RU | EN
Превью

Использование элементов криогенной техники и высокотемпературной сверхпроводимости на борту перспективных летательных аппаратов

В настоящей статье приведены сведения о перспективах применения криогенной техники и высокотемпературной сверхпроводимости на борту самолета, оснащенного преимущественно электрическими приводами. Рассмотрены технические и экономические предпосылки использования криогенной техники на борту. Освещена история разработки самолетов с криогенным топливом в КБ А.Н.Туполева. Рассмотрены перспективы применения бортовых криогенных генераторов, электроприводов компрессоров систем кондиционирования и поддержания давления, приводов гидронасосов, линейных электроприводов органов управления и автономных приводов шасси, распределительных и трансформаторных узлов, бортовой силовой электропроводки на основе материалов, обладающих свойствами высокотемпературной сверхпроводимости. Намечены пути использования в бортовых электросистемах для защиты схем, цепей и машин от воздействия электромагнитных полей высокой интенсивности эффекта Мейснера, состоящего в вытеснении внешнего магнитного поля из объема сверхпроводников. Низкая температура, малая масса и потери в электромашинах позволят проводить все виды преобразований и передачи электроэнергии с более высоким КПД, исключив непроизводительные потери в виде нагрева и падения напряжения.

Перспективные требования к гражданским воздушным судам диктуют в перспективе ближайших двух десятилетий снижение всех наиболее критических параметров (удельных расходов топлива в расчете на одно кресло, уровней шума, уровней выбросов) на величины от нескольких десятков процентов до нескольких раз [1-2].

 

Учитывая динамику внедрения технологических новшеств за последние десятилетия и анализируя предельные характеристики существующих схем очевидно, что достижение целевых показателей 2035 года и далее возможно исключительно за счёт применения принципиально новых схем и технических решений, обеспечивающих революционный скачок характеристик и при этом обладающих приемлемой стоимостью разработки, внедрения, производства и эксплуатации [3-5].

 

Необходимо также иметь в виду, что сложившаяся де факто на наиболее емких рынках среднемагистральных и дальнемагистральных самолетов дуополия Боинг и Эрбас имеет огромный портфель заказов на десятилетия вперед и не склонна к технологическим новшествам в ситуации, когда огромные рынки поделены практически пополам. Любому новому игроку, либо старому, желающему сделать впечатляющий рывок относительно конкурента, необходимо вывести на рынок продукт с существенно лучшими характеристиками, что в свою очередь можно сделать, только применяя принципиально новые технологии.

 

Одним из направлений существенного улучшения характеристик транспортных самолетов еще два десятилетия назад рассматривалось применение на борту криогенных топлив [6]. В Советском Союзе, в конструкторском бюро имени Андрея Николаевича Туполева были созданы опытные образцы самолетов с двигателями (рис.1), работающими на сжиженном природном газе и сжиженном водороде. При этом было решено множество технологических, технических и эксплуатационных проблем, и результатом явились первые в мире полёты самолетов на криогенных топливах. Новинкой заинтересовалась фирма Эрбас, однако последующие изменения общественно строя и распад промышленности с последующей монополизацией рынка западными компаниями сделали эти эксперименты ненужными.

Безымянный

Рис.1. Самолет ОКБ "Туполева", использовавший сжиженный природный газ.

 

Еще одним, более новым направлением повышения эффективности стала концепция «электрического самолета» [7,8], частично опробованная и на практике (рис.2).

1
Рис.2.
 

Суть её в расширенном применении на борту электромеханизмов и электроприводов с генераторами, приводящих к увеличению веса пустого самолета, но позволяющих экономить топливо на маршрутах в количествах, превышающих увеличение веса пустого самолёта. В наиболее радикальных проектах перспективных двухконтурных воздушно-реактивных двигателей даже предусматривается электрический привод первой ступени компрессора низкого давления, вентилятора (рис.3а) или вынесенного винтовентилятора (Рис.3б). С элементами электрического самолета на борту выполнены Боинг 787, Эрбас 380 и 350. Результаты внедрения концепции неоднозначны, приводят к снижению надежности судов, при том, что выигрыш в эффективности перевозок оказывается весьма незначительным в широком диапазоне условий эксплуатации.

 

Усовершенствовать концепцию электрического самолета целесообразно путем увеличения кпд электромашин и снижения их веса. Наиболее перспективный путь в этом направлении – применение высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), переходящих в ВТСП состояние при температуре, обеспечиваемой жидким азотом, на уровне 70-90 К.

 
3
Рис.3. Применение силовых электроприводов в перспективных силовых установках летательных аппаратов нового поколения.
а) - воздушно-реактивный двигатель с электрическим приводом вентилятора,
б) - силовая установка с вынесенным электроприводом винтовентилятора.
 

Опыт создания криогенных электромашин имеется в России, к тому же наша страна является одним из крупнейших поставщиков ВТСП-материалов на мировой рынок [9]. Расчетные и экспериментальные ценки показывают, что весовые и габаритные характеристики криогенных электромашин на ВТСП-материалах в несколько раз ниже обычных (рис.4), даже с учетом необходимости криостатирования из конструкций.

 

Представляется перспективным создание криогенных генераторов, электроприводов компрессоров систем кондиционирования и поддержания давления, приводов гидронасосов, линейных электроприводов органов управления и автономных приводов шасси, распределительных и трансформаторных узлов. Низкая температура, малая масса и потери в электромашинах позволят проводить все виды преобразований и передачи электроэнергии с более высоким КПД, исключив непроизводительные потери в виде нагрева и падения напряжения.

4

Рис.4. Сравнение современного авиационного электропривода (а) и перспективного (б), выполненного с применением компонентной базы на основе SiC. М 1:2.

 

Также целесообразно применение бортовой силовой электропроводки на основе ВТСП материалов. Это позволит снизить вес проводки, увеличить передаваемую мощность, снизитьвес защитных устройств.

 

Необходимо отметить, что представляется весьма выгодным использовать в бортовых электросистемах эффект Мейснера (рис.5), состоящий в вытеснении внешнего магнитного поля из объема сверхпроводников, что позволит реализовать защиту схем, цепей и машин от воздействия электромагнитных полей высокой интенсивности.

5
Рис.5. Вытеснение сверхпроводником магнитного поля.
 

Проводник в сверхпроводящем состоянии, в отличие от идеального проводника, ведет себя как диамагнетик. Возникновение этого эффекта связано с тем, что при внесении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникают вихревые токи индукции, магнитное поле которых полностью компенсирует внешнее поле (как в любом диамагнетике). Но индуцированное магнитное поле само также создает вихревые токи, направление которых противоположно токам индукции по направлению и равно по величине. В результате в объеме сверхпроводника отсутствуют и магнитное поле, и ток. Если нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре, внести в магнитное поле, то в соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл. Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Реализовать эффект можно двум путями. Первый: при понижении температуры проводник переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из проводника. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в проводник, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется (рис.6).

 
6
Рис.6.
 

Кроме того, использование в качестве хладагента жидкого азота в случае аварий, связанных с разрушением и коротким замыканием цепей и обмоток создает вокруг очага разрушения нейтральную среду, практически полностью блокирующую способность чего либо к возгоранию. Испаряющийся азот мог бы быть использован в системах наддува нейтральным газом надтопливного пространства в баках, а также как рабочее тело систем пожаротушения во всех опасных отсеках и полостях самолета.

 

Обеспечение стартового захолаживания электромашин и кабельных трасс предполагается обеспечивать прокачкой жидкого азота одновременно с заправкой, поддержание низкой температуры хладагента в полете можно обеспечить бортовыми криогенераторами, весьма близкими конструктивно к используемым длительное время турбохолодильникам систем кондиционирования самолётов. Учитывая тот факт, что забортный воздух в крейсерском полете дозвукового самолета имеет весьма низкую температуру (до – 60 градусов), его использование в качестве рабочего тела и хладагента при теплообмене в криогенераторах позволяет поднять энергоэффективность такой схемы. Наиболее радикальным проектов в данной области является комбинированный турбо-ракетный двигатель SABRE фирмы Reaction Engines Ltd (Рис.7), который стал логическим завершением серии работ над гибридными двигателями по европейской программе многоразового воздушно-космического самолета HOTOL. Двигатель представляет собой ЖРД, работающий по схеме «газ+газ» с дожиганием газогенераторного газа, окислитель (жидкий кислород) производится прямо на борту из атмосферного воздуха.

7
Рис.7. Турбо-ракетный двигатель SABRE фирмы Reaction Engines Ltd.
 

Компонентами топлива являются горючее - жидкий водород, окислитель - жидкий кислород + атмосферный воздух. Турбокомпрессор, сжимающий атмосферный воздух, приводится в действие при помощи автономной турбины замкнутого цикла, работающей за счет расширения жидкого гелия. Вся система работает следующим образом (рис.8). Жидкий водород подается в газогенератор. Туда же поступает в зависимости от высоты полета, либо атмосферный воздух, либо жидкий кислород. Генераторные газы и окислитель поступают в камеру сгорания ЖРД, при этом в теплообменнике HX3 (рис.8) они, за счет передачи избыточного тепла, газифицируют жидкий гелий. Пары гелия под высоким давлением используются для привода, либо турбокомпрессора, либо насоса жидкого кислорода.

 

При полете на атмосферном участке пары гелия после автономной турбины поступают в теплообменник HX4, где сжижаются за счет контакта с жидким водородом, затем посредством теплообменника в воздухозаборнике охлаждают атмосферный воздух, поступающий в турбокомпрессор. Снижение температуры воздуха перед турбокомпрессором позволяет повысить степень сжатия в нем до 40-45. В результате, турбина может работать до чисел Маха=5-6.

8

Рис.8. Схема работы комбинированного криогенного турборакетного двигателя.

 

В конце 2013 года на базе ОАК был проведен научный совет РАН по сверхпроводимости, который подтвердил рад выводов в частности и перспективность применения высокотемпературной сверхпроводимости в авиации в целом.

 

Таким образом представляется, что применение в бортовых системах криогенных электромашин и приборов позволит повысить эффективность применения концепции электрического самолета путем снижения веса систем и повышения кпд.

 

Разработана дорожная карта внедрения сверпроводящих метриалов и эффектов с использованием сверхпроводимости в авиационную технику.

 

На первых порах предполагается провести детальный проектный расчет бортовой электросистемы самолёта с использованием эффектов сверхпроводимости и использованием бортового криогенератора для термостатирования в полете. В процессе расчетов будут определены проектные параметры различных элементов систем, необходимые для формирования частных технических заданий, а также будет оценена в первом приближении эффективность таких систем при размещении на борту с учетом необходимости всего объема необходимого оборудования и всего спектра решаемых попутно задач.

 

Следующим шагом предполагается создание опытных образцов ключевых элементов системы, например, эффективных малогабаритных теплообменников (рис.9), криогенератора и генератора электрического тока с использованием ВТСП материалов для отработки на наземных стендах с целью апробации технологий проектирования и изготовления. Предполагается создать опытный генератор и криогенератор для вспомогательной авиационной силовой установки, являющейся газотурбинным двигателем малого размера и позволяющем на практике почувствовать все особенности функционирования криогенных систем радом с двигателями. Кроме того, масса генератора ВСУ составляет существенную долю массы самой машины (до 20%), и применение облегченного генератора с использованием ВТСП позволит получить существенное снижение общей массы системы.

9
Рис.8. Перспективный теплообменник для бортовой криогенной машины (а) и микроканальный модуль для него (б).
 

С учетом сказанного выше, очевидно, что в случае использования на самолете криогенных топлив применению в системах самолета сверхпроводящих электромашин на высокотемпературных сверхпроводниках практически нет альтернативы. Это применение становится гораздо более выгодно энергетически, а совокупный эффект от внедрения этих двух новшеств позволит достичь тех самых целевых показателей топливной и экологической эффективности, которых невозможно добиться прочими, менее радикальными усовершенствованиями.

 

На сегодняшний день у нас есть все, чтобы приступить к разработке двух упомянутых технологий и проверки их эффективности в летных испытаниях на летающих лабораториях. Успех в их разработке и внедрении позволит вывести на мировой авиационный рынок продукты с революционной эффективностью и вернуть в авиацию принцип: с каждой новой машиной мы должны летать дальше, выше, быстрее!

 

Литература

1. Chernyshev S. TSAGI RESEARCH CAPABILITIES TO ADDRESS AVIATION ENVIRONMENTAL IMPACT ISSUE. TsAGI, Russia. JAXA Aeronautics Symposium in Nagoya. 14.10.2012.

2. Булат П. В., Ильина Е.Е. О проблеме создания детонационного двигателя – современные тенденции в аэрокосмическом двигателестроении / П. В. Булат, Е.Е Ильина // Журн.Фундаментальные исследования – 2013. – №. 10, Ч 10. – С. 2140–2142.

3. Фалалеев С.В. Современные проблемы создания двигателей летательных аппаратов: электронное учебное пособие, Самарский гос.аэрокосм.ун-т им. С.П.Королева- Самара, 2012 - 102 с.

4. Boeing ERA N+2 Advanced Vehicle Concept Results. John T. Bonet, Program Manager 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting, January 11, 2012, GEPC-02, NASA Environmentally Responsible Aviation: Technologies and Integrated Vehicle Solutions.

5. Бюшгес Г.С., Дмитриев В.Г. Из книги "О работах ЦАГИ. 1970-2000 годы и перспективы". Аэромеханика и теплообмен. №2, 2001, с.81-98.

6. В. А. Андреев, В. Д. Борисов, В. Т. Климов, В. В. Малышев, В. Н. Орлов. "Внимание - Газы. Криогенное Топливо Для Авиации". М., "Московский рабочий", 2001 244 с., илл.

7. Dr. Dale Carlson. GE Aviation:Perspectives on Clean, Efficient Engines. May 7, 2013.

8. Cesar A. Luongo, Senior Member, IEEE, Philippe J. Masson, Senior Member, IEEE, Taewoo Nam, Dimitri Mavris, Hyun D. Kim, Gerald V. Brown, Mark Waters, David Hall. Next Generation More-Electric Aircraft: A Potential Application for HTS Superconductors; IEEE/CSC & ESAS European Superconductivity News Forum (ESNF), No. 6, October 2008, (ASC Preprint 2AP01 conforming to IEEE Policy on Electronic Dissemination, Section 8.1.9.

9. http://www.superox.ru/products/12-vtsplenta-2go-pokoleniya/.

 

Скачать PDF версию

  • Безымянный

    Практика проектирования газовых подшипников Ч. I. Обзор газовых подшипников

    В настоящей статье рассмотрены перспективы применения газовых подшипников. Определилось несколько областей техники, в которых использование подшипников на газовой смазке считается наиболее целесообразным: микротурбины для распределенных энергетических систем, криогенная техника, турбохолодильные агрегаты и детандеры. В двух последних случаях важным является отсутствие загрязнения газов и продуктов охлаждения масляной смазкой. Рассмотрены история разработки бесконтактных газовых подшипников, практика их проектирования, существующая классификация и методы расчета. Приведены базовые сведения о типичных конструктивных решениях при проектировании газовых подшипников. Рассмотрены преимущества гибридных газовых подшипников, совмещающих достоинства газодинамических и газостатических подшипников. Показано, что применение гибридных газовых подшипников позволяет преодолеть основной недостаток холодильных машин и детандеров, оснащенных лепестковыми и фольговыми газодинамическими подшипниками, – недостаточную производительность из-за низкой несущей способности подшипника.

    Подробнее
  • 1

    Практика проектирования газовых подшипников Ч. II. Проектирование и методика расчета гибридных подшипников

    В статье рассмотрена практика проектирования и расчета гибридных подшипников, включая определение грузоподъемности, учет динамических режимов работы. Дана постановка прямой задачи расчета, в ходе которой по заданной геометрии сегмента подшипника и толщине смазочного слоя вычисляются распределение сил давления, полей скорости и определяется равнодействующая сил давления, действующих на сегмент. При решении обратной задачи дан алгоритм определения параметров подшипника по заданной несущей способности и расходу рабочего тела. Отдельное внимание уделено расчету свободно поворачивающихся самоустанавливающихся сегментов, которые при вращении обеспечивают создание дополнительной подъемной силы за счет эффекта Бернулли. Приведены сведения об оптимизации формы сегмента и системы подачи воздуха сегментного гибридного подшипника. Продемонстрированы преимущества подшипника с замкнутым контуром и серповидным соплом. Рассмотрены основные виды нестационарных движений вала: полускоростной вихрь, параметрический резонанс, эффект Зоммерфельда, биения. Продемонстрировано «квантование» предельных циклов прецессирования ротора при различных уровнях начальных возмущений.

    Подробнее