Widok ogólny układu dla MAKS-2021
Na ostatnich targach lotniczych MAKS-2021 Rosyjska Zjednoczona Korporacja Silników (UEC) zaprezentowała szereg obiecujących rozwiązań w różnych dziedzinach. Jednym z ciekawszych eksponatów na jej stoisku był model elektrowni hybrydowej (HPU), który jest opracowywany do wdrożenia w lotnictwo. Oczekuje się, że taki HSU będzie mógł znaleźć zastosowanie w różnych projektach lotniczych i zapewniać wysokie osiągi.
Obiecujący kierunek
Instalacje hybrydowe oparte na turbinie gazowej lub silniku tłokowym sprzężone z różnymi komponentami elektrycznymi mają szereg istotnych cech i zalet w porównaniu z systemami o tradycyjnej architekturze. Te zalety można wykorzystać w różnych obszarach, m.in. w lotnictwie. Obecnie kilka krajów jednocześnie testuje lotnicze HCS o różnym składzie. Niektóre projekty zostały już poddane testom laboratoryjnym i pełnoskalowym.
W sierpniu 2020 r. rosyjski UEC uruchomił podobny projekt. JSC UEC-Klimov został wyznaczony na głównego dewelopera. Celem nowego projektu jest stworzenie obiecującego obwodu serii GSU lub 500 kW. Taka instalacja będzie oparta na najnowszym silniku turbowałowym VK-650V.
Do chwili obecnej zakończono wczesne etapy projektu i ustalono ogólny wygląd obiektu. Dodatkowo powstała makieta pokazana na niedawnym pokazie MAKS-2021. W niedalekiej przyszłości pojawi się próbka demonstracyjna do testów stanowiskowych. W ciągu najbliższych lat osiągnie maksymalną wydajność i pozwoli nam przejść do kolejnych etapów.
Silnik i generator turbowałowy
Według UEC w 2022 roku próbka demonstracyjna GSU powinna wykazywać moc 150 kW i zapewniać weryfikację zastawionych rozwiązań. Następnie zostanie sfinalizowany, a testy zaplanowano na 2023 r., aby osiągnąć projektową moc 500 kW. W oparciu o wyniki tych działań w 2024 r. rozpoczną się prace rozwojowe mające na celu stworzenie pełnoprawnego HCS do użytku w samolotach. Planuje się, że zostanie ukończony w 2028 roku.
UEC określiło już zakres obiecującego GSU. System ten może być stosowany w samolotach obsługujących linie lokalne, lekkich wielozadaniowych śmigłowcach i bezzałogowych statkach powietrznych o masie do 8 t. Może być również stosowany w różnych pojazdach pionowego startu, zaawansowanych taksówkach powietrznych itp. W oparciu o lotniczy GSU podobny system zostanie opracowany dla łodzi i statków. Osiągnie moc 200-250 kW.
wygląd układu
Na MAKS-2021 zademonstrowano model HSU w konfiguracji do bezzałogowego statku powietrznego typu śmigłowcowego z czterema wirnikami głównymi. Jednostki instalacji zostały ustawione na stojaku imitującym podobny produkt. Takie podejście do wyświetlacza pozwala nam oszacować wielkość HSU i cechy jego umieszczenia na samolocie.
Na kadłubie warunkowym umieszczono zwarty zespół turbozespołu gazowego, wykonany w oparciu o istniejący silnik o dostatecznej mocy. Obok zainstalowano akumulator i bloki energoelektroniki. Na „skrzydłach” umieszczono cztery silniki elektryczne z wirnikami. Wszystkie komponenty HSU zostały połączone kablami.
Jednostki energoelektroniczne odpowiedzialne za dystrybucję mocy
Układ odzwierciedla ogólny schemat i skład obiecującego GSU w stosunku do quadrocoptera. Samoloty innych schematów i klas otrzymają instalacje o innym składzie i architekturze. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie różnej liczby silników elektrycznych, różnych konfiguracji akumulatorów itp.
Zasady działania nowego GSU są dość proste. Silnik turbowałowy z generatorem wytwarza energię elektryczną dla energoelektroniki. Ten ostatni odpowiada za sterowanie silnikami elektrycznymi odpowiedzialnymi za lot, a także ładuje akumulatory. Tryby pracy instalacji z UEC nie zostały jeszcze określone.
Wyzwania i korzyści
Instalacja hybrydowa oparta na silniku turbowałowym i podzespołach elektrycznych ma szereg charakterystycznych przewag nad tradycyjnymi systemami. Jednocześnie występują też różnego rodzaju wady. Oczywiste jest, że prawidłowe podejście do projektu samego HSU i doboru do niego samolotu pozwoli uzyskać maksymalny zwrot przy minimalnych niedociągnięciach.
HPU zawiera wiele niejednorodnych komponentów, dlatego różni się od tradycyjnych systemów turbin gazowych większą złożonością i kosztami. Ponadto instalacja hybrydowa ma większą łączną objętość i masę, co nakłada ograniczenia na rozwój samolotu przewoźnika. Jednocześnie jednostki HSU nie wymagają sztywnego połączenia mechanicznego ze sobą i można je rozdzielać dostępnymi objętościami, co upraszcza rozplanowanie samolotu.
Akumulatory
Instalacje hybrydowe mogą wykazywać wysoką efektywność paliwową. W tym celu silnik turbowałowy musi pracować w optymalnych trybach, dających minimalne zużycie paliwa, a układy sterujące mają za zadanie prawidłowy rozdział energii elektrycznej pomiędzy silniki i akumulatory zgodnie z aktualnym trybem lotu. Jednocześnie poprawiają się również inne cechy: zasoby rosną, a szkodliwe emisje ulegają zmniejszeniu.
Lot urządzenia z GSU odbywa się za pomocą silników elektrycznych sterowanych elektroniką. Pozwala to skuteczniej utrzymać wymagany tryb pracy, a także szybko dostosować go do zmieniających się warunków. W szczególności zapewnione zostanie szybkie wyjście do maksymalnej mocy.
W zależności od składu i zasad zarządzania HCS teoretycznie może działać w kilku trybach, m.in. bez użycia silnika turbowałowego - tylko kosztem akumulatorów. Ten tryb zwiększy niezawodność i bezpieczeństwo: jeśli główny silnik i generator ulegną awarii, samolot będzie mógł kontynuować lot.
Plany na przyszłość
Ze względu na pewne zalety, elektrownie hybrydowe o różnej architekturze mogą znaleźć miejsce w lotnictwie i zastąpić tradycyjne systemy. HCS są interesujące w kontekście dalszego rozwoju załogowych i bezzałogowych statków powietrznych oraz śmigłowców. Jednak nie należy jeszcze oczekiwać, że w rozsądnym czasie będą w stanie całkowicie wypierać inne opcje dla elektrowni.
Wariant układu GSU samolotu dwusilnikowego
Potencjał GSU naturalnie przyciąga deweloperów i klientów z różnych krajów, a od zeszłego roku przemysł rosyjski jest mocno zaangażowany w ten temat. Przeprowadzono już pierwsze prace, ukształtowały się ogólne zasady obiecujących projektów i określono przyszłe obszary ich zastosowania. Dodatkowo pokazana jest makieta przyszłego produktu oraz ogłaszane są wydarzenia na przyszłe lata.
Prace rozwojowe nad jednostką HPU o mocy 500 kW w oparciu o silnik VK-650V odbędą się w latach 2024-28. Tym samym już w połowie dekady lub na początku jej drugiej połowy możemy spodziewać się pojawienia się pierwszych pełnoprawnych projektów samolotów dla krajowego GSU. Muszą się też pojawić projekty wdrożenia jego morskiej modyfikacji.
Nie wiadomo, jaki będzie samolot i łodzie z napędem hybrydowym. Widać jednak, że ten kierunek ma ogromny potencjał i pozwala uzyskać bardzo ciekawe możliwości. Powinien być opracowany z myślą o praktycznym zastosowaniu. To jest dokładnie to, co UEC robi od zeszłego roku - i jest już gotowe do pokazania pierwszych wyników.