Электрические сердца беспилотной авиации

Рынок беспилотных авиационных систем и услуг на их базе растёт ускоренными темпами, и достижение технологического суверенитета в этой области — одна из приоритетных задач для российской промышленности. Московский авиационный институт является ключевым поставщиком технологий для нового рынка. Среди проектов, реализуемых учёными МАИ,— разработка решений по импортозамещению двигателей для беспилотников: от малых аппаратов грузоподъёмностью несколько килограммов до полноценного летающего автомобиля будущего — аэротакси.

Работы по созданию отечественных электродвигателей для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) разных классов ведутся на базе лаборатории «Гибридные и электрические силовые установки» института № 14 «Передовая инженерная школа» (ПИШ) МАИ с опорой на опыт кафедр 310 «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» и 203 «Конструкция и проектирование двигателей». В команду проекта входят более 30 человек, в том числе доктора и кандидаты наук, студенты и аспиранты.

Как поясняет начальник лаборатории «Гибридные и электрические силовые установки» Николай Иванов, одним из важнейших направлений работ подразделения является создание линейки двигателей для малых беспилотников. Проект ориентирован на серийное производство, что позволит в обозримой перспективе перейти к массовому выпуску двигателей с привлекательными для потребителя техническими и экономическими характеристиками.

Лаборатория «Гибридные и электрические силовые установки» ПИШ МАИ, головным индустриальным партнёром которой выступает Объединённая двигателестроительная корпорация, действует в университете с 2022 года. В основе её создания лежит большой научно-исследовательский задел: ранее Московский авиационный институт выполнял работы в этой области в интересах Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского, Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, участвовал в крупных международных проектах. В лаборатории создаётся новая экспериментальная база, подготовлены методические материалы. С 2023 года начато обучение студентов по двум магистерским программам: «Электрические силовые установки» и «Конструкция и проектирование гибридных силовых установок».

Востребованная линейка

Разрабатываемая линейка на данный момент включает в себя пять электродвигателей с постоянными магнитами для беспилотников мощностью от 0,9 до 10 кВт. В перспективе их количество будет расти. Цель — закрыть наиболее востребованный сегмент рынка гражданских БЛА и удовлетворить потребности разработчиков аппаратов малой грузоподъёмности с широким спектром характеристик.

— Выбор двигателя зависит от множества параметров: взлетает аппарат вертикально или горизонтально, находится в воздухе несколько минут или часов, поднимает 2 или 10 кг. Под каждый набор условий мы сможем предложить наиболее подходящий продукт, — рассказывает Николай Иванов.— При этом мы ориентируемся на лидерство в самом массовом сегменте рынка: анализ показывает, что более трети всех разрабатываемых в мире БЛА гражданского назначения имеют мощность силовой установки до 10 кВт.

Все двигатели в линейке построены на конструктивноподобных элементах и могут быть масштабированы. При переходе на серийное производство это решение позволит уменьшить стоимость их изготовления.

— Основная причина того, что в России нет крупносерийного производства подобных двигателей,— экономическая,— говорит учёный.— Поэтому в нашей линейке применены основы взаимозаменяемости — это необходимое условие для оптимизации стоимости. В перспективе мы рассчитываем получить экономические преимущества перед аналогами, что во многом будет определяться масштабами производства.

В работе применялись принципы оптимального проектирования на уровне системы, в которую входят все элементы силовой установки аппарата: источник энергии, электродвигатель и его регулятор, а также винты. Ещё одной важной особенностью стала взаимозаменяемость новых изделий и уже имеющихся на рынке: это позволит с лёгкостью переходить на российский аналог, не меняя конструкцию всего аппарата.

К настоящему времени коллектив вышел на этап переговоров с индустриальными партнёрами о серийном производстве. В течение двух ближайших десятилетий, по прогнозам экспертов, в России можно ожидать становления системной аэромобильности, то есть перехода к полностью автоматизированной перевозке людей с помощью беспилотных транспортных средств. Задел для такой трансформации активно создаётся в МАИ уже сегодня, в том числе идёт работа над силовой установкой для аппаратов нового класса.

Максимальная мощность проектируемой силовой установки составляет 200 кВт, длительная мощность — 100–150 кВт. Помимо электродвигателя, она включит в себя частотный преобразователь, аккумуляторную батарею и систему охлаждения. Установка сможет эксплуатироваться без ограничений в широком диапазоне температур: как в суровых арктических условиях, так и под палящим южным солнцем.

— Каждое изделие, входящее в электрическую силовую установку, уникальное, потому что обладает высокими массоэнергетическими характеристиками,— объясняет Николай Иванов.— Например, наш двигатель имеет массу всего 32 кг. По удельной мощности, то есть отношению мощности к массе, он не уступает лучшим мировым аналогам производства Siemens, Rolls-Royce, MagniX. На российском же рынке двигатель является уникальным в своём классе. Важно отметить, что материалы и комплектующие в его составе — на 90% отечественные.

Разработка подойдёт для применения в грузовых БЛА и в составе гибридных силовых установок для авиационного, наземного и морского транспорта. Первый опытный образец будет изготовлен до конца 2023 года.

Индустриальным партнёром проекта является крупный российский производитель беспилотных летательных аппаратов — компания «Аэромакс». Ожидается, что в 2024–2025 годах состоится первый вылет аппарата с маёвским двигателем. В течение следующих трёх лет разработчики рассчитывают на выход в серию.

«Зелёная» авиация

Аэротакси — это лишь шаг на этапе развития электрической авиации. Уже сейчас обсуждается применение гибридных силовых установок высокой мощности в составе более крупных летательных аппаратов, таких как лёгкий многоцелевой самолёт «Байкал» и даже ближнемагистральный авиалайнер SJ-100.

— Гибридные системы помогут уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу за счёт снижения потребления топлива газотурбинным двигателем и оптимального распределения мощности между тепловой и электрической энергией,— отмечает научный руководитель лаборатории «Гибридные и электрические силовые установки» ПИШ МАИ, проректор по научной работе университета Юрий Равикович.— Перспективным в этой области является применение технологии высокотемпературной сверхпроводимости.

В лаборатории ПИШ МАИ работает один из ведущих в России коллективов по данному направлению. В 2022 году в университете испытали уникальный маломасштабный демонстратор сверхпроводниковой системы, аналогов которому нет в мире. В системе используются сверхпроводящие генератор и кабель, а также криогенный полупроводниковый преобразователь. Функционирование криогенных устройств обеспечивает специально разработанная система охлаждения.

— Проектами в области более электрических самолетов, более электрических двигателей, гибридных и электрических силовых установок сегодня занимаются многие двигателе- и самолётостроительные компании мира. Это конкурентная среда, где важно проявить себя, чтобы не только не попасть в технологическую зависимость от других стран, но и выйти в лидеры,— подчёркивает Юрий Равикович.— МАИ обладает серьёзной научной базой и всеми необходимыми компетенциями для обеспечения технологического прорыва в области экономичных и экологичных силовых установок различной мощности, в том числе свыше 1 МВт. Это позволяет рассчитывать на лидерские позиции на новом отечественном и мировом рынке электрических транспортных систем будущего.

Юлия Мартынова