«А вместо сердца ледяной мотор»

На Московском авиационно-космическом салоне МАКС-2021 было множество интересных новинок, но один экспонат выделялся своим необычным видом. На статической стоянке и в летной программе участвовал пассажирский реактивный самолет Як-40 с воздушным винтом в носу. О том, зачем на реактивный самолет установили пропеллер, как это связано с физтеховскими традициями, при чем здесь электричество и водород и как изменится авиация в будущем, мы поговорили с выпускником Физтеха 2005 года Антоном Варюхиным — заведующим базовой кафедрой газовой динамики, горения и теплообмена МФТИ, заместителем генерального директора — директором Исследовательского центра гибридных и электрических силовых установок ФАУ «Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова».

Антон Николаевич, расскажите, пожалуйста, о проекте, которым вы занимаетесь.

В авиации вслед за автомобилестроением и другими отраслями набирает обороты электрификация. Существенный прогресс в силовой электронике, аккумуляторных батареях, электрических машинах уже сейчас позволяет делать небольшие полностью электрические летательные аппараты (на одного-двух человек) или реализовывать различные схемы гибридных силовых установок для более серьезных аппаратов. Сейчас этим занимаются во всем мире. В том числе такие лидеры, как Airbus, Boeing, General Electric, NASA, Rolls Royce и другие. Гибридные силовые установки дают ряд преимуществ перед традиционными. В том числе позволяют снизить расход топлива и повысить экологичность.

Работы по этому направлению за рубежом активизировались в конце 2000-х годов. В нашей стране примерно тогда же стартовали первые концептуальные исследования. Но по-настоящему планомерными эти работы в России стали с 2017 года в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ, входит в НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского»). Был организован специальный отдел, который я возглавил. За прошедшие 4,5 года мы существенно продвинулись и в нашем понимании, и в технологиях. Мы разработали методики, математические модели, создали большое количество демонстраторов, модернизировали стендовую базу. Из отдела мы выросли в Центр гибридных и электрических силовых установок. 

Нашим флагманским проектом является НИР «Электролет СУ-2020», реализуемая в рамках государственного контракта с Минпромторгом России. Работа посвящена созданию демонстратора технологий гибридной силовой установки с применением технологий высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Ключевым элементом является электрический двигатель с ВТСП — фазными обмотками статора мощностью 500 кВт и частотой вращения 2000 об/мин. Двигатель вращает воздушный винт и был разработан ЗАО «СуперОкс» при нашем непосредственном участии по заказу Фонда перспективных исследований. Кстати, КПД электродвигателя по результатам испытаний составил 99%. Питание электродвигателя осуществляется от двух источников, блока аккумуляторов и электрического генератора мощностью 400 кВт. Для вращения генератора используется вертолетный двигатель. Все устройства и узлы гибридной силовой установки были разработаны с нуля (кроме вертолетного двигателя). Электрогенератор — традиционный, несверхпроводящий — при достигнутой продолжительной мощности 460 кВт весит всего 95 кг. Что интересно, это наш первый опыт создания электрической машины, и он оказался очень удачным. Кроме этого, были разработаны и созданы множество всевозможных блоков силовой и управляющей электроники, зарядное устройство для аккумуляторов с рабочим напряжением 1000 В, блоки коммутации высокого и низкого напряжения, пульты управления и контроля операторов, теплообменные устройства. Причем мы сразу это делали не в стендовом исполнении, а с привязкой к установке на самолет. И, главное, старались удовлетворить авиационные требования. Правда, мы сами их и придумывали в процессе работы, так как про гибридные силовые установки в авиационных правилах ничего не сказано.

Так все-таки: зачем к Як-40 приделали пропеллер?

В свое время в NASA было введено понятие «Уровень готовности технологий» (TRL). Сейчас оно используется повсеместно, не только в авиации и космонавтике. Уровень TRL-1 означает, что сформулирована некоторая идея, эффективность которой оценили «на пальцах». TRL-6 означает, что был создан демонстратор технологий, испытанный в реальных условиях. Для нас это означает испытания в полете. При успешном достижении уровня готовности TRL-6 принимается решение о начале опытно-конструкторской работы и создании уже полноценного образца техники. С этой целью для отработки всех новых двигателей их испытывают на летающих лабораториях. Ведь одно дело — испытать на стенде, пускай даже максимально близко имитирующем условия полета, и совсем другое — в реальном полете. Проблемы начинаются уже на стадии установки двигателя на самолет и подключения всех систем. Так же и в нашем случае: было принято решение испытать демонстратор гибридной силовой установки на летающей лаборатории.

Обычно в качестве летающей лаборатории используется четырехдвигательный Ил-76. Вместо одного из двигателей ставят экспериментальный. При любых нештатных ситуациях с экспериментальным двигателем самолет сможет продолжить полет на трех штатных. Но это очень большой самолет, его летный час стоит дорого. Поэтому вместе с нашими коллегами из ФГУП «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» (г. Новосибирск) мы решили использовать самолет поменьше, и выбор пал на Як-40. У него три турбореактивных двигателя в хвостовой части. Один (центральный) мы убрали и вместо него установили турбовальный вертолетный двигатель с электрогенератором. Носовую часть самолета усилили, сняли метеорологический радар и установили электрический двигатель на ВТСП, туда же установили бак с жидким азотом, насосы, датчики и прочее оборудование. На вал электродвигателя прикрепили воздушный винт. Так у Як-40 появился пропеллер. В пассажирском салоне разместили блоки с аккумуляторами высокого и низкого напряжения, пульты управления операторов, телеметрию.

Здесь я хочу подчеркнуть, что двигатель с воздушным винтом мы поставили не для того, чтобы он создавал необходимую для полета самолета тягу, а для того, чтобы проверить работу этого двигателя в условиях полета. Определить влияние работы мощных электрических устройств на бортовые системы самолета и т. д.

В июле этого года мы выставляли Як-40 в Жуковском на авиасалоне МАКС-2021, показывали его президенту. Самолет участвовал в летной программе авиасалона. 

Мы получили огромный опыт, который до конца еще, скорее всего, не осознали.

Теперь стало понятнее, но выглядит Як-40 с винтом довольно забавно. Напоминает историю, как студенты вашего родного факультета ФАЛТ вешают пропеллер на самолет-памятник. Можете немного рассказать про это?

Это уже фактически давняя традиция. Каждый год третьекурсники ФАЛТ после летнего государственного экзамена (сейчас — после госэкзамена по математике, а раньше летом был гос по физике) забираются на стоящий в Жуковском возле факультета памятник — реактивный самолет МиГ-21 — и вешают на его нос пропеллер. Этой традиции больше 30 лет. Впервые на самолет повесили винт студенты злополучного 1986 года поступления, которых прямо во время учебы на втором курсе забрали на два года в армию. После окончания службы в армии они вернулись и продолжили учебу. И кто-то из них зачем-то решил повесить пропеллер.

Надо сказать, что забраться на самолет не так уже просто. Обычно это делают те, кто занимается альпинизмом. Самолет установлен под большим углом и достаточно скользкий. Но при этом два раза на самолет забирались и вешали пропеллер девушки. На лопастях пропеллера обычно пишут «ГОС», «год сдачи», «ФАЛТ». Сам пропеллер иногда висит пару недель, а иногда его на следующий день снимают пожарные.

Установкой пропеллера дело не ограничивается. После этого мероприятия студенты идут на центральную площадь Жуковского и надевают шляпу на памятник профессору Н. Е. Жуковскому, установленный на площади.

Надо сказать, что официальные власти города неоднозначно смотрят на происходящее. Иногда участников задерживает полиция. Так случилось со мной. В далеком 2002 году я после сдачи госа по физике полез вешать пропеллер, но приехала милиция — и меня забрали в отделение. Спасибо большое заведующему нашей военной кафедрой Анатолию Анатольевичу Хохлову, он меня оттуда вытащил. На самолет я больше не пытался залезть. Пропеллер вешал мой однокурсник.

 

То есть можно сказать, что в своем проекте вы все-таки покорили эту вершину и повесили пропеллер?

Можно сказать и так (смеется). 

Расскажите, пожалуйста, какие вы еще ведете проекты и что планируете делать дальше? 

Кроме проекта с Як-40, мы ведем работу по созданию полностью электрической силовой установки для легкого двухместного самолета. Делаем ее в двух вариантах. В первом основным и единственным источником энергии является блок аккумуляторных батарей, который питает электродвигатель, вращающий воздушный винт. Эту силовую установку мы разработали, изготовили, испытали на стендах и установили на легкий самолет Сигма-4. Электродвигатель мощностью 80 кВт, его контроллеры и все остальные системы мы разработали и изготовили в ЦИАМ. Самолет также был представлен на авиасалоне МАКС-2021.

Сейчас мы работаем над следующей версией силовой установки, в которой основным источником энергии будет водородный топливный элемент мощностью до 35 кВт. Планируем в следующем году установить его на самолет Сигма-4 и полетать. Это если говорить о ближайшей перспективе.

А если о более долгосрочных планах, то, вообще говоря, разработанная нами гибридная силовая установка с применением сверхпроводников фактически является только первым этапом большой комплексной работы по переводу авиации на новый тип топлива — жидкий водород. Он будет и использоваться для охлаждения сверхпроводящих двигателей, генераторов, силовой электрической шины гибридной силовой установки, и сгорать в качестве топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя, и частично подаваться для выработки электроэнергии в топливный элемент. Это большая работа, рассчитанная до 2030 года. В рамках этого проекта будут созданы демонстраторы технологий, которые пройдут испытания на земле и в полете. Так будут созданы сверхпроводящие электрические двигатель и генератор мощностью до 2 МВт, охлаждаемые жидким водородом. Будет адаптирован под работу на водороде авиационный газотурбинный двигатель.

Весь мир работает в этом направлении, но именно у нашей страны есть некоторое преимущество, поскольку еще в 80-х годах был реализован проект самолета на жидком водородном топливе Ту-155. Задача современных разработчиков — развить имеющийся задел на новом технологическом уровне.

А вообще все эти разработки, о которых я веду речь, ведутся с одной целью — удовлетворить очень жестким экологическим требованиям, которые будут введены в самое ближайшее время.

Для чего необходимо переводить газотурбинный двигатель на работу на водороде? Почему нельзя использовать только водородные топливные элементы?

В идеале, конечно, хотелось бы использовать только топливные элементы, но у них удельная мощность в разы меньше, чем у современных газотурбинных двигателей. А авиация очень требовательна к массе. Во-вторых, при работе топливные элементы, помимо электричества, выделяют примерно такую же по величине, но тепловую мощность. Это тепло надо утилизировать. Все, конечно, зависит от потребной мощности силовой установки и размера летательного аппарата, но тут потребуются гигантские теплообменники. И, к сожалению, хладоресурса жидкого водорода тоже не хватит. Поэтому реальной полноценной альтернативы газотурбинному двигателю пока нет.

Когда, по вашим оценкам, стоит ожидать появления водородной авиации?

Трудно говорить, но наши европейские коллеги говорят о периоде около 2035 года. У них сейчас в эти работы вкладываются довольно серьезные деньги.

МФТИ как-то участвует в вашем проекте?

Ну, во-первых, я теперь возглавляю базовую кафедру МФТИ газовой динамики, горения и теплообмена, и у нас работают студенты и выпускники Физтеха.

Во-вторых, все аккумуляторные ячейки, используемые в нашей гибридной силовой установке на Як-40, разработаны и изготовлены в Институте арктических технологий МФТИ. 

Приходится ли вам в вашей работе решать какие-либо фундаментальные задачи, или только инженерные?

Постоянно приходится. Даже при создании традиционных несверхпроводящих электрических машин. Здесь и вопросы решения электромагнитных задач, и теплообмен. Например, мы занимаемся созданием систем жидкостного охлаждения испарительного типа, которые более эффективны, чем конвективные. Для этого используются современные органические жидкости, про свойства которых мало что известно. И это не только для электрических машин, но и для аккумуляторов, топливных элементов. А что касается применения ВТСП, то здесь «непаханое поле». Ключевым вопросом, малоисследованным и экспериментально, и теоретически, является влияние магнитного поля, частоты электрического тока, температуры и множества других параметров на величину критического тока.

Также, вроде бы, несмотря на уже довольно относительно широкое применение водородных твердополимерных топливных элементов, в литературе мы не обнаружили относительно простые математические модели, позволяющие определять интегральные вольт-амперные характеристики ячейки в зависимости от расходов газов, их давлений, температуры, влажности. Мы такую модель разработали и верифицировали на экспериментальных данных. Для авиационных задач подобная модель очень нужна при формировании облика силовой установки и для алгоритмов работы системы автоматического управления энергетического узла на топливных элементах. Самолет слишком быстро маневрирует, из-за этого слишком быстро меняются давление и температура воздуха, САУ же должна оперативно менять параметры работы воздушного компрессора, клапанов и т. д.

Расскажите, на какой кафедре вы учились в МФТИ и как занялись тематикой электрических силовых установок.

Я заканчивал кафедру гидродинамики и аэроакустики. После окончания учебы пошел в аспирантуру и устроился на полставки в Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Очень хотелось заниматься наукой и защитить диссертацию. Но деньги тогда платили смешные, поэтому, помимо ЦАГИ, я еще много где работал и много чем занимался. В частности, в течение четырех лет занимался тематикой водородных топливных элементов и проточных батарей по контракту с американской компанией. Делал разработку матмоделей и программного комплекса для расчета процесса строительства подземных газовых хранилищ в отложениях каменной соли. Параллельно преподавал на кафедре общей физики, потом на базовой кафедре теоретической и прикладной аэрогидродинамики. В 2017 году тогдашний директор ЦИАМ Михаил Валерьевич Гордин, сейчас он ректор дружественной нам Бауманки, предложил мне перейти в ЦИАМ, чтобы заняться гибридными и электрическими силовыми установками. Это для меня была абсолютно новая тематика (не считая топливных элементов). Но Михаил Валерьевич сказал: «Приходи, будет очень интересно». Я согласился. Пришлось заняться совершенно новыми для меня задачами, такими как электрические машины, силовая электроника, да и в целом конструкторская работа, проектирование, производство. Кроме этого, пришлось собирать команду самых разнообразных специалистов, учиться вести комплексные проекты с большим количеством задач и исполнителей. И здесь традиционно хочу похвалить физтеховское образование, которое позволяет смело браться за новые научные и технические задачи, быстро погружаться в тематику и генерировать новые решения.