Дорожная карта эволюции двигателей Safran

Safran представил «дорожную карту» своих разработок в области гибридных и электрических авиадвигателей.

Французский производитель полагает, при условии преодоления проблем в области хранения и передачи электроэнергии большой мощности, к 2040 году станет возможной разработка самолётов исключительно на электрической тяге.

Вместе с тем, турбовентиляторные двигатели имеют право на жизнь, так как потенциал их совершенствования ещё не исчерпан.

Этапы развития электродвигателей

- Первая гибридная силовая установка к 2030 году.

- Гибридный электродвигатель с пограничным слоем к 2035 году.

- 100% электрическая тяга к 2040 году.

- Но в ближайшей перспективе основное внимание уделяется турбовентиляторам со значительно увеличенной степенью двухконтурности.

Аккумулятор против керосина

Необходимость комбинированного подхода в Safran объясняют энергоёмкостью электрических батарей и ожидаемой скоростью их эволюции.

На данный момент этот показатель составляет примерно 200 Вт/кг носителя и может достичь 500 Вт/кг к 2035 году. Но даже если предположить вдвое лучший результат, 1 000 Вт/кг, это не пойдёт ни в какое сравнение с 12 000 Вт/кг у авиационного керосина.

Двигатель CFM International LEAP-1 для Airbus A320neo, Boeing 737 MAX и COMAC C919 — самая совершенная на сегодня модель, производимая с участием Safran
Двигатель CFM International LEAP-1 для Airbus A320neo, Boeing 737 MAX и COMAC C919 — самая совершенная на сегодня модель, производимая с участием Safran

Тем временем производитель ставит промежуточные задачи: повысить эффективность силовой установки, улучшить интеграцию двигателя в планер и научиться управлять энергией с меньшими потерями.

Многоуровневые гибриды

В 2030 году Safran собирается предложить гибридную двигательную систему, в которой 10% мощности (как на этапе равномерного полёта, так и при взлёте и посадке) будут «электрическими». Большего не позволит добиться ёмкость аккумуляторных батарей.

Турбовентиляторные двигатели ещё покрутятся

Но ещё через пять лет — в расчёте на прогресс в области хранения энергии — электричество сможет обеспечивать от 20% до 50% тяги. Так, среди прочего, в конструкцию самолёта предлагается ввести вентилятор за хвостовым оперением, который будет поглощать медленный воздушный поток пограничного слоя над фюзеляжем и «восстанавливать» след, уменьшая воздушное сопротивление.

Как раз этот вентилятор сможет приводиться электричеством, вырабатываемым основными турбовентиляторными керосиновыми установками.

Потенциальные разработки Safran в визуализации Aviation Week and Space Technology
Потенциальные разработки Safran в визуализации Aviation Week and Space Technology

Нулевая эмиссия углекислоты

Ещё через пять лет, к 2040 году, предполагается разработать распределённые двигательные системы, в которых до 100% тяги станет обеспечиваться приводимыми электричеством вентиляторами, а генерация мощности будет основана на водородных топливных элементах.

В таком случае при горении действительно не будет выделяться углекислого газа.

Но эта цель достижима только при качественном изменении (относительно сегодняшнего уровня) в системах хранения и передачи электроэнергии большой мощности.

Малые дела

Safran самостоятельно занимается исследованиями перспективных технологий в области топливных элементов внутри своего подразделения Power Units и предлагает авиакомпаниям Electric Green Taxiing System - электропривод передних шасси для узкофюзеляжных (относительно лёгких) самолётов.

Предполагается, что возможность движения по рулёжным дорожкам без использования основных силовых установок сэкономит 2... 5% топлива за рейс - в зависимости от особенностей аэропортов вылета и прибытия. А также значительно уменьшит загрязнение воздуха во время нахождения авиалайнера на земле: сократит выбросы углекислого газа на 61%, угарного газа на 73%, оксидов азота на 51% и несгоревшего топлива на 62%.

Эволюция турбовентиляторов

Усилия Safran по совершенствованию единственной на сегодня практически применимой технологии для магистральных самолётов - турбовентиляторных двигателей - направлены на реализацию концепции открытого ротора (counterrotating open-rotor, CROR). Пока улучшение показателей эффективности горения относительно реализованного проекта - LEAP-1 в CFM International, совместного предприятия с GE Aviation - составляет порядка 10%. Но масса самой силовой установки растёт настолько значительно, что эти преимущества практически "съедаются" прибавкой в весе всей конструкции.

Пока в компании сохраняют оптимизм и считают актуальными ранее поставленные цели: добиться коэффициента двухконтурности 20 и степени сжатия 70. К этим же цифрам стремится британский Rolls-Royce - и конкурирующие разработчики едины ещё и в том, что (в отличие от LEAP-1) в конструкции двигателя с этими показателями должен присутствовать редуктор.

В Safran считают, что показатель двухконтурности (соотношения воздуха, обтекающего камеру сгорания, и проходящего сквозь неё) около 15 делает невозможным применение архитектуры с прямым приводом вентилятора от турбины низкого давления. Поэтому коробка передач обязательна. По этому пути уже движутся Pratt & Whitney  с запущенным в серию PW1000G и Rolls-Royce со своей перспективной моделью UltraFan.

Эволюция двигателей Rolls-Royce: этапы развития идеи отказа от турбины низкого давления с помощью коробки редукторов UltraGear
Эволюция двигателей Rolls-Royce: этапы развития идеи отказа от турбины низкого давления с помощью коробки редукторов UltraGear

И разумеется, французская компания применяет все современные достижения материаловедения: от полимерного покрытия лопастей вентиляторов до производимых трёхмерной печатью керамических лопаток турбин (керамического матричного композита, или ceramic matrix composite, CMC).

Самолёт сливается с двигателем

Какая технология ни выиграет в долгосрочном периоде, в Safran уверены, что в будущем однозначно потребуется более высокий уровень интеграции между авиастроителем и поставщиком силовых установок. Граница между ними будет стираться, равно как и двигатель будет всё глубже встраиваться в планер.