Разработка фундаментальных научных основ для создания и технологического освоения производства в РФ полностью композитных электромеханических преобразователей энергии для перспективных летательных аппаратов и аэротакси

Принятые сокращения: ЭМПЭ – электромеханические преобразователи энергии; КМ– композитные материалы; ЛА-летательные аппараты Повышение требований к экологичности и минимизации шума современных и перспективных летательных аппаратов (ЛА) является одной из основных задач, которые ставятся Европейской и Американской комиссиями, Минпромторгом РФ и авиакомпаниями. И именно эти задачи в настоящее время являются определяющими развитие ЛА. Авиационные выбросы СО2 в атмосферу должны сократится на 75%, NOx на 90% к 2050 году по отношению к 2000 г. Стандарт ИКАО (март 2016 г) требует снижение эмиссии СО2 на 650 млн. т между 2020 и 2040 г.г. Достижение данных показателей за счет оптимизации конструктивных решений в традиционных элементах ЛА, при сохранении общей концептуальной схемы возможно, но не приводит к желаемым масштабным результатам и требует значительных материальных затрат. Так, например, повышение эффективности авиационного двигателя в классе тяги 35 тонн с использованием традиционных технических решений обходиться двигателестроительным корпорациям 150–180 млн.$. И при этом необходимо отметить, что технические ресурсы для повышения эффективности авиационных двигателей традиционных конструктивных схем уже практически исчерпаны. Вопросы, связанные с шумом, также являются не менее приоритетными. В ряде европейских стран введен запрет на ночные полеты из–за шумового воздействия, при этом авиакомпании несут значительные убытки, во избежание которых они формируют значительный рынок малошумных ЛА. Эффективным решением проблем шума и экологичности ЛА является частичная или полная электрификация ЛА. Исследования в области более электрических самолетов, а также эксплуатация Boeing 787 показала, что для обеспечения максимальной эффективности при электрификации ЛА необходимо разрешить ряд проблемных вопросов, для решения которых необходимо: – повысить единичную мощность ЭМ при одновременной минимизации их массы, расширение их физических возможностей. Обеспечить их конкуренцию с авиационными двигателями. Нынешние удельные характеристики ЭМ традиционного исполнения не превышаю уровень 5 кВт/кг, а для эффективного использования преимуществ электрификации ЛА требуется удельная мощность ЭМ на уровне 12–20 кВт/кг; – создавать новые типы электрогенераторов с использованием новых конструктивных решений, новых электротехнических и магнитных материалов, технологий изготовления активных элементов ЭМ и новых методик расчётов, отличающихся повышенной точностью. – создавать новые типы исполнительных механизмов и электропотребителей на борту ЛА для эффективного использования электроэнергии на борту ЛА; – повысить уровень напряжения бортовой сети ЛА для снижения массы кабельных линий, в условиях увеличения энерговооруженности ЛА. Именно на расширение физических возможностей ЭМ, повышении эффективности ЭМ и увеличения плотности их энергии направленно большинство исследований последних десятилетий. Данная тенденция отражается во множестве финансируемых национальных и международных исследовательских программах. Для повышения энергоэфективности ЭМ и увеличения плотности их энергии создаются высокооборотные и сверхвысокооборотные ЭМ, разрабатываются сверхпроводящие ЭМ и высокотемпературные ЭМ. Помимо создания электрифицированных ЛА аппаратов на 50-100 мест, что является перспективной 2040-2050 годов, важным вызовом, стоящим сейчас и также требующим создания малогабаритных ЭМ является создание самолетов межрегиональных воздушных линий, аэротакси и электрических вертолетов. При создании которых, имеются точно такие же трудности, указанные выше. То есть настоящий проект направлен на развитие авиационной промышленности будущего в которую входят как магистральные летательные аппараты, так и аппараты для региональных и частных перевозок. То есть фундаментальной научной проблемой, решаемой в проекте является создание малогабаритных высокомощных электрических машин для создания перспективных летательных аппаратов, путем развитие теории полностью композитных ЭМ, основополагающих физических процессов, протекающих в них, создание математических моделей методологии комплексного анализа и разработки полностью композитных электрических машин для перспективных летательных аппаратов. Данная проблема может быть сформулирована как противоречие между потребностью авиационной промышленности ЭМ с минимальными массогабаритными показателями (минимум 10–14 кВт/кг) и отсутствием научных знаний методов и теории для достижения данных удельных показателей. Мировую значимость проблемы подтверждает количество исследований, проводимых мировыми научными коллективами в данной области (программа электролет, программа перспективные ГСУ, программы NASA, программы Rolls Royce и т.д.), заинтересованность мировой промышленности (исследовательские программы Airbus, Boeing) и мировых научных коллективов к данной проблеме и ее постоянное обсуждение в рамках конференций, определяющих мировые направления развития летательных аппаратов (Гамбург, Кельн), электротехники и электромеханики (ICEM, EVER, IECON), а также совместными публикациями нашего научного коллектива с ведущими мировыми коллективами. Кроме того, мировую значимость выдвинутой проблемы подтверждает количество компаний, которую создаются в мире в области полностью электрических самолетов, аэротакси. Исследования таких ученых, как C. Zwyssig, J.W. Kolar, Gerada. E. Ganev, В. А. Балагуров, А. Н. Ледовский, Д. А. Бут, А. Б., Ковалев К. Л. Захаренко, Я. Б. Данилевич, В. Я. Геча, И. Ю. Кручинина, J. R. Hendershot, T. J. E Miller, A. Binder, T. Schneider и др., позволило заложить фундаментальные основы по созданию традиционных и сверхпроводящих электрических машин с характеристиками не менее 5–7 кВт/кг. Расширяя их теорию и используя достижения в области новых технологий и материалов, зарубежные корпорации и исследовательские центры уже создают экспериментальные штучные ЭМПЭ с удельными характеристиками 13 кг/кВт. Например, NASA ставит своей целью создание ЭМПЭ класса MW, обладающих плотностью энергии 13 кВт/кг при КПД 96 %. Коллектив University of Nottingham разработал ЭМПЭ с плотностью энергии 14 кВт/кг при частоте вращения ротора 30000 об/мин и КПД 93 %. Аналогичные результаты были получены компанией Honeywell при создании ЭМПЭ мощностью 140 кВт и частотой вращения ротора 62000 об/мин для Lockheed Martin Joint Strike Fighter (JSF). University of Illinois разрабатывает электрические машины с удельными характеристиками 14 кВт/кг при КПД 95 %. При этом результаты отечественных предприятий не превышают 3-4 кВт/кг при КПД 92 %. Это обусловлено отставанием в традиционных технологиях, отсутствием теоретической базы, позволяющей создание новых нетрадиционных электрических машин, отсутствие необходимого кадрового обеспечения и т.д. Низкие удельные показатели отечественных разработок делают их неконкурентными на зарубежных рынках. Одним из новых способов снижения массы ЭМ, который начинает эпизодический развиваться в последние несколько лет, является повышении их эффективности и увеличения плотности энергии ЭМ за счет использования в ЭМ композитных материалов (КМ), которые обладают простой, безотходной технологией изготовления и низкой массовой плотностью. Причем развитие КМ позволяет их использовать не только в механических узлах, но и в обмотке ЭМ (провод из углеродных нанотрубок (совместные исследования ученых из LUT и Японии) или композитного алюминия (разработки университета Бристоля)), в магнитопроводе статора (композитные порошки на основе Somalloy или аморфных порошков) и в постоянных магнитах ротора (магнитопласты, которые хотя и уступают по своим характеристикам спечённым магнитам, но из-за низкой массовой плотности позволяют значительно минимизировать массу ротора)). Предварительные расчеты, проведенные нашим научным коллективом и представленные в дополнительных материалах, показывают, что создание полностью композитных ЭМ, позволит снизить массу ЭМ практически 2 раза. А это будет являться существенным эффектом как для существующих ЛА: принимая количество рейсов в день не менее 5, при уменьшении массы ЭМПЭ на 3 кг экономия может достигать 35 кг топлива в день или 12 тонн топлива в месяц, что обеспечивает значительные экономические и экологические эффекты; так и для создания конкурентных малошумных электрических самолетов, вертолетов и аэротакси. В мире разрабатываются различные элементы ЭМ из композитных материалов, но наш коллектив ставит более высокую и сложную задачу, которая не решалась в мировой практике–создание теории, исследования и создание экспериментальных макетов полностью композитных ЭМ Исследования в мировой практике таких специалистов как Милов В.Н., J. Pyrhönen, Dan M. Ionel , David Gerada и др. посвящённые данному вопросу охватывают лишь какой-либо один элемент ЭМ, при этом исследования по созданию полностью композитных ЭМ нового поколения ни в отечественной, ни в мировой практике на данный момент не представлены, что показывает новизну и перспективность настоящего проекта. При этом использование новых КМ, с учетом их свойств и технологических особенностей, требует изменения конструктивных обликов ЭМ, изменение расчётных коэффициентов при проектировании ЭМ, а также создание новых математических моделей для исследования подобных ЭМ. Также использование КМ в ЭМ требует создание новых методов диагностики технического состояния ЭМ и кроме прочего, использование КМ может привести к появлению новых, ранее неизвестных физических процессов в ЭМ. Именно эти задачи впервые в мире будут решены в представленном проекте, что позволит реализовать на практике электрические машины, позволяющие создание полностью и более электрических самолетов, аэротакси. Решение поставленной фундаментальной научной проблемы позволит обеспечить создание новой отечественной техники гражданского применения, превосходящей по своим техническим характеристикам мировые аналоги. Это позволит РФ быть конкурентоспособной на рынке энергомашиностроения, в том числе полученные результаты могут быть использованы при создании дальнемагистральных летательных аппаратов нового поколения, полностью электрических самолетов, а также высокоэффективных беспилотных летательных аппаратов, аэротакси, а также проект может быть диверсифицирован на области создания электромобилей и ситем автономной энергетики и т.д.. Это позволит привлечь в экономику РФ инвестиции, в том числе и Азиатских стран (Индии, Китая), и, как следствие всего этого, увеличить количество рабочих мест на предприятиях, подняв тем самым уровень жизни населения. Для обеспечения доступа к передовым композитным материалам для исследований научным коллективом налажены научные связи с LUT (которые готовы предоставить провода из УНТ для проведения научных исследований), с Ноттингемским университетом, оборудование которого позволяет исследовать полностью композитные ротора, с ФГУП «ЦИАМ» (технологии намотки композитных бандажей и технологии изготовления композитных бандажей), с АО «Казанский завод стеклопластиковых труб» (изготовление стеклопластиковых труб для систем охлаждения), АО «ОДК». Также авторами уже проведены предварительные исследования и заложены основы создания полностью композитных электрических машин, отраженные в их публикациях и патентах.