Na ostatnich pokazach lotniczych MAKS-2021 Rosyjska Zjednoczona Korporacja Silników (UEC) zaprezentowała szereg obiecujących rozwiązań w różnych kierunkach. Jednym z ciekawszych eksponatów na jej stoisku był model elektrowni hybrydowej (GSU) opracowywany do wdrożenia w lotnictwie. Oczekuje się, że taki GSU będzie mógł znaleźć zastosowanie w różnych projektach lotniczych i zapewniać wysokie osiągi.
Obiecujący kierunek
Instalacje hybrydowe oparte na turbinie gazowej lub silniku tłokowym w połączeniu z różnymi komponentami elektrycznymi mają szereg ważnych cech i zalet w porównaniu z tradycyjnymi systemami. Te zalety można wykorzystać w różnych dziedzinach, m.in. w lotnictwie. Obecnie w kilku krajach naraz trwa rozwój lotniczych GSU o różnym składzie. Niektóre projekty zostały już poddane testom laboratoryjnym i terenowym.
W sierpniu 2020 r. rosyjski UEC uruchomił podobny projekt. Głównym deweloperem został JSC UEC-Klimov. Celem nowego projektu jest stworzenie obiecującego sekwencyjnego obwodu HSS o mocy 500 kW. Instalacja ta będzie oparta na najnowszym silniku turbowałowym VK-650V.
Do tej pory zakończono wczesne etapy projektu i ustalono ogólny wygląd instalacji. Dodatkowo powstała makieta pokazana na niedawnym pokazie MAKS-2021. W niedalekiej przyszłości powstanie model demonstracyjny do testów na stanowisku. W ciągu najbliższych lat osiągnie maksymalną wydajność i umożliwi przejście do nowych etapów.
Według UEC w 2022 roku model demonstracyjny GSU powinien wykazywać moc 150 kW i zapewniać weryfikację założonych rozwiązań. Następnie zostanie sfinalizowany, a testy zaplanowane są na 2023 rok z osiągnięciem projektowej mocy 500 kW. W oparciu o wyniki tych działań, w 2024 roku rozpoczną się eksperymentalne prace projektowe nad stworzeniem pełnoprawnego GSU do zastosowania w samolotach. Planuje się, że zostanie ukończony w 2028 roku.
UEC określiło już obszary zastosowania obiecującego GSO. System ten może być stosowany w samolotach na liniach lokalnych, na lekkich śmigłowcach wielozadaniowych i na bezzałogowych statkach powietrznych o masie do 8 t. Może być również stosowany w różnych pojazdach pionowego startu, na obiecujących „taksówkach powietrznych” itp. Podobny system dla łodzi i statków zostanie opracowany na bazie lotniczego GSU. Osiągnie moc 200-250 kW.
Wygląd makiety
Na MAKS-2021 zademonstrowano makietę GSU w konfiguracji dla bezzałogowego statku powietrznego typu śmigłowcowego z czterema wirnikami. Jednostki instalacji zostały ustawione na stojaku symulującym podobny produkt. Takie podejście do wyświetlacza pozwala ocenić wielkość GSU i cechy jego umieszczenia na samolocie.
Kompaktowy zespół turbiny gazowej oparty na istniejącym silniku o wystarczającej mocy został umieszczony na konwencjonalnym kadłubie. Obok zainstalowano pakiet akumulatorów i energoelektroniki. Na „skrzydłach” umieszczono cztery silniki elektryczne z wirnikami. Wszystkie elementy GSU zostały połączone kablami.
Układ odzwierciedla ogólny schemat i skład obiecującego GSU w stosunku do kwadrokoptera. Samoloty innych schematów i klas otrzymają instalację 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.
Trudności i zalety
Elektrownia hybrydowa oparta na silniku turbowałowym i komponentach elektrycznych ma wiele wyróżniających zalet w porównaniu z tradycyjnymi systemami. Jednocześnie pojawiają się też różnego rodzaju wady. Oczywiście prawidłowe podejście do projektu samego GSU i doboru do niego samolotu pozwoli uzyskać maksymalny zwrot przy minimalnych wadach.
Systemy turbin gazowych zawierają wiele różnych elementów, dlatego różnią się od tradycyjnych systemów turbin gazowych większą złożonością i kosztami. Ponadto instalacja hybrydowa ma większą całkowitą objętość i masę, co nakłada ograniczenia na rozwój samolotu przewoźnika. Jednocześnie jednostki GSU nie wymagają sztywnego połączenia mechanicznego ze sobą i mogą być rozmieszczone w różnych dostępnych objętościach, co upraszcza rozplanowanie samolotu.
Rośliny hybrydowe mogą wykazywać wysoką efektywność paliwową. W tym celu silnik turbowałowy musi pracować w optymalnych trybach dających minimalne zużycie paliwa, a systemom sterowania powierzono zadanie prawidłowego rozdziału energii elektrycznej pomiędzy silniki i akumulatory zgodnie z aktualnym trybem lotu. Jednocześnie poprawiane są 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 utrzymywać wymagany tryb pracy, a także szybko go zmieniać z uwzględnieniem zmieniających się warunków. W szczególności zapewni szybkie uwolnienie do maksymalnej mocy.
W zależności od składu i zasad zarządzania, GSU teoretycznie może działać w kilku trybach, m.in. bez użycia silnika turbowałowego - tylko dzięki akumulatorom. Ten tryb zwiększy niezawodność i bezpieczeństwo: w przypadku awarii głównego silnika i generatora samolot będzie mógł kontynuować lot.
Plany na przyszłość
Dzięki takiej czy innej przewadze elektrownie hybrydowe o różnych architekturach mogą znaleźć miejsce w lotnictwie i wypierać tradycyjne systemy. GSO są interesujące w kontekście dalszego rozwoju załogowych i bezzałogowych statków powietrznych i śmigłowców. O ile jednak nie należy oczekiwać, że w rozsądnym czasie będą w stanie całkowicie wypierać inne opcje dla elektrowni.
Potencjał GSO 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 zidentyfikowano przyszłe obszary ich zastosowania. Dodatkowo pokazywany jest model przyszłego produktu oraz ogłaszane są wydarzenia na przyszłe lata.
Prace rozwojowe nad elektrownią o mocy 500 kW opartą na silniku VK-650V odbędą się w latach 2024-28. Tak więc już w połowie dekady lub na początku drugiej połowy można spodziewać się pojawienia się pierwszych pełnoprawnych projektów samolotów dla krajowego GSU. Muszą się również pojawić projekty wprowadzenia jego modyfikacji morskiej.
Nie wiadomo, jakie będą samoloty 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 właśnie UEC robi od zeszłego roku – i jest już gotowe do pokazania pierwszych wyników.
