Электролет: история и реальность
Электролет Firefly
Можно ли создать летательный аппарат, приводимый в действие электричеством? Не модель, не игрушку, а настоящий пассажирский самолет или вертолет, способный выполнять длительные перелеты? В истории мирового и отечественного авиастроения есть примеры попытки создания такого летательного аппарата, да и в наше время работа в этом направлении не прекращается. У электролетов есть немаловажные преимущества по сравнению с «традиционными» ЛА: они не загрязняют окружающую среду, имеют низкий уровень шума и вибрации. Однако в части воплощения идеи электролета, а в особенности электровертолета, в жизнь вопросов пока больше, чем ответов. Но когда это обстоятельство останавливало конструкторскую мысль?
Еще во второй половине XIX века русские авиаторы, инженеры и конструкторы приложили немало труда, стремясь создать геликоптер, летающий на электричестве. Первенство в этом вопросе, безусловно, принадлежит отставному военному А.Н. Лодыгину. В 1869 году он выступил с проектом геликоптера, приводимого в действие электродвигателем. К сожалению, на родине изобретатель не нашел поддержки. Не удалось ему воплотить свою задумку в жизнь и во Франции, куда он отправил письмо с описанием своего изобретения. Поначалу там заинтересовались предложением русского изобретателя, поскольку собирались использовать геликоптер в военных действиях против немцев (ставился вопрос даже о производстве вертолета на заводе Крезо). Однако вскоре Франция потерпела поражение, и геликоптер Лодыгина стал не нужен. Но в любом случае дело вряд ли дошло бы до практического применения аппарата: при проведении летных испытаний наверняка выявился бы главный недостаток электрического геликоптера, не позволяющий ему летать долго и далеко – электрический двигатель, вернее, большой вес источника энергии или его недостаточная энергоемкость.
ЦАГИ-5ЭА с электродвигателями
Главной проблемой на пути создания электрической летающей машины как раньше, так и теперь является двигатель. Первый электродвигатель был создан в 1834 году русским физиком, академиком Императорской академии наук Борисом Семеновичем Якоби. Двигатель состоял из двух дисков с расположенными на них металлическими стержнями, обмотанными медной проволокой. Один диск был неподвижен, второй вращался таким образом, что его стержни проходили на расстоянии 12,7 мм от стержней неподвижного диска. Масса подвижного диска составляла 20 кг, он вращался со скоростью 80-120 об/мин. Мощность двигателя, питавшегося от гальванической батареи, была 15 Вт. В дальнейшем Якоби довел мощность двигателя до 550 Вт.
Возможности своего двигателя Якоби продемонстрировал 13 сентября 1838 года. Двигатель (он питался от батареи, состоявшей из 320 гальванических элементов), установленный на лодку, приводил в движение водяные колеса и позволял плыть против течения со скоростью 3 км/ч (в лодке находились 12 пассажиров). Позже электродвигатель установили на железнодорожную платформу, а в 1841 году – на первый электромобиль в виде тележки с мотором.
Двигатель, изобретенный Якоби, был намного легче паровых двигателей, но он оставался слишком тяжелым для того, чтобы его можно было использовать на летающих машинах.
В 30-х годах XX века разработкой привязного вертолета на электрической тяге занимался инженер-электрик, впоследствии академик Всероссийского электротехнического института, А.Г. Иосифьян. В период с 1933 по 1935 гг. он работал над моделью двухвинтового вертолета соосной схемы. Два трехлопастных винта диаметром 1,8 м с креплением лопастей к втулке с помощью горизонтальных шарниров вращались в противоположные стороны. Винты приводились во вращение специальным трехфазным асинхронным электродвигателем мощностью 520 Вт, получавшим питание от обычной электросети напряжением 220 В через гибкий кабель. Один винт вращался вместе с ротором двигателя, другой – вместе со статором. Полная масса модели была 28 кг (включая двигатель массой 11 кг).
Построенная модель была всесторонне испытана: в процессе этих испытаний меняли угол установки лопастей и измеряли развиваемую подъемную силу. Больше всего затруднений вызывала вибрация всей установки вследствие недостаточной балансировки статорной и роторной обмоток двигателя. В результате испытаний была намечена разработка электродвигателя мощностью 25-30 кВт, рассчитанного на более высокое напряжение в питающей сети.
В начале 1937 года был построен привязной электровертолет новой схемы. Модель имела трехлопастный винт диаметром 11 м, приводимый во вращение тягой небольших тянущих винтов (диаметром 0,4 м), которые размещались вместе с электродвигателями на конце каждой лопасти. Масса каждого двигателя составляла 8,3 кг, мощность – 8 кВт. Тянущие винты при этом вращались со скоростью 9000 об/мин, а несущий винт – 75 об/мин. Аппарат управлялся с помощью изменения циклического и общего шага винта за счет установленного автомата перекоса.
Проведенные в мае-июне 1937 года испытания показали, что модель при частоте вращения до 40-45 об/мин работает нормально, но после увеличения оборотов до 70-75 об/мин начиналась вибрация втулки. Дергалась ручка управления, что затрудняло контроль над машиной. Кроме того, масса аппарата оказалась превышена на 120 кг: двигатели работали с нагрузкой, почти в полтора раза превышающей ту, на которую были рассчитаны, и перегревались. Из-за перегрева двигателей вертолет мог находиться в воздухе не больше 5-10 минут и подниматься на высоту 1 м. Программа испытаний не была завершена из-за поломки аппарата.
Самым успешным вариантом стал привязной электровертолет, созданный на базе вертолета ЦАГИ-5ЭА. На него вместо двух пятицилиндровых звездообразных ротативных двигателей М-2 мощностью 120 л.с. были установлены два специально построенных особо облегченных электродвигателя, каждый из которых имел мощность 200 л.с. при 2200 об/мин. Масса одного такого электродвигателя составляла 130 кг, в то время как поршневой М-2 должен был весить около 160 кг.
Электросамолет, разработанный студентами Токийского технологического института
Yuneec E430
Основную работу по доводке и регулировке вертолета выполнял инженер В.И. Барашев. На пятитонном грузовике была смонтирована специальная электростанция, с помощью которой осуществлялось питание электродвигателей вертолета. Первые испытания привязного электровертолета проводились на земле.
Были проверены системы запуска двигателей и винта, системы переключения всей мощности на один электродвигатель. Винт при этом работал на малых углах атаки.
Электролет, который пилотировал В.А. Карпов, осуществил несколько подъемов на высоту 5-10 м. Электростанция находилась примерно в 100 м от вертолета, из-за чего летательный аппарат при подъеме должен был поднимать с собой и часть питающего кабеля.
В связи с началом Великой Отечественной войны работы по привязному электровертолету были прекращены и больше не возобновлялись.
Электродвигатель пока не нашел своего применения на вертолетах. Мы не имеем в виду радиоуправляемые модели с электродвигателем – таких великое множество. Однако сказать, что электрический силовой агрегат не используется на «взрослых» летательных аппаратах, было бы неправдой. Современные технологии позволяют все-таки их использовать, правда, в основном на самолетах. Появление энергоемких аккумуляторов, солнечных панелей, водородных топливных элементов дало возможность изобретателям, конструкторам разрабатывать такие самолеты. Вот только несколько примеров.
В 2006 году студенты Токийского технологического института совместно с компанией Matsushita Electric Industrial сконструировали электросамолет, двигатель которого работал от 160 обычных пальчиковых батареек. Электролет с размахом крыльев 32 м и весом около 50 кг поднял пилота (вес которого составлял 53 кг) на высоту 5,2 метра и за 59 секунд пролетел 391 м.
В 2009 году публике был представлен двухместный китайский электросамолет Yuneec E430. Литиевые батареи весом 72 кг позволяют двигателю развить мощность 40 кВт. При крейсерской скорости 90 км/ч электричества хватает на два с половиной часа полета на дальность около 220 км. Максимальная скорость аппарата составляет 150 км/ч. Размах крыла электросамолета – 13,8 м, длина – 6,98 м, вес пустого аппарата – 250 кг, максимальный взлетный вес – 470 кг.