У электрической авиации проблемы не только с аккумуляторами. Мощные и лёгкие электрические двигатели тоже остаются предметом мечтаний авиационных конструкторов. Свой вариант решения этой проблемы предложили инженеры из Массачусетского технологического института. Электродвигатель MIT обещает мощность 1 МВт при собственном весе около 58 кг. С таким решением электрическая авиация взлетит в прямом и в переносном смысле этого слова.

Источник изображения: Airbus

Согласно расчётам NASA, удельная мощность электрических двигателей для среднемагистральных самолётов и, в целом, для самолётов большой грузоподъёмности должна быть не ниже 13 кВт/кг. Представленный инженерами MIT двигатель обещает удельную мощность 17 кВт/кг, что существенно лучше рекомендаций NASA. К сожалению, в готовом собранном виде нового двигателя пока нет. Разработчики пока испытали лишь отдельные его компоненты.

Конструктивно новый двигатель — это как бы вывернутый наизнанку классический электрический двигатель. Его ротор находится не внутри статора, а окружает его. В основе ротора лежит барабан из титана, по внутренним стенкам которого закреплены постоянные магниты. Статор у нового двигателя — это стальной цилиндр с шипованной поверхностью. Он помещается внутрь ротора, а обмотка ложится на шипы особенным образом.

Токами в обмотке управляет сложная силовая электроника из 30 изготовленных на заказ «печатных плат». Синхронизированная с вращением барабана подача токов в обмотки позволит разгонять двигатель до рекордных оборотов. Подобная конструкция позволила избежать изготовления массивных ротора и статора и кратно облегчила вес двигателя.

Источник изображения: MIT

Также оригинально спроектирована система отвода тепла от статора. Статор закреплён на теплоотводе со множеством сквозных отверстий. С торца они выглядят как соты и лучше всего такой узел напечатать на 3D-принтере. Вращение ротора создаёт поток воздуха в объёме двигателя и выбрасывает его наружу. Представленный двигатель будет выделять на полной мощности 1 МВт около 50 кВт тепла. Утверждается, что предложенное решение сможет отводить от двигателя столько же тепла, как «от 500 100-Вт ламп накаливания в объёме небольшого пивного бочонка».

Если подобные электрические двигатели будут доступны авиационным конструкторам, то это изменит ландшафт авиации будущего. Полностью электрические самолёты могут получить совершенно иной дизайн. Например, вместо пары больших и мощных двигателей они смогут опираться в полёте на несколько небольших двигателей на передних кромках крыльев или даже на фюзеляже. Более того, это время может наступить гораздо раньше появления сверхъёмких аккумуляторов. В этом помогут гибридные системы с питанием от водородных или аммиачных ячеек. Для реализации этой истории не хватало электрического двигателя и теперь он очень близок к появлению.

На днях на авиационном форуме Американского института аэронавтики и астронавтики стартап Whisper Aero представил макет авиационной электрической силовой установки Whisper Jet, которую он называет самой тихой и эффективной в мире. По словам разработчиков, Whisper Jet на 20 % эффективнее и в 100 раз тише лучших мировых аналогов. Шум — это больное место беспилотников и аэротакси, и Whisper Aero научилась с ним бороться.

Источник изображений: Whisper Aero

Компания представила результаты измерения шума пропеллеров Whisper Jet и лучших, по её словам, аналогов. Испытания проводились ночью в одинаковом звуковом окружении для всех образцов. На расстоянии 200 футов (61 м) при фоновом шуме в 30 дБА двигатель Whisper Aero с 6-дюймовыми пропеллерами (15,24 см) был абсолютно неслышен. На удалении 100 футов (30,5 м) прототип двигательной установки Whisper Aero сравнили с аналогами. Все двигатели были примерно одинаковой мощности и создавали своими пропеллерами тягу 34,7 Н.

Пропеллер Whisper Aero показал самый лучший результат — 34,1 дБА. Канальные решения Schubeler показали 44,9 и 52,1 дБА, а открытые пропеллеры от Aeronaut CAMcarbon — 49,4 и 58,7 дБА (разница в показателях для одних и тех же двигателей обусловлена разницей в количестве лопастей у двигательных установок). Данные измерений свидетельствуют, сказали в компании, что их установка «в 100–500 раз тише, чем канальные пропеллеры, и в 100–1000 раз тише, чем открытые пропеллеры». Это цитата по источнику и нельзя понять, откуда взялись эти цифры, ведь разница в 10 дБА — это разница на порядок, а не на два порядка.

Тем не менее, установка Whisper Aero действительно работает значительно тише представленных аналогов. Достигается это тем, что вместо 3–5 лопастей задействовано множество лопаток, укреплённых по ободу обручем. Это переводит частоту звучания вентилятора за пределы 16 кГц и делает их почти неслышными для уха человека. Собаки, кстати, тоже не реагировали на шум пропеллеров, хотя они прекрасно слышат верхний диапазон.

Разработчики утверждают, что предложенная многолопостная конструкция пропеллера позволяет снизить обороты и не потерять в эффективности. По их оценкам, эффективность предложенного варианта достигает 92 %. Вместо выработки «мусорного» шума, на что расходуется часть мощности двигателя, установка создаёт тягу. Никто из конкурентов не может предложить ничего похожего, считают в компании.

Следует сказать, что деятельностью Whisper Aero активно интересуются также военные. Очевидно, что малошумящие беспилотники — это востребованный ресурс. Компания уже привлекла порядка $40 млн инвестиций от разных компаний и ведомств Пентагона, что говорит о том, что она движется в правильном направлении.

В перспективе Whisper Aero намерена продавать лицензии и двигатели. Электрические самолёты компания не собирается выпускать. В то же время она работает над собственным прототипом 10-местного электрического самолёта с «бесшумными» двигателями. На форуме был представлен макет этого воздушного судна. Заявленная дальность полёта Whisper Jet на аккумуляторах будет достигать 322 км на скорости до 463 км/ч. Для взлёта и посадки понадобится стандартная взлётно-посадочная полоса. За исключением двигателей Whisper Jet мало чем отличается от множества других подобных проектов, но именно двигатель делает его интересным.

Стартапы по всему миру сейчас пытаются поднять лёгкий пассажирский транспорт в воздух и оснастить его электротягой, но на пути введения его в эксплуатацию стоят серьёзные регуляторные препятствия. В Сан-Франциско сервис по перевозке пассажиров на электролётах силами компании United Airlines будет запущен к 2026 году.

Источник изображения: Eve Air Mobility

Данная услуга будет предоставляться указанной авиакомпанией при поддержке производителя соответствующих летательных аппаратов — Eve Air Mobility, который является дочерней компанией Embraer. Первая модель этого стартапа, который в прошлом сентябре уже получил инвестиции от United Airlines в размере $15 млн, способна перевозить по воздуху до четырёх пассажиров с багажом на расстояние до 100 км. При этом такая перевозка оказывается на 600 % дешевле по сравнению с использованием традиционных вертолётов на ископаемом топливе, а по сравнению с поездкой на машине с ДВС обеспечивает снижение вредных выбросов в атмосферу на 80 %.

United Airlines намеревается к 2026 году закупить у Eve Air Mobility до 400 «летающих такси» с возможностью дальнейшего приобретения ещё 200 штук. За оставшееся до 2026 года время партнёрам предстоит решить множество вопросов на пути организации данного сервиса, включая создание необходимой инфраструктуры и проведение согласований с различными инстанциями. United Airlines намеревается стать первой компанией, оказывающей такие услуги в районе Сан-Франциско.

Авиакомпания также вкладывает средства в стартап Heart Aerospace, который разрабатывает электрические самолёты вместимостью 19 и 30 человек, которые могут перевозить их по воздуху на расстояние до 400 км. Их создание должно быть завершено к 2026 году.

Форма авиационного пропеллера почти не изменилась за более чем сто лет. Но проверенная временем классика не подходит для эры электрической авиации, считают учёные. Электросамолёты летают пониже и на меньшие дистанции, так что и винты у них должны удовлетворять особым условиям — быть одновременно эффективными и тихими. Такое без науки не осилить.

Источник изображения: Pixabay

Проблемой формы пропеллеров для электрической авиации занялись исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции. Они разработали методику расчёта «правильных» пропеллеров и поделились ею в статье в журнале Aerospace. Методика поможет подобрать оптимальную форму пропеллера и число лопастей на каждый случай жизни, а полученный результат сохранит баланс между эффективностью и уровнем шума.

Классическая форма пропеллера заставляет увеличивать число лопастей для совершения более эффективных с точки зрения расхода горючего (энергии) полётов. При этом, чем больше лопастей, тем выше уровень создаваемого ими шума. Учёные искали возможность снизить шум, не потеряв в эффективности или потеряв, но незначительно.

«Современные воздушные винты обычно имеют от двух до четырёх лопастей, но мы обнаружили, что при использовании шести лопастей, разработанных с помощью нашей системы оптимизации, можно создать пропеллер, который будет одновременно относительно эффективным и тихим. По сравнению с пропеллером с тремя лопастями, этот пропеллер обеспечивает снижение шума на 5–8 дБА при снижении тяги всего на 3,5 %. Это сравнимо с уменьшением шума, когда человек переходит от разговора в обычной обстановке к громкости, которой достаточно, чтобы услышать в тихой комнате», — сказал один авторов работы.

Всё дело в повышенном шуме, возникающем на концах лопастей. Учёные выделили его и исследовали его вклад в общие шумы пропеллеров. Затем была разработана модель винта, снижающая уровень этого и других шумов. Опираясь на ту же методику, специалисты могут создавать свои версии пропеллеров для собственных нужд.

Петлевой гребной винт компании Sharrow Marine. Источник изображения: Sharrow Marine

Изученная учёными проблема касается не только воздушного транспорта, но и водного. Современные методы производства, включая 3D-печать, позволяют создавать пропеллеры и винты очень сложной формы. В частности, уже получены данные о высокой производительности петлевых винтов, которые могут быть очень производительными и сравнительно тихими.

В начале второй половины этого десятилетия многие разработчики электрических летательных аппаратов на электротяге надеются запустить коммерческую эксплуатацию своей техники в сегменте пассажирских перевозок, но руководство Honeywell на эти перспективы смотрит скептически, упоминая 2030 год в качестве периода вероятного появления первых летающих электрических такси.

Источник изображения: Honeywell International

До тех пор, как поясняет глава аэрокосмического подразделения Honeywell International Майк Мэдсен (Mike Madsen), сфера применения электрических летательных аппаратов с функцией вертикального взлёта и посадки будет ограничиваться как оборонной деятельностью, так и грузовыми перевозками, хотя и будет развёрнута ориентировочно в 2025 году. В обозримом будущем пассажирские перевозки на летательных аппаратах такого типа будут требовать наличия на борту квалифицированного пилота. В то же время, после появления на рынке подобных услуг, объёмы продаж профильных летательных аппаратов начнут расти на двузначное количество процентов, как убеждён глава подразделения Honeywell.

Ограничения на эксплуатацию таких летательных аппаратов будут сдерживать развитие отрасли гораздо сильнее, чем какие-либо технические трудности. «Вначале всё будет происходить очень медленно», — пояснил Мэдсен. Зато уже к 2030 году компания Honeywell получит возможность ежегодно выручать на реализации компонентов для таких летательных аппаратов по $2 млрд. Переход к беспилотному управлению пассажирскими летательными аппаратами окажется перспективой довольно отдалённого будущего, как пояснил представитель Honeywell, причём преимущественно за счёт наличия бюрократических препятствий.