Электролет: история и реальность

Электролет Firefly

Можно ли создать летательный аппарат, приводимый в действие электричеством? Не модель, не игрушку, а настоящий пассажирский самолет или вертолет, способный выполнять длительные перелеты? В истории мирового и отечественного авиастроения есть примеры попытки создания такого летательного аппарата, да и в наше время работа в этом направлении не прекращается. У электролетов есть немаловажные преимущества по сравнению с «традиционными» ЛА: они не загрязняют окружающую среду, имеют низкий уровень шума и вибрации. Однако в части воплощения идеи электролета, а в особенности электровертолета, в жизнь вопросов пока больше, чем ответов. Но когда это обстоятельство останавливало конструкторскую мысль?

Еще во второй половине XIX века русские авиаторы, инженеры и конструкторы приложили немало труда, стремясь создать геликоптер, летающий на электричестве. Первенство в этом вопросе, безусловно, принадлежит отставному военному А.Н. Лодыгину. В 1869 году он выступил с проектом геликоптера, приводимого в действие электродвигателем. К сожалению, на родине изобретатель не нашел поддержки. Не удалось ему воплотить свою задумку в жизнь и во Франции, куда он отправил письмо с описанием своего изобретения. Поначалу там заинтересовались предложением русского изобретателя, поскольку собирались использовать геликоптер в военных действиях против немцев (ставился вопрос даже о производстве вертолета на заводе Крезо). Однако вскоре Франция потерпела поражение, и геликоптер Лодыгина стал не нужен. Но в любом случае дело вряд ли дошло бы до практического применения аппарата: при проведении летных испытаний наверняка выявился бы главный недостаток электрического геликоптера, не позволяющий ему летать долго и далеко – электрический двигатель, вернее, большой вес источника энергии или его недостаточная энергоемкость.

ЦАГИ-5ЭА с электродвигателями

Главной проблемой на пути создания электрической летающей машины как раньше, так и теперь является двигатель. Первый электродвигатель был создан в 1834 году русским физиком, академиком Императорской академии наук Борисом Семеновичем Якоби. Двигатель состоял из двух дисков с расположенными на них металлическими стержнями, обмотанными медной проволокой. Один диск был неподвижен, второй вращался таким образом, что его стержни проходили на расстоянии 12,7 мм от стержней неподвижного диска. Масса подвижного диска составляла 20 кг, он вращался со скоростью 80-120 об/мин. Мощность двигателя, питавшегося от гальванической батареи, была 15 Вт. В дальнейшем Якоби довел мощность двигателя до 550 Вт.

Возможности своего двигателя Якоби продемонстрировал 13 сентября 1838 года. Двигатель (он питался от батареи, состоявшей из 320 гальванических элементов), установленный на лодку, приводил в движение водяные колеса и позволял плыть против течения со скоростью 3 км/ч (в лодке находились 12 пассажиров). Позже электродвигатель установили на железнодорожную платформу, а в 1841 году – на первый электромобиль в виде тележки с мотором.

Двигатель, изобретенный Якоби, был намного легче паровых двигателей, но он оставался слишком тяжелым для того, чтобы его можно было использовать на летающих машинах.

В 30-х годах XX века разработкой привязного вертолета на электрической тяге занимался инженер-электрик, впоследствии академик Всероссийского электротехнического института, А.Г. Иосифьян. В период с 1933 по 1935 гг. он работал над моделью двухвинтового вертолета соосной схемы. Два трехлопастных винта диаметром 1,8 м с креплением лопастей к втулке с помощью горизонтальных шарниров вращались в противоположные стороны. Винты приводились во вращение специальным трехфазным асинхронным электродвигателем мощностью 520 Вт, получавшим питание от обычной электросети напряжением 220 В через гибкий кабель. Один винт вращался вместе с ротором двигателя, другой – вместе со статором. Полная масса модели была 28 кг (включая двигатель массой 11 кг).

Построенная модель была всесторонне испытана: в процессе этих испытаний меняли угол установки лопастей и измеряли развиваемую подъемную силу. Больше всего затруднений вызывала вибрация всей установки вследствие недостаточной балансировки статорной и роторной обмоток двигателя. В результате испытаний была намечена разработка электродвигателя мощностью 25-30 кВт, рассчитанного на более высокое напряжение в питающей сети.

В начале 1937 года был построен привязной электровертолет новой схемы. Модель имела трехлопастный винт диаметром 11 м, приводимый во вращение тягой небольших тянущих винтов (диаметром 0,4 м), которые размещались вместе с электродвигателями на конце каждой лопасти. Масса каждого двигателя составляла 8,3 кг, мощность – 8 кВт. Тянущие винты при этом вращались со скоростью 9000 об/мин, а несущий винт – 75 об/мин. Аппарат управлялся с помощью изменения циклического и общего шага винта за счет установленного автомата перекоса.

Проведенные в мае-июне 1937 года испытания показали, что модель при частоте вращения до 40-45 об/мин работает нормально, но после увеличения оборотов до 70-75 об/мин начиналась вибрация втулки. Дергалась ручка управления, что затрудняло контроль над машиной. Кроме того, масса аппарата оказалась превышена на 120 кг: двигатели работали с нагрузкой, почти в полтора раза превышающей ту, на которую были рассчитаны, и перегревались. Из-за перегрева двигателей вертолет мог находиться в воздухе не больше 5-10 минут и подниматься на высоту 1 м. Программа испытаний не была завершена из-за поломки аппарата.

Самым успешным вариантом стал привязной электровертолет, созданный на базе вертолета ЦАГИ-5ЭА. На него вместо двух пятицилиндровых звездообразных ротативных двигателей М-2 мощностью 120 л.с. были установлены два специально построенных особо облегченных электродвигателя, каждый из которых имел мощность 200 л.с. при 2200 об/мин. Масса одного такого электродвигателя составляла 130 кг, в то время как поршневой М-2 должен был весить около 160 кг.

Электросамолет, разработанный студентами Токийского технологического института

Yuneec E430

Основную работу по доводке и регулировке вертолета выполнял инженер В.И. Барашев. На пятитонном грузовике была смонтирована специальная электростанция, с помощью которой осуществлялось питание электродвигателей вертолета. Первые испытания привязного электровертолета проводились на земле.

Были проверены системы запуска двигателей и винта, системы переключения всей мощности на один электродвигатель. Винт при этом работал на малых углах атаки.

Электролет, который пилотировал В.А. Карпов, осуществил несколько подъемов на высоту 5-10 м. Электростанция находилась примерно в 100 м от вертолета, из-за чего летательный аппарат при подъеме должен был поднимать с собой и часть питающего кабеля.

В связи с началом Великой Отечественной войны работы по привязному электровертолету были прекращены и больше не возобновлялись.

Электродвигатель пока не нашел своего применения на вертолетах. Мы не имеем в виду радиоуправляемые модели с электродвигателем – таких великое множество. Однако сказать, что электрический силовой агрегат не используется на «взрослых» летательных аппаратах, было бы неправдой. Современные технологии позволяют все-таки их использовать, правда, в основном на самолетах. Появление энергоемких аккумуляторов, солнечных панелей, водородных топливных элементов дало возможность изобретателям, конструкторам разрабатывать такие самолеты. Вот только несколько примеров.

В 2006 году студенты Токийского технологического института совместно с компанией Matsushita Electric Industrial сконструировали электросамолет, двигатель которого работал от 160 обычных пальчиковых батареек. Электролет с размахом крыльев 32 м и весом около 50 кг поднял пилота (вес которого составлял 53 кг) на высоту 5,2 метра и за 59 секунд пролетел 391 м.

В 2009 году публике был представлен двухместный китайский электросамолет Yuneec E430. Литиевые батареи весом 72 кг позволяют двигателю развить мощность 40 кВт. При крейсерской скорости 90 км/ч электричества хватает на два с половиной часа полета на дальность около 220 км. Максимальная скорость аппарата составляет 150 км/ч. Размах крыла электросамолета – 13,8 м, длина – 6,98 м, вес пустого аппарата – 250 кг, максимальный взлетный вес – 470 кг.

В 2010 году одноместный электросамолет представила немецкая компания PC-Aero. При мощности двигателя 16 кВт этот летательный аппарат может находиться в воздухе около 3 часов, развивать максимальную скорость 160 км/ч, а с крейсерской скоростью около 130 км/ч дальность его полета составляет около 400 км.

В том же 2010 году США представили проект суперлегкого, способного к парению одноместного летательного аппарата. Этот аппарат, разрабатываемый NASA, демонстрирует, насколько кардинально электродвигатель может повлиять на идею полета. Воплощение конструкторской мысли вызывает ассоциации с «летающим костюмом» или реактивным ранцем, к которому добавлена прозрачная кабина. Проект получил название Puffin («буревестник»): эта птица так же неуклюже смотрится на земле и столь же гармонично преображается в полете. На земле Puffin опирается на хвостовое оперение, трансформированное в четыре опоры. Диаметр каждого из двух пропеллеров – 2,3 м, длина конструкции – 3,7 м, размах крыльев – 4,1 м. Вес Puffin, состоящего преимущественно из углепластиковых композитов, составляет 135 кг, и еще 45 кг добавляет батарея литий-фосфатных аккумуляторов. Крейсерская скорость летательного аппарата – 240 км/ч, до 480 км/ч на форсаже, причем отсутствие двигателя, требующего наличия воздуха в сжигаемой смеси, значительно увеличивает потенциальный потолок полета. Возможности современных батарей ограничивают дальность полета 80 километрами на крейсерской скорости, но конструкторы верят в усовершенствование технологий аккумуляторов в ближайшие 5-7 лет, что, по их мнению, позволит к 2017 году увеличить этот показатель до 240-320 км.

Двигатель электровертолета Firefly

Puffin

Возможности Puffin тем более поражают, если брать во внимание мощность используемого электродвигателя – всего лишь 60 л. с. Перечень преимуществ этого типа двигателя перед углеводородными весьма обширен: здесь и гораздо больший коэффициент полезного действия (95% против 18-23%), и меньшее количество выделяемого тепла, и низкий уровень шума. Так, на расстоянии 150 метров громкость звука от запущенного Puffin не превышает 50 дБ, что приблизительно соответствует уровню обычного разговора. Эта особенность позволяет размещать стартовые площадки персонального авиатранспорта такого типа в непосредственной близости от жилья без ущерба для его обитателей.

В области создания элетровертолета также произошло весьма знаменательное событие. Американская компания Sikorsky в августе 2010 года объявила миру о создании электрического вертолета. Самого настоящего винтокрылого аппарата, способного поднять в воздух пилота и одного пассажира. Действующий прототип электровертолета – подлинный прорыв конструкторской мысли, сопоставимый разве что с нашумевшим самолетом Solar Impulse, приводимым в действие энергией солнечных батарей. Firefly («Светлячок» – так именуется проект по созданию летательного аппарата будущего) спроектирован на базе вертолета S-300C и оснащен электрическим двигателем мощностью 190 л.с.

К сожалению, новинка, как и все разработки, находящиеся в начале своего пути, имеет существенные недостатки, но за прогрессивную идею можно простить все. Итак, емкости аккумуляторов «Светлячку» хватает лишь на то, чтобы провести в воздухе не более 15 минут. Несмотря на специальные облегченные литиево-ионные батареи на борту, подниматься ввысь машине нелегко. Тем не менее разработчики уверяют, что уже в скором времени рабочие характеристики батарей улучшатся и «Светлячок» будет способен на большее – перелеты продолжительностью 2-3 часа.

…Кто знает, может быть, в самом скором будущем жители одного и того же дома будут отправляться на работу так: один на электромобиле, другой на электровертолете. История авиации полна прогнозируемых чудес.

Алексей ПРЕСМАН По материалам СМИ

Э К С П Л У А Т А Ц И Я