ОБЗОР ПИЛОТИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОСАМОЛЕТОВ И РАССМОТРЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются цели, проблемы и перспективы создания пилотируемой электрическоц авиации. Проведен сравнительный анализ электросамолетов различных стран, находящихся как на стадии проектирования, так и эксплуатации с целью определения перспективных направлений применения данных летательных аппаратов исходя из уровня научно-технического задела. В заключении рассмотрена концепция электрического учебно-тренировочного самолета.

Ключевые слова: электрическая авиация, пилотируемые электросамолеты, экологически чистый транспорт, учебно-тренировочный самолет, сравнительный анализ, аккумуляторные батареи, электрическая силовая установка.

Введение

Авиационный транспорт является одним из ключевых элементов современной глобальной транспортной системы, обеспечивающий высокую скорость перемещения людей и грузов на большие расстояния. Однако интенсивное развитие авиации сопровождается значительным воздействием на окружающую среду, которое приобретает всё более масштабный характер. Авиация является значительным источником выбросов парниковых газов, главным образом углекислого газа (CO₂) и водяного пара. Согласно исследованиям, выбросы от авиации составляют около 2,5% всех антропогенных выбросов парниковых газов [1]. Однако особенностью авиационных выбросов является их локализация в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы, где их воздействие на климат усиливается.

Исследование частной авиации показало, что только в 2023 году 25 993 частных самолета выбросили в атмосферу 15,62 миллиона тонн углекислого газа. За последние четыре года количество таких самолетов выросло почти на треть, а объем их выбросов увеличился на 46% [2].

Таким образом, авиация, использующая двигатели внутреннего сгорания, сталкивается с ужесточением экологических норм и высокой стоимости топлива. В этом контексте одной из перспективных альтернатив является создание летательных аппаратов с электрической силовой установкой.

В связи с этим предлагается рассмотреть существующие пилотируемые летательные аппараты с электрической силовой установкой, с целью определения наиболее рациональных задач применения и концепции перспективного электросамолета с учетом достигнутого этапа развития технологий АКБ.

Основная часть

Летательные аппараты с электрической силовой установкой обладают рядом преимуществ, такими как:

• отсутствие вредных продуктов сгорания топлива;
• уменьшение шума;
• быстрый отклик и точное управление тягой двигателей;
• надежность ввиду простоты конструкции силовой установки;
• меньшая интенсивность вибраций, что повышает усталостную прочность конструкции планера;
• снижение стоимости летного часа за счет дешевой и доступной электроэнергии;
• снижение затрат на осуществления контроля за качеством поставляемого топлива, не нужно проверять качество топлива, проводить всевозможные экспертизы горючего в специализированных лаборатории;
• аккумуляторные батареи проходят проверку на заводе-изготовителе с присвоением соответствующего заключения, после чего эксплуатируются без проверок до истечения ресурса.
• уменьшение затрат на ТО, возможность быстрой замены разряженных батарей и минимального времени нахождения на земле.

На данный момент массовое внедрение сдерживается в большей степени научно-техническим заделом в области энергоемкости аккумуляторных батарей, при этом уже на данный момент разрабатываются и испытываются новые принципы запасания электроэнергии, способные более чем на порядок повысить эффективность электрической силовой установки [3].

Помимо повышения энергоемкости АКБ существует вопрос их утилизации при отработке ресурса. На данный момент вследствие увеличения масштабов производства и эксплуатации электроавтомобилей и иной техники, использующей АКБ в виде основного источника энергии, ведутся исследования в данной области и по всему миру осуществляется строительство заводов по переработке АКБ [4], [5].

В конечном итоге, при массовом использовании электросамолетов, данные проблемы будут решены. Но несмотря на недостатки на данном этапе развития технологий, уже существуют пилотируемые летательные аппараты с электрической силовой установкой, находящиеся как на стадии проектирования, так и непосредственно в эксплуатации. При этом, согласно прогнозам, мировой рынок электросамолетов к 2030 году достигнет $30,8 млрд по сравнению с $8,5 млрд в 2021 году [6], а также стоимость летного часа электросамолета Bye Aerospace eFlyer 2 будет в шесть раз ниже, чем у наиболее массового самолета схожей категории Cessna-172 с поршневым двигателем [7].

Проанализируем существующие электросамолеты различных стран. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительный анализ параметров электросамолетов

На основании таблицы можно сделать вывод, что большинство электросамолетов имеют крейсерскую скорость 160–220 км/ч. Дальность полета напрямую зависит от массы АКБ и практически не превышает 500 км и в среднем составляет 250 км.

Также из таблицы видно, что доля АКБ достигает 30% взлетной массы, что выше, чем у топлива в традиционной авиации. Также увеличение взлетной массы приводит не к увеличению массы полезной нагрузки, а к увеличению массы АКБ.

Таким образом, можно выделить следующие возможные с технической точки зрения направления для создания пилотируемых самолетов с электрической силовой установкой:

1. Региональные коммерческие электросамолеты в следствие резкого роста относительной массы АКБ с увеличением дальности полета имеют малую или сопоставимую эффективность с летательными аппаратами с традиционными силовыми установками.
2. Внедрение аэротакси на данный момент затруднено ввиду недостающего развития законодательства в области безопасности осуществления полетов, а также необходимости создания инфраструктуры для осуществления взлета и посадки в городской среде.
3. Учебно-тренировочные самолеты выполняют полеты на малую дальность и эксплуатируются вдали от населенных пунктов.

В свою очередь, обучение летного состава является одной из ключевых задач развития авиации. На протяжении всей истории авиации разрабатывались специализированные самолеты для обучения летчиков, к которым предъявлялись особые требования. Любой учебно-тренировочный самолет (УТС) должен быть прост в управлении, обладать высокими взлетно-посадочными характеристиками, что позволит летчику получить первоначальные навыки пилотирования и подготовить его к переходу на следующие типы летательных аппаратов (ЛА).  Также УТС должен быть прост и дешев в изготовлении для возможности выпуска большой серией. Наконец, такой самолет должен быть прост в обслуживании и ремонте.

В настоящее время в России в качестве УТС для первоначального обучения используются морально устаревшие самолеты, такие как Як-18Т, Ан-2. Их эксплуатация и ремонт осложнен небольшим количеством специализированных авиаремонтных заводов на территории страны и малым количеством выпускаемых деталей и агрегатов.

Для первоначального обучения летчиков используется и современная техника – самолеты Diamond DA-40, Diamond DA-42, однако в последнее время их обслуживание осложнено ввиду санкций. Таким образом, становится очевидной необходимость разработки современного российского УТС.

Исходя из анализа современного уровня развития технологий, технически возможно создать электросамолет с полезной нагрузкой 160-200 кг (2 члена экипажа), крейсерской скоростью полета 120-160 км/ч и дальностью полета 150-250 км. В данном самолете могут быть использованы хорошо зарекомендовавшие себя литий-ионные аккумуляторы, энергоемкость которых достигает 250-300 кВт*час. В будущем с появлением новых типов АКБ возможна модернизация всего существующего парка самолетов без существенной переработки планера самолета, что открывает перспективы по улучшению и подчеркивает большой потенциал разработки электрического УТС.

Рассмотрим подробнее самолеты-аналоги, решающие подобную задачу, с целью сравнения их характеристик:

1. Velis Electro – легкий электрический самолет, разработанный и произведенный словенской компанией Pipistrel для учебно-тренировочных полетов. В июне 2020 года самолет получил сертификат типа EASA CS-LSA. Это первый сертифицированный электрический самолет, который поставляется полностью готовым к эксплуатации.

Самолет создан на базе планера самолета Pipistrel Virus, имеет свободнонесущее высокорасположенное крыло, двухместный салон, доступ в который осуществляется через боковые двери. Самолет оснащен не убираемым трехопорным шасси и одним электродвигатель в носу фюзеляжа.

Конструкция самолета получила сертификат Агентства по авиационной безопасности Европейского союза (EASA) на дневные визуальные полеты 10 июня 2020 года.

Планер самолета изготовлен преимущественно из композитных материалов. Силовой установкой является электродвигатель Pipistrel E-811 с жидкостным охлаждением, мощностью 77 л.с. в течение 90 секунд для взлета и 66 л.с. для непрерывной работы. Двигатель питается от двух литиевых батарей Pipistrel PB345V124E-L с жидкостным охлаждением, 345 В постоянного тока, 11,0 кВт*ч, соединенных параллельно. Одна батарея установлена в носу, а другая — за кабиной для обеспечения балансировки самолета. Для перезарядки с 30% до 100% требуется 2 часа. Радиатор установлен в носовой части. Имеет встроенную систему непрерывного мониторинга состояния систем самолета. Velis Electro имеет максимальный уровень шума 60 дБ. Масса пустого самолета – 428 кг, полезная нагрузка – 172 кг, взлетная масса – 600 кг.

Самолет находится в серийном производстве, Первый самолет был поставлен 16 июля 2020 года заказчику в Швейцарии.

В августе и сентябре 2020 года группа швейцарских энтузиастов электромобильности при поддержке производителя совершила на Velis Electro серию полетов, которые должны быть признаны мировыми рекордами. В ходе полетов были заявлены рекорды по самому низкому энергопотреблению (22,76 кВтч / 100 км), максимальной средней скорости на маршруте 100 км (136 км/ч) и 700 км (125 км/ч), самому длинному маршруту с электрическим полетом за 24 часа (327 км), 48 часов (608 км) и 56 часов (839 км).

2. PC-Aero Elektra Trainer – это электрический самолет немецкого производителя elektra solar. Elektra Trainer представляет собой двухместный легкий самолет, выполненный из композитных материалов, выполненный по схеме своднонесущего низкоплана. За его основу взят планер самолета Elektra One. Самолет имеет закрытую кабину с двумя сиденьями, расположенными рядом друг с другом, доступ к которым осуществляется через откидной фонарь. Версия самолета RG имеет убираемые основные опоры шасси и неубираемую переднюю опору. Версия самолета FG имеет неубираемые шасси. Силовая установка представляет собой электрический двигатель, установленный в носу фюзеляжа. Силовая установка состоит из двух частей, в зависимости от конструкции. Двигатель, система управления двигателем и аккумулятор состоят из двух резервных подсистем. Источник питания с двойным резервированием также предназначен для авионики и автопилота.

Размах крыла составляет 14,5 м, площадь крыла 11 м². Крыло оснащено закрылками, которые снижают скорость сваливания с 91 км / ч до 82 км / ч. Масса снаряженного самолета – 422 кг, взлетная масса – 600 кг, масса полезной нагрузки – 178 кг.

Утвержденная силовая установка представляет собой 65-вольтовый сдвоенный двигатель от Geiger Engineering мощностью 50 кВт. Двигатель приводит в движение трехлопастной винт изменяемого шага. Самолет имеет максимальный уровень шума менее 50 дБ. Зарядка после 50 минут полета с 66% до 100% занимает 35 минут при мощности зарядки 18 кВт. Цифровая авиационная платформа (DPA) постоянно отслеживает состояние самолета и автоматически активирует защитные процедуры в критических ситуациях. Также для самолета разработана портативная зарядная станция мощностью 12 киловатт, которую можно перевозить в багажном отделении.

19 января 2023 года прототип стал первым двухместным самолетом с полностью электрической силовой установкой, получившим индивидуальное одобрение Немецкой ассоциации ультралегких авиаперевозчиков (DULV) в качестве уполномоченного Федерального министерства цифровых технологий и транспорта (BMDV) и имеет номерной знак D-MYET.

3. Bye Aerospace eFlyer 2 – это легкий электросамолет, разработанный американской компанией Bye Aerospace. Это двухместный самолет предназначен для обучения пилотированию и оснащен одним электродвигателем, работающим от литий-ионных аккумуляторов. Впервые самолет был представлен 11 мая 2016 года, а первый полет состоялся 10 апреля 2018 года.

Планируется сертификация самолета в соответствии с нормами FAR-23. Самолет поставляется в виде полностью готового к полету воздушного судна. Он был разработан специально для сегмента летного обучения и рассчитан на 3,5 часа полета. eFlyer 2 выполнен по схеме свободнонесущий низкоплан. Самолет имеет закрытую двухместную кабину с расположением экипажа в конфигурации «бок о бок». Доступ в кабину осуществляется через откидной фонарь. Самолет оснащен неубираемым трехопорным шасси. Силовая установка – электродвигатель в носу фюзеляжа. АКБ представляет собой сборку из шести литий-ионных аккумуляторов.

Масса пустого самолета составляет 860 кг. Планер самолета выполнен из композитных материалов, большей частью из углеродного волокна. В качестве приборов в кабине используется iPad, который отображает показания приборов, включая двигатель, аккумулятор и системы самолета. Самолет подключается к системе Redbird Flight Simulations Sidekick, которая в режиме реального времени отслеживает параметры работы двигателя, а также параметры полета, такие как время полета, местоположение и курс.

В качестве силовой установки применяется двигатель Siemens SP70D массой 26 кг и номинальной мощностью 90 кВт (120 л. с.) и продолжительной мощностью 70 кВт (94 л. с.). Аккумуляторные батареи компании Electric Power Systems имеют емкость 92 кВт*ч. В их состав входят аккумуляторные модули, системы управления и распределения. Ожидается, что стоимость часа полета самолета со скоростью 250 км/ч будет в шесть раз ниже, чем у Cessna 172 с поршневым двигателем.

На основании изучения самолетов-аналогов была составлена сравнительная таблица с их характеристиками. Из таблицы видно, что самолеты Velis Electro и Elektra Trainer имеют одинаковую взлетную массу. Тем не менее, самолет Elektra Trainer оснащен менее мощным двигателем, в результате чего обладает меньшей скоростью полета на корейском режиме. В то же время его дальность полета в 2 раза превышает дальность Velis Electro, откуда можно сделать вывод, что самолет обладает лучшим весовым совершенством, что позволило увеличить относительную массу АКБ. Самолет Bye Aerospace eFlyer 2 превосходит свои аналоги по взлетной массе, дальности и крейсерской скорости полета. Таким образом, данный самолет может использоваться для большего разнообразия полетных заданий, что делает его более выгодным для обучения пилотов.

Таблица 2.

Характеристики самолетов-аналогов

Таким образом, основным назначением перспективного учебного электросамолета является первичная категория обучения пилотов, в цели которой входит: обучение технике пилотирования при полете по кругу и выполнение простого пилотажа, обучение полетам на критически малых скоростях, обучение основам навигации при полете в простых и сложных метеоусловиях, отработка взлета и посадки на короткие специально подготовленные взлетно-посадочные полосы.

Основные требования:

• полезная нагрузка 160 кг (пилот-инструктор и обучаемый пилот);
• практический радиус полета 150 км;
• крейсерская скорость полета 150 км/ч;
• крейсерская высота полета 2 км.

Концепция данного летательного аппарата может состоять из следующих инженерных решений:

• высокоплан с поверхностями больших радиусов в местах сочленения с фюзеляжем для уменьшения сопротивления интерференции и большей поперечной устойчивости самолета;
• прямое крыло с эллиптическим распределением циркуляции для уменьшения индуктивного сопротивления и профилями, имеющими минимальное сопротивление трения;
• распределенная силовая установка с маршевым и вспомогательными двигателями, интегрированными в переднюю кромку крыла вдоль всего размаха, для выполнения функции обдува крыла, что в свою очередь позволит снизить посадочную и взлетную скорость, уменьшить площадь механизации и крыла в целом с целью уменьшения сопротивления на крейсерском полете;
• электропривод на колесе носовой опоры шасси для меньших затрат энергии АКБ ввиду большей эффективности по сравнению с воздушными винтами на разбеге самолета и выработки электроэнергии в режиме рекуперации при пробеге.

Заключение

Проведенный анализ современных пилотируемых электросамолетов позволил выявить ключевые тенденции и ограничения, связанные с развитием электрической авиации. Несмотря на значительные преимущества, такие как: экологическая чистота, низкий уровень шума, снижение затрат на эксплуатацию и ремонт, повышение надежности силовой установки, массовое внедрение электрических летательных аппаратов сдерживается в первую очередь технологическими ограничениями в области энергоемкости и вопросов утилизации аккумуляторных батарей.

Сравнительный анализ показал, что существующие электросамолеты обладают сравнительно небольшой дальностью полета (до 500 км) и полезной нагрузкой (15–25%), что делает их малоэффективными для коммерческих региональных перевозок на данном этапе. Однако они демонстрируют высокую эффективность в нише учебно-тренировочной авиации, где требования к дальности и скорости полета значительно ниже.

Таким образом, разработка и внедрение электрических учебно-тренировочных самолетов представляется наиболее перспективным направлением развития пилотируемой электрической авиации на ближайшие годы, способствующим как подготовке кадров, так и снижению негативного влияния авиационной отрасли на экологию.

Список литературы:

1. Воздействие авиации на окружающую среду и устойчивые решения. URL:https://sigmaearth.com/ru/воздействие-авиации-на-окружающую-среду-и-устойчивые-решения/
2. Частные джеты выбросили 15 миллионов тонн углекислого газа в 2023 году. URL:https://nplus1.ru/news/2024/11/07/private-jets-carbon-emissions
3. Новые виды батарей 9 самых многообещающих технологий. URL:https://digitalocean.ru/n/tablica-elementov
4. Аккумуляторный завод берется за батареи для электрокаров. URL:https://vestikamaza.ru/posts/akkumulyatornyj_zavod_olega_korobchenko_beretsya_za_batarei_dlya_elektrokarov/
5. Полный процесс переработки и повторного использования аккумуляторов электромобилей. URL:https://tinyurl.com/9jpfa8c8
6. Крупнейшие авиапроизводители переходят на электросамолеты не только для снижения выбросов. URL:https://www.mn.ru/smart/krupnejshie-aviaproizvoditeli-perehodyat-na-elektrosamolety-ne-tolko-dlya-snizheniya-vybrosov-k-2030-rynok-dostignet-308-mlrd
7. Bye Aerospace eFlyer 2 Review. URL:https://ev.motorwatt.com/ev-database/flying-electric-vehicles/bye-aerospace-eflyer-2
8. Pipistrel Alpha Electro Technical Manual (2023).
9. Airbus E-Fan X Program Report (2022).
10. ЦАГИ. Отчет по проекту ЭРА-1 (2024).
11. BloombergNEF. Electric Aircraft Market Outlook (2024).
12. ICAO 2023 Report on Electric Aviation
13. NASA Technical Memorandum "Energy Balance in Electric Aircraft" (2024)
14. J. Electrochem. Soc. 2024, "Next-gen Aviation Batteries"
15. AIAA 2023, "Mass Optimization Techniques for e-aircraft"