Японская фирма Mazda и Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ) создают энергетические установки, в которых будут задействованы роторно-поршневые двигатели (РПД). Одна из причин возрождения РПД или, как его еще называют, «Двигателя Ванкеля» (в честь немецкого изобретателя Феликса Ванкеля) состоит в том, что его легче, чем другие типы ДВС, перевести на водородное топливо.Решение, предлагаемое японцами – четырехместный электромобиль MX-30 в варианте со вспомогательным РПД. Прямой связи с колесами у ротора нет, он может использоваться только для подзарядки бортовых батарей.

ЭУ-РПД-350Т на авиасалоне МАКС-2021

В свою очередь, конструкторское бюро РПД в составе ЦИАМ создает энергетическую установку ЭУ-РПД-350Т на основе двухсекционного РПД-350Т и соосного с ним мотора-генератора. В ее составе также присутствует силовой контроллер, обеспечивающий надежное управление обратимой электрической машиной. Сухой вес с генератором и выпрямителем – 210 кг. Образец ЭУ-РПД-350Т выставлялся на аэрокосмическом салоне «МАКС-2021».

Установка предназначена для применения в составе гибридной силовой установки летательного аппарата вертикального взлета и сверхкороткого взлета и посадки. «Параллельная схема с приводом движителей непосредственно от вала РПД и/или интегрированного электродвигателя позволяет реализовать преимущества как традиционной трансмиссии с редуктором, так и последовательной гибридной или электро-трансмиссии», – сообщается в буклете ЦИАМ.

Разработка ЭУ-РПД-350Т ведется совместно с Фондом Перспективных Исследований, завершение проекта – 2024 год. К настоящему времени успешно завершен аванпроект. Судя по приводимым параметрам, РПД-350Т рабочим объемом 1,308 литра имеет много общего с РПД-150Т, что разрабатывается в рамках ОКР по заказу Минпромторга с окончанием работ в 2024 году. На взлете ЭУ-РПД-350Т развивает мощность 350 л.с., причем, в дальнейшем значение может быть повышено благодаря раскрутке ротора с 7 до 8 тыс. оборотов в минуту. На крейсерском режиме мощность составляет 190 л.с., расход топлива – 250-280 гр/л.с.*ч.

«Экологическая повестка»

Возможность приспособить, с минимальными переделками, роторно-поршневой двигатель к потреблению водорода приобретает особую ценность в связи с приоритетом, который получает в мире так называемая «экологическая повестка». В апреле 2021 года ее поддержали главы великих держав: Джо Байден, Владимир Путин и Си Цзиньпин выступили на международном онлайн-саммите по вопросам борьбы с изменениями климата. Тема получила продолжение на встрече G20 в Риме 30-31 октября. В итоговом коммюнике указана готовность стран на национальном уровне перейти к «углеродной нейтральности» в энергетике к «середине века».

По словам Владимира Путина, Россия готова участвовать в формировании справедливых правил решения климатических проблем. Наша страна входит в число лидеров глобальной декарбонизации. Один из инструментов воплощения данной политики – программа повышения энергоэффективности на период до 2035 года.

Все больше промышленно развитых государств заявляют о своем желании радикально сократить выделение парниковых газов. Евросоюз и Великобритания взяли обязательства по сокращению выбросов углерода к 2030 году более чем на половину, пообещав к 2050-му добиться нулевого нетто-показателя. Не позднее 2060 года на «углеродную нейтральность» выйдет и Россия.

Одна за другой страны Запада вводят ограничения на продажи и использование загрязняющей воздух дорожной техники. По нашей оценке, требования, что сегодня формулируются к автомобилям, а также те практические решения «по технике», что принимают автогиганты, окажут серьезное влияние и на дальнейшее развитие авиации, особенно той её части, которую принято называть «малой» или «легкомоторной».

Президент США Джо Байден подписал указ, ставящий задачу довести к 2030 году долю электромобилей до половины от всех, продаваемых в стране пассажирских транспортных средств. Великобритания заявила о запрете с 2030 года продажи новых бензиновых и дизельных автомобилей. Европейская комиссия предложила к 2035 году отказаться от подобных машин на территории Евросоюза и пускать на рынок исключительно новые транспортные средства с нулевым уровнем вредных выбросов. Нью-Йорк, Калифорния, Квебек и Британская Колумбия заявили о запрете продаж новых легковых автомобилей с ДВС с 2035 года.

Китай рассматривает разработанные под эгидой правительства предложения о том, что в 2035 году половина всех продаваемых в стране автомобилей должна быть представлена электромобилями, транспортными средствами на топливных элементах и водороде, а также гибридами, в основном рассчитанными на электро-движение; вторая половина - «неподключаемые» гибриды.

Четко обозначенная позиция властей на «декарбонизацию» подвигает автовладельцев ускорить переход на передовую технику. Доля электромобилей и гибридов в продажах на территории Франции и Германии достигла двухзначных значений в процентах от общего числа реализованных единиц автотранспорта. Заметный рост продаж подобной техники также наблюдается и в других странах Запада.

Мазда

Среди автогигантов, занимающихся электромобилями и гибридами, присутствует и фирма «Мазда». Она вела серийное строительство роторных автомобилей с 1967 по 2012 год, а сегодня усиленно развивает гибридное направление, где РПД будет использоваться в качестве привода электрогенератора. Первая подобная связка предлагается на специальном варианте «кроссовера» MX-30, переданного весной в серийное производство.

Осенью на японском рынке открылись продажи машины базового исполнения: электромобиль мощностью 144 л.с., оснащенный батареей емкостью 35,5 киловатт-часов. Режим быстрой зарядки в условиях специально оснащенной станции позволяет поднять «пустую» батарею до 80% за 36 минут, и зарядить полностью за 4-5 часов.

Главный недостаток – дальность хода ограничена 200 км. Поэтому тем, кто много ездит по автобанам, предлагается купить гибридный вариант MX-30 c РПД следующего поколения. У ротора нет прямой связи с колесами; он может использоваться только для подзарядки бортовых батарей, что существенно увеличивает допустимое для безостановочной поездки расстояние.

Принимая во внимание новую ситуацию, складывающуюся в мире, Мазда рассматривает и иные варианты применения РПД. Для жителей мегаполисов, где запретят использование ДВС, будут предлагаться «чистые» электромобили, а тем, кто живет загородом – гибриды. Предполагается, что на въезде в мегаполис водители «гибридов» будут отключать РПД, а вмести с ним – и режим «подзарядки на ходу», продолжая движение на запасенном электричестве.

Какими параметрами будет обладать новый японский РПД пока не известно. Считается, что в его конструкции найдут применение решения, опробованные на концепте Taiki 2007 года. Эта спортивная машина оснащалась двигателем Renesis II (16Х) мощностью 300 л.с. Она должна была сменить на конвейере RX-8, построенную в количестве около 192 тысяч в период с 2003 по 2012 год.

Эта модель была снята с производства после ужесточения экологических норм в Европе. Для соответствие им «Мазда» и разработала значительно обновленный Renesis II (16Х). При сухой массе с обвязкой 112 кг, серийный 13B-MSP на RX-8 в варианте для японского рынка развивал максимальную мощность 250 л.с., что выводило его в «передовики» среди ДВС по величине отношения мощности к единице веса.

Роторный двигатель гибридного автомобиля Mazda 2

Фирма изначально проектировала «Ренесис» так, чтобы его можно было перевести на водородное топливо. Через пару лет после начала выпуска RX-8, «Мазда» получила разрешение на эксплуатацию «двух-топливных» RX-8 HRE,  и следующим летом поставила первую партию таких машин японским потребителям на условиях лизинга.

Осенью 2007 года 30 RX-8 HRE отправились в Норвегию для участия в проекте Hynor. Двух-топливный вариант «Ренесис» мог работать как на бензине (поступал из штатного бака 61 литр), так и водороде. Последний (2,4 кг) хранился под высоким давлением в специальном 110-литровом баке из алюминия, усиленном углеродными нитями. Переключение между топливом выполнялось нажатием кнопки на приборной панели.

При работе на водороде, мотор не выделял вредных выбросов (только пар), но дальность хода была невысока – всего лишь сто километров. Крутящий момент, развиваемый мотором, уменьшался на 60%, мощность – почти вдвое, но располагаемых сто «лошадей» вполне хватало, чтобы уверенно держаться в потоке.

«Мазда» также выпустила несколько десятков полуэкспериментальных шестиместных Mazda 5 Hydrogen RE Hybrid c ротором от RX-8 HRE и 40-сильным электродвигателем, запитанным бортовой батареей. Хотя тема «двух-топливных» машин и не получила распространения, был получен интересный опыт практической эксплуатации подобной техники. А самое главное – доказано, что, при необходимости, РПД можно питать водородом, и, тем самым, добиться «углеродной нейтральности», лишь немного подпорченной сгоранием небольшого количества моторного масла.

Электролёты и гидриды

Пока речей о каких-либо ограничениях на использование летательных аппаратов с ДВС в воздушном пространстве над мегаполисами не ведется. Однако подобное развитие событий представляется логичным продолжением политики ведущих стран Запада на сворачивание производства автомобилей с ДВС в пользу таковых на электротяге.

Среди решений, которые могут предложить самолетостроители – использование гибридной авиатехники, в составе которой присутствует электродвигатель. Полный отказ от ДВС пока трудно обеспечить технически; исключение составляют разве что малые беспилотные аппараты – таковые уже существуют и применяются как в военном деле, так и на гражданке.

При этом конструкторам придется решить множество задач, связанных с обеспечением энергетической эффективности авиатехники. Данной темы коснулся руководитель компании «Кронштадт» в интервью «Интерфакс», опубликованном 24 августа с.г. Вот что сказал Сергей Богатиков: «Главным препятствием для применения электроэнергии в авиации является малая, по сравнению в углеводородным топливом, удельная энергетическая емкость аккумуляторных батарей. Примерно на порядок. То есть 10 кг бензина обеспечат такую же продолжительность полета, как 100 кг аккумуляторов. У водородных источников тока этот показатель лучше, но там есть другие проблемы. Тем не менее, мы внимательно следим за развитием технологий гибридных силовых установок и полностью электрических летательных аппаратов».

Как видно, соотношение - не в пользу «электролётов». А вот гибриды могут дать решение: взлет с городской площадки аппарат выполнит на электричестве, а выйдя за пределы мегаполиса – переключится на ДВС. Тем самым будет обеспечены высокие экологические показатели при полетах над густонаселенными городскими районами и экономичность при движении от одного населенного пункта к другому.

Помимо того, гибридная энергетическая установка обеспечивает повышенный уровень безопасности. При отказе ДВС летательный аппарат продолжит полет на электротяге (и наоборот). Данный вариант со вспомогательными электромоторами рассматривается применительно к перспективной машине местных авиалиний «Байкал», впервые представленном в полноразмерном виде на «МАКС-2021». Правда, система, планируемая к установке на ЛМС-901, декларируется как резервная, для осуществления контролируемой аварийной посадки при отказе основного двигателя, в роли которого выступает турбовинтовой ВК-800СМ разработки Завода имени В.Я. Климова.

Отработка подобной схемы ведется на опытном самолете ТВС-2МС с регистрационным номером 48986, созданном на базе биплана Ан-2. Он участвовал в программе демонстрационных полетов МАКС-2021. Вместо штатного поршневого мотора АШ-62, эта машина оснащается ТВД и восемью мини электромоторами под нижним крылом, каждый из которых комплектуется складным винтом. Практическая реализация этой схемы будет предпринята на самолете укороченного взлета-посадки «Партизан».

Министр промышленности и торговли Денис Мантуров пообещал, что многоцелевой местный самолёт ЛМС-901 «Байкал» завершит сертификацию и поступит в серию в 2023 году. При взлете с предельной массой 4800 кг, он будет способен перевезти две тонны груза на расстояние до 3000 км с крейсерской скоростью 300 км/ч. Также на «Байкале» будет автоматическая система парашютирования. За счет всего этого машина может рассчитывать на разрешение авиационных властей выполнять коммерческие полеты не с 9 (ограничение для одномоторных самолетов), а 14 пассажирами.

Что немцу хорошо, то русскому…

Ожидается, что Россия создаст полный набор технологий для регионального самолета с гибридной силовой установкой к 2026-2027 годам, что позволит построить такую машину к  2030 году. Об этом рассказал руководитель Национального Исследовательского Центра «Институт имени Н.Е. Жуковского» Андрей Дутов. Следующим шагом станет использование  сжиженного водорода в качестве топлива и, одновременно, хладагента. Тем самым получится самолет, не загрязняющий атмосферу выбросами углекислого газа и другими вредными веществами.

Логично предположить, что главным потребителем водорода на борту гибридного летательного аппарата станет РПД. К числу приятных особенностей «Двигателя Ванкеля» относят возможность повышения мощности за счет добавления секций. Так, например, ВАЗ-526 имел 4 секции, мощность 400 л.с. и вес 175 кг. За счет высокого турбонаддува, рекордные РПД типа 26В фирмы «Мазда» для болидов – победителей гонок «24 часа Ле-Мана» развивали 500-700 л.с.

Андрей Владимирович также отметил, что подход российских специалистов расходится с тем, что принят в Европе. Там активно занимаются электрическими самолетами, полностью полагаясь на аккумуляторы. С учетом развития, их емкости должно хватить для перелета на 200-400 км, что для европейских условий вполне достаточно. Россия же, с ее огромными просторами, нуждается в самолетах, способных покрыть значительно большее расстояние, минимум одну-две тысячи километров. Вот почему для нас предпочтительнее гибрид.

Типичная программа его полета, по мнению Дутова, будет следующей: взлет и начальный набор высоты на электромоторе, затем включается газотурбинный двигатель на разрешенной высоте и часть его мощности используется для подзарядки аккумуляторных батарей. На этапе снижения и захода на посадку вновь задействован электромотор. 

Важное место в отработке необходимых технологий отводится летающей лаборатории Як-40МС СибНИА с бортовым номером 87251. Вместо штатных двигателей АИ-25, он оснащен двумя маршевыми ТРДД TFE731-5BR, а также вспомогательной энергетической установкой и бортовой электрической системой рекордного напряжения – 800 Вольт. Она включает электродвигатель компании "СуперОкс" мощностью 860 л.с., в котором применены сверхпроводящие материалы обмоток.

"СуперОкс" в связке с ТВ2-117 на авиасалоне МАКС-2021

фото: Роман Гусаров

Для них созданы «комфортные условия»: температура 77 градусов по Кельвину, внутри - жидкий азот, благодаря чему сопротивление на обмотках близко к нулю. Это позволяет реализовывать огромные мощности при сравнительно небольших размерах. Для обеспечение тепла и выработки электроэнергии для подзарядки батарей используется ВСУ на базе вертолетного двигателя ТВ2-117 и 500-киловатного генератора.

Стимулы

Говоря об отличиях российского и европейско-американского подходов, нужно отметить различие методов по стимулированию производителей и потребителей к переходу на более современные машины с лучшими параметрами по экологии. По словам Мантурова, вместо запретов, правительство будет поощрять покупку «экотранспорта» предоставлением доступного кредитования и распространением программы льготного лизинга: с 2022 года на электроавтомобили, а в последующем – и на водородные.

Разработчики подобной техники, а также ее «начинки», получат субсидии и компенсации части затрат на НИОКР. Хотя эти меры главным образом рассчитаны на автопроизводителей, в результате отечественная промышленность освоит новые технологии, которые также пригодятся и для авиации. Например, по части емких аккумуляторных батарей, электрики и электроники, топливной автоматики и конструкционных материалов.

Материал по теме: Роторные двигатели взлетят благодаря нано-технологиям