Гибридно-электрический реактивный двигатель может показаться столь же необычным, как дирижабль, запряжённый лошадьми. Однако GE Aerospace уже проводит наземные испытания нового гибридного турбовентиляторного двигателя мегаваттного класса и его полной силовой установки, обладающей достаточной мощностью для приведения в движение среднемагистрального узкофюзеляжного авиалайнера.

Проблемы электрификации авиации

Инженеры авиастроительной отрасли уже десятилетиями работают над созданием электрических силовых установок для самолётов, но сталкиваются с серьёзными трудностями. Несмотря на свои преимущества, электродвигатели зависят от внешних источников энергии, что и становится главным препятствием.

Если самолёт оснащён электродвигателями, питающимися, например, от аккумуляторов, возникает существенная проблема: энергетическая плотность аккумуляторов составляет лишь 1/50 от авиационного топлива. Для выполнения работы, которую обеспечивает один фунт авиационного топлива, потребуется 50 фунтов аккумуляторов. Кроме того, по мере сгорания топлива самолёт становится легче, а вес аккумуляторов остаётся неизменным от взлёта до посадки, что негативно сказывается на эффективности.

В результате тяжёлые пассажирские электрические самолёты могут развиваться только по двум направлениям: либо это ультралёгкие планеры с солнечными панелями, по сути моторные планеры, либо машины с очень малой дальностью и небольшой полезной нагрузкой.

Гибридный подход GE Aerospace

Почему же GE удалось создать гибридно-электрический реактивный двигатель, достаточно мощный для установки на Boeing 737? Секрет в том, что электрическая часть силовой установки предназначена для поддержки турбовентиляторного двигателя, а не для его полной замены.

Разработанный в рамках проектов NASA Electrified Powertrain Flight Demonstration (EPFD) и Hybrid Thermally Efficient Core (HyTEC), новый двигатель включает компоненты, способные работать как моторы и как генераторы в ядре реактивного двигателя. Они соединены с валом двигателя и могут использоваться как для вращения турбовентилятора, так и для зарядки аккумуляторов и питания бортовых электрических систем. Такая схема устраняет необходимость во вспомогательном двигателе или отборе воздуха для генерации электроэнергии.

Принцип работы гибридной системы

Система функционирует в нескольких режимах. В генераторном режиме, который используется на этапах полёта с низкой нагрузкой (например, снижение или руление), электромоторы-генераторы (EMG) вырабатывают высоковольтное постоянное напряжение для подзарядки бортовых аккумуляторов и питания подсистем. В моторном режиме, при взлёте и наборе высоты, EMG используют накопленную энергию для помощи в вращении вала двигателя, увеличивая обороты вентилятора и компрессора без дополнительного расхода топлива.

Поскольку система работает на мегаваттном уровне, силовые инверторы на основе карбида кремния выделяют значительное количество тепла. Для его отвода используется специальная система охлаждения, которая передаёт тепло от электроники к топливу, выступающему в роли теплоотвода.

Испытания и перспективы

В последних наземных испытаниях с модифицированным турбовентиляторным двигателем GE Passport система была протестирована в различных режимах. По данным GE, была продемонстрирована работа гибридной установки для узкофюзеляжных самолётов без необходимости использования промежуточных аккумуляторов. Кроме того, система прошла испытания в условиях, имитирующих полёт, чтобы убедиться, что электрические компоненты справляются с тепловыми и вибрационными нагрузками, характерными для эксплуатации.

«Гибридная электрическая тяга — ключевой элемент того, как GE Aerospace переосмысливает будущее авиации. Наш последний этап испытаний успешно продемонстрировал архитектуру гибридного электрического двигателя для узкофюзеляжных самолётов, не требующую накопителей энергии для работы. Это важный шаг к реализации гибридных электрических полётов в коммерческой авиации с технологиями, отвечающими запросам клиентов по эффективности, надёжности и дальности», — отметил Арьян Хегеман, вице-президент по будущему авиации GE Aerospace.