"Зеленая авиация": новая разработка московских ученых позволит строить тихие и экологичные самолеты

Ученые создали и испытали маломасштабный демонстратор сверхпроводниковой системы, который позволит строить более экономичные по потреблению топлива самолеты. Сверхпроводниковые системы нужны для создания экологически нейтральных летательных аппаратов с количеством пассажиров более 70 человек. Над демонстратором работали специалисты Московского авиационного института (МАИ).

Демонстратор представляет собой канал генерирования постоянного тока напряжением 540 В и является системой, состоящей из пяти устройств:

• сверхпроводящий генератор,
• сверхпроводящий кабель,
• выпрямительное устройство,
• накопитель энергии,
• система криогенного охлаждения.

Все это — разработки различных подразделений Московского авиационного института.

«Таких систем в мире пока нет. Конкурентом можно считать проект Ascend, который реализует Airbus. По заявлениям разработчиков, первые испытания этой системы должны начаться в 2023 году. Можно сказать, что мы немного обгоняем наших западных коллег», — говорит начальник НИО-310 МАИ «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Николай Иванов.

Со слов разработчиков, особенность системы еще и в том, что каждое из пяти упомянутых устройств само по себе уникально. Например, выпрямительное устройство имеет криогенное охлаждение: исследованием подобных устройств в мире занимаются всего несколько научных групп.

Сверхпроводниковый кабель имеет уникальную конструкцию, которая призвана повысить его рабочие характеристики.

Система криогенного охлаждения замкнутого типа позволяет производить непрерывное длительное охлаждение устройств.

Генератор имеет сверхпроводниковую обмотку якоря, которая стала предметом исследований, — например, до сих пор нет сложившейся теории и методики расчета потерь в ней.

Разработанный прототип сверхпроводниковой системы — это элемент системы электроснабжения или электродвижения будущих летательных аппаратов. Его расположение на борту самолета будет существенно зависеть от компоновки аппарата, передаваемой мощности, уровня температуры и других параметров. При этом снижение уровня вредных выбросов будет реализовано в первую очередь за счет снижения потребления топлива газотурбинным двигателем и оптимальным распределением мощности между тепловой и электрической энергией.

По словам ученого, на данным момент демонстратор прошел все запланированные испытания. Полученные экспериментальные данные в дальнейшем позволят увеличить надежность и эффективность сверхпроводниковых систем, так как при работе сверхпроводящей системы даже любая мелочь, будь то всплеск тока, колебание температуры, чрезмерные вибрации, могут привести к нештатной ситуации.

Следующий глобальный шаг — переход к опытной эксплуатации. Разработчики, в первую очередь, смотрят в сторону авиационных систем. Потенциальными заказчиками следующего этапа работ могут стать научно-исследовательские институты соответствующего направления.

«Для себя мы ставим задачу постановки подобных систем в опытную эксплуатацию. Это сложная задача. И в первую очередь она связана именно с определением законов взаимного влияния устройств в системе. Кроме того, очень важно разработать методы предиктивного анализа (мониторинга состояния) сверхпроводниковых устройств», — уточняет Николай Иванов.

Проект был запущен в 2020 году, он стал одним из победителей конкурса Минобрнауки России на предоставление грантов в форме субсидий на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития.

Коллектив ученых составляет порядка 150 человек. Это и опытные специалисты, доктора и кандидаты наук, а также молодые ученые, аспиранты и студенты МАИ. К работе также привлечены специалисты Института теплофизики СО РАН, выполняющие исследования в области создания высокоэффективных и реализуемых на практике методов интенсификации теплообмена и повышения предельно отводимых тепловых потоков при кипении и свободной конвекции в криогенном хладагенте, разработке современных методов тепловой стабилизации энергетических систем, основанных на эффекте сверхпроводимости с использованием ВТСП-элементов, а также исследования комплекса теплофизических свойств сверхпроводящих лент, электроизоляционных материалов и нового поколения теплоносителей.

В ходе выполнения проекта опубликовано более 20 научных статей в зарубежных и российских журналах, зарегистрировано более 15 результатов интеллектуальной деятельности.

Проект выполнен в тесном сотрудничестве с отраслевыми институтами, такими как ЦАГИ, ЦИАМ, ГОСНИИАС. Кроме того, постоянный диалог о перспективах разработки и внедрения гибридных силовых установок ведется с ОДК.