «Heart Aerospace» представляет шведский стартап, разрабатывающий 19-местный электрический самолёт «Heart ES-19». Согласно презентации фирмы, дальность полёта для этой машины составляет 400 км, крейсерская скорость достигает значения 300 км/ч.

Шведский электрический самолёт предполагается оснастить четырьмя электродвигателями, по 400 кВт каждый. Тем самым обеспечивается общую мощность агрегатов на уровне 1600 кВт. Энергию питания агрегатов поставят четыре аккумулятора по 180 кВт/ч каждый.

Цель шведской фирмы состоит в том, чтобы сертифицировать электрический самолёт под коммерческое использование к началу 2026 года. Особенность машины — возможность использования укороченных взлётно-посадочных полос (до 750 метров). Техника ориентирована на региональные перевозки. В конце 2020 года начались испытания аппарата.

Американская аккумуляторная техника воздушного хода

Вторыми по видимости отметились американцы. Здесь актуальный объект «Bye Aerospace» — американская фирма (Денвер), специалисты которой в 2014 году начали разработку электрических самолётов «eFlyer 2» и «eFlyer 4».

Электрический самолёт «eFlyer 2» предназначен для обучения пилотов, оснащается электродвигателем мощностью 90 кВт. Первый испытательный полёт электрического самолёта «eFlyer 2» состоялся в 2018 году. 2021 год заявлен в планах компании как время получения сертификата FAA и EASA. Параметр полётного времени здесь составляет три часа.

Другой воздушный аппарат — «eFlyer 4», предназначен для использования в качестве воздушного такси, грузоперевозчика, а также для повышения квалификации лётчиков. Между тем весной 2021 года фирма «Bye Aerospace» анонсировала электрический самолёт «eFlyer 800» на восемь мест.

Электрические самолёты настоящего и будущего + модель eFlyer 4
Разработка, представляющая изделия американской фирмы, в частности, электрические самолёты серии eFlyer

Модель «eFlyer 800» наделяется двумя силовыми агрегатами, получающими питание от твердотельных литий-серных батарей разработки британского стартапа «Oxis Energy». Мощность, необходимая для аккумуляторных элементов, составляет 550 кВт/ч. Литий-серные аккумуляторы на 60% легче литий-ионных.

К тому же сера эффективна в качестве антипирена для легковоспламеняющегося лития в батарее. Максимальная дальность полёта электрического самолёта «eFlyer 800» составит 930 км при крейсерской скорости 520 км/ч. Согласно заявлениям компании, эксплуатационные расходы составят пятую часть стоимости обычных самолётов на две турбины. Вывод аппаратов на рынок запланирован периодом 2024-2026 годы.

Наряду с упомянутой фирмой, активность в авиастроении показывает также фирма «Wright Electric» — американская компания, разрабатывающая модель электрического самолёта «Wright 1» в сотрудничестве с фирмой «Easyjet». Машина «Wright 1» рассчитана на 186 посадочных мест, имеет несколько силовых установок под каждым крылом, рассчитана на перелёт 1280 км. Согласно планам, время выхода в эксплуатацию — 2030 год.

Аккумуляторные электрические самолёты Ближнего Востока

Названием «Eviation» отмечен израильский стартап, также разрабатывающий электрические самолёты, в частности, машину «Alice». Здесь конструкция представлена девятиместным аппаратом, способным пролететь на одном зарядном потенциале не менее 1000 км пути. Крейсерская скорость заявлена конструкторами на уровне 410 км/ч. Обеспечение энергией — литий-ионный аккумулятор ёмкостью 920 кВт/ч.

Как отмечается, в составе системы используется электродвигатель «MagniX28». На момент 2019 года израильтяне объявили, что американская компания «Cape Air» решила включить электрический самолёт «Alice» в состав рабочего парка, насчитывающего 92 воздушных машины.

Цель израильской фирмы теперь направлена на получение сертификата EASA и FAA в течение 2022 года. Однако проект вполне возможно задержат с выходом, учитывая случай возгорания в 2020 году. Тем не менее, первый испытательный полёт израильтяне выполнили в 2021 году.

Аккумуляторные электрические самолёты Азии

Конструкция «RX1E» — первый в Китае электрический двухместный самолёт, разработанный специалистами «Liaoning Ruixiang General Aircraft Manufacture Co., Ltd» (2016 год). Правда, европейские специалисты отмечают практически полное сходство разработки с воздушной машиной «Pipstrel Alpha Electro».

Тем не менее, китайский вариант имеет сертификат Управления гражданской авиации Китая (CAAV) и соответствие стандарту Американского общества испытаний и материалов (ASTM). Также имеется лицензия на массовое производство машины.

Электрические самолёты настоящего и будущего + китайская версия RX1E
Вариант на электрические самолёты Китая, представленный разработкой «RX1E»

Как отмечается производителем, мощность аккумуляторной машины составляет 30 кВт. Электрический самолёт «RX1E» имеет на борту шесть аккумуляторных батарей производства «Kokam», простые для демонтажа на подзарядку.

Следует отметить ещё одну китайскую двухместную модель воздушной машины, представляющую электрический самолёт повышенной дальности полета. Модель получила название «Ruixiang» (RX1E-A). Первый испытательный полёт выполнен в 2018 году.

Австралийские аккумуляторные электродвигатели серии «Magni»

Австралийская компания «MagniX» (Сиэтл), начиная с 2009 года, создаёт электродвигатели, предназначенные для замены привычных турбин. Электродвигатель «Magni250», мощностью 375 лошадиных сил (280 кВт), предназначен для небольших электрических самолётов, подобных девятиместному аппарату «Eviation Alice».

Другой силовой агрегат – «Magni500», представляет электродвигатель мощностью 750 лошадиных сил (560 кВт). Основное предназначение — установка на модели воздушных машин:

  • Havilland Beaver,
  • Cessna Caravan,
  • Beechcraft King Air.

Дальность полёта на таких моторах под аккумуляторное питание составляет 160 км. Как заявляет производитель, срок службы электрических двигателей «MagniX» не менее 30 000 часов.

Электрический самолёт на топливных элементах

Воздушные машины, работающие на топливных элементах, используют энергию питания двигателей в виде водорода. Химический элемент преобразуется в электричество с помощью специальных топливных элементов. Эта область показывает различные разрабатываемые водородные электрические самолёты.

Англо-американский проект «ZeroAvia»

Представительства компании «ZeroAvia» находятся, как на территории Великобритании, так и на территории США. Летом 2020 года инженеры фирмы провели первый испытательный полёт шестиместного аппарата М-класса «Piper», оснащённого электродвигателем. Осенью 2020 года представительством Великобритании выполнен первый испытательный полёт «Piper», действующего на водороде и топливных элементах.

На борту аппарата установлена система топливных элементов шведского производства «Powercell». Следующие испытания предполагают полёт на расстояние 400 км. Сейчас специалисты фирмы «ZeroAvia» имеют цель к 2023 году вывести на рынок 19-местный электрический самолёт, где применяются топливные элементы вместо аккумуляторов.

Заявленная дальность полёта для этой версии — 560 км. Водородно-электрическая силовая установка рассчитана на мощность 600 кВт. Компания также надеется построить электрический самолёт вместимостью 50-100 пассажиров к началу 2030 года и вместимостью 200 пассажиров к началу 2040 года.

Немецкий проект водородно-электрической системы

Разработчик «H2FLY» представляет дочернюю компанию Немецкого аэрокосмического центра. Компания нацелена на эксплуатацию электрических самолётов «HY4»Эта конструкция:

  • имеет двигатель мощностью 80 кВт,
  • развивает крейсерскую скорость 145 км/ч,
  • обеспечивает запас хода от 750 до 1500 км.

Электрический самолёт «HY4» отличает особого рода конструкция с двумя фюзеляжами, в каждом из которых размещаются два пассажира. На момент 2016 года новый воздушный аппарат «HY4» успешно совершил первый испытательный полёт.

Электрические самолёты настоящего и будущего + немецкая версия HY4
Разработка немецких инженеров, представляющая высокотехнологичную систему полёта «HY4»

Здесь используется литиевая батарея для покрытия энергетических нагрузок при взлёте и наборе высоты. Осенью 2020 года машина «HY4» выполнила 35 взлётов, показала продолжительность полёта до 2 часов с использованием водородной трансмиссии в рамках проекта ЕС «Модульный подход к гибридно-электрическим двигателям».

Между тем, фирма «H2FLY» также анонсировала два дополнительных самолета:

  1. На 6-19 мест с перспективой выпуска в 2027 году.
  2. На 40 мест с перспективой выпуска в 2030 году.

Первый вариант предполагается оснастить водородной силовой установкой мощностью 300 кВт (пиковая мощность 425 кВт). Дальность полёта при этом составит до 1500 км, максимальная крейсерская скорость составит 370 км/ч. Для второго варианта предполагается водородная силовая установка мощностью 1,4 МВт (пиковая мощность 3 МВт), которая обеспечит максимальную дальность полёта 1850 км и крейсерскую скорость 520 км/ч.

Другие перспективные разработки воздушных судов

Упомянутая выше компания «Pipistrel» занимается разработкой не только аккумуляторных систем. Также на примере модели «Miniliner» здесь представлен электрический самолёт с водородной силовой установкой. Речь идёт о 19-местной версии воздушного судна с расчётной дальностью полёта 200-1000 км, способной практически бесшумно взлетать с взлётно-посадочных полос длиной короче 1 км. Не исключается даже использование взлётно-посадочных полос с травяным покрытием.

Этот электрический самолёт разрабатывается в рамках финансируемого Европой проекта «Community Friendly Miniliner». Первые сведения о запуске проекта появились весной 2021 года. Полностью реализованный проект специалисты «Pipistrel» планируют продемонстрировать в период 2028–2030 годов.

Инженерная компания «HES Energy Systems» (Сингапур) теперь работает совместно с фирмой «Aerospace Valley» (Тулуза). Ассоциация ещё в 2018 году анонсировала электрический самолёт «Element One», в первую очередь предназначенный для транспорта четырёх пассажиров на расстояние 500-5000 км в зависимости от применяемого водорода — газообразного или жидкого. Однако с тех пор сведений о разработке машины нет.

Также молчанием сопровождается работа «APUS» — немецкой компании, ранее (2019 год) сообщившей миру о двух программах:

  1. Арена летающих испытательных стендов «APUS i-5» для гибридных электрических самолётов (совместно с «Rolls-Royce»).
  2. Разработка электрического самолёта «APUS i-2» на водородном двигателе.

Проект «APUS i-2» — четырёхместный электрический самолёт на дальность перелёта 800 км, построенный по технологии «APUS TubeStruct». Здесь конструкция позволяет повысить удельную плотность энергии на 25 % по сравнению со стандартными водородными топливными баками.

Электрическая трансмиссия на топливных элементах

Американская компания «Universal Hydrogen» работает совместно с «MagniX» над модернизацией системы «De Havilland Canada DCH-8 Q300». Речь идёт о широко применяемом типаже воздушной техники на 56 мест, которую предполагается оснастить полностью электрической трансмиссией на топливных элементах.

Электрические самолёты настоящего и будущего + канадский DCH-8 Q300
Продукт разработки инженеров Канады — гибридная версия на электрические самолёты настоящего и будущего DCH-8 Q300

Правда, по причинам больших водородных модулей, вместимость воздушного судна пришлось уменьшить до 40 мест. Электрический самолёт этой конструкции предположительно оснастят парой двухмегаваттных электродвигателей «Magnix». Водородное питание обеспечит дальность полёта до 740 км. Первый выпуск намечен на 2024 год.

Компания «Airbus» надеется разработать к 2035 году аппарат с нулевым уровнем выбросов на основе гибридной водородной трансмиссии. Модифицированные газотурбинные двигатели работают за счёт сжигания водорода на основе трёх концепций:

  1. Турбовентиляторная,
  2. Турбовинтовая,
  3. Комбинированная («крыло-фюзеляж»).

Концепция турбовентилятора использует два гибридных водородных турбовентиляторных двигателя. Концепция турбовинтового двигателя оснащена двумя гибридно-водородными турбовинтовыми двигателями. В обоих случаях используется система хранения и распределения жидкого водорода.

Третья концепция — комбинированная, отличается от традиционной конструкции. Такая машина оснащена двумя гибридными водородными турбовентиляторными двигателями, ёмкости жидкого водорода расположены под крыльями. Однако на текущий момент новой технической информации относительно проекта не имеется.

Гибридные электрические самолёты

Существует два типа гибридных электрических самолётов:

  1. Параллельный гибрид.
  2. Последовательный гибрид.

Параллельный гибрид представляет воздушное судно с электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания, работающими параллельно для обеспечения тяги. Для последовательного гибрида пропеллеры приводятся в действие одним или несколькими электродвигателями. Питание поступает от аккумуляторов или топливных элементов и от генератора на газотурбинном двигателе.

Фирма «Amaire» представляет американскую разработку — гибридный электрический самолёт «Electric EEL». По сути, имеет место модернизированная трёхместная система «Cessna 337». На борту имеются два двигателя, один из которых питается от аккумуляторной батареи. Заявленная дальность полёта — 640 км.

В рамках первого испытательного полёта (2019 год) применялась смесь обычного и электрического силовых агрегатов. Осенью 2020 года воздушное судно «Electric EEL» совершило 20-минутный перелёт на одной зарядке. Это был первый в мире демонстрационный полёт по реальному маршруту авиакомпании.

Вместе с тем, инженеры «Ampaire» также работают над будущими проектами, включая переоборудование 19-местного турбовинтового воздушного судна «DHC6». Дальность полёта этой гибридной системы составит 320 км и более на источнике питания мощностью 1 МВт. Проект поддерживается Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Планируемый запуск 2023-2024 годы.

Другой американской компанией «Zunum Aero» разрабатывается гибридный электрический самолёт, намечаемый под вывод на рынок в 2023 году. Конструкция воздушного судна на 12 мест обещает дальность полёта 1100 км. Двигатель питает электрический генератор машины.

Генератором дополнятся запас энергии в аккумуляторные батареи, чем компенсируется пиковая мощность 500 кВт на ключевых этапах полёта и на больших расстояниях. Воздушное судно сможет летать и приземляться только на турбогенераторе, что обеспечивает полное резервирование. Однако с конца 2018 года по причинам недостаточного финансирования будущее этой машины остаётся неопределённым.

Некий британский стартап «Faradair» разрабатывает 18-местный винтовой триплан «BEHA M1H». Предполагается вывод машины на рынок в 2026 году с последующим производством 300 машин к началу 2030 года. Фирма «MagniX» поставит электродвигатели гибридно-электрической техники, дополненной генератором на биотопливе.

Наконец, известные компании «Boeing» и «NASA» объявили о сотрудничестве (2017 год) в рамках «Subsonic Ultra Green Aircraft Research» с целью разработки гибридного электрического самолёта. Однако после 2017 года нет никакой информации, кроме количества посадочных мест (135) и сроков вывода на рынок (2030–2050 годы).


При помощи информации: BioFuelRegion