Михаил Гордин: мы первыми испытали в полете сверхпроводящий электромотор

В рамках прошедшего в июне авиационно-космического салона МАКС-2021 состоялся первый в мировой истории демонстрационный полет уникального самолета. В небо поднялся Як-40ЛЛ, оснащенный гибридной силовой установкой на основе газотурбинного двигателя и сверхпроводникового электромотора. О планах дальнейших испытаний этого самолета, "гибридизации" воздушного транспорта, переходе авиации на водородное топливо и сложностях импортозамещения в интервью специальному корреспонденту РИА Новости Дмитрию Струговцу рассказал генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова, кандидат технических наук Михаил Гордин.

– Михаил Валерьевич, не опасно ли было отправлять самолет в первый демонстрационный полет при зрителях?

– Самый первый полет Як-40ЛЛ совершил намного раньше, 17 июня. Летающая лаборатория прошла все необходимые наземные проверки и на собственных двигателях прилетела из Новосибирска в Жуковский. Риска для зрителей и летчиков-испытателей демонстрационный полет не представлял. Основным риском для нас была отмена демонстрационного полета по техническим причинам. Изначально мы хотели провести его чуть раньше, но помешали возникшие из-за коронавируса логистические трудности. Сейчас все заводы переориентированы на производство жидкого кислорода для больниц, поэтому с оперативной поставкой жидкого азота имелись некоторые сложности. А он необходим для охлаждения сверхпроводников гибридной силовой установки. Так что полетать смогли только после решения этого вопроса. И главная цель демонстрационного полета – показать, что самолет нормально летает, – была достигнута.

– В чем уникальность состоявшегося полета?

– Это первые в мире летные испытания сверхпроводящего электрического авиадвигателя. Надо понимать, что Як-40ЛЛ с этим двигателем – не прототип самолета нового поколения, а пока только летающая лаборатория для исследования демонстраторов технологий гибридных и электрических силовых установок. Но когда через 20-40 лет электрические машины на высокотемпературных сверхпроводниках будут широко использоваться в мировой авиации, все будут помнить, что начало было положено на авиасалоне МАКС-2021.

– Как оцениваете сам полет, он прошел успешно?

– Да, конечно. Нам очень важен сам факт допуска к полету и его успешное осуществление. Ведь это не рекламный ход, а завершение длительного этапа научно-исследовательской работы по разработке и наземной отработке целого ряда систем и механизмов. Не зря первый демонстрационный полет считается серьезной вехой при разработке новой авиационной техники.

– Как дальше будут проходить испытания?

– Летающая лаборатория уже вернулась в Новосибирск, где продолжит летные испытания. Совместно с СибНИА имени С.А. Чаплыгина (ЦИАМ – головной исполнитель проекта, СибНИА отвечает за летающую лабораторию, обе организации входят в НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" – ред.) нам предстоит проверить работу систем при разных режимах полета, в различных условиях вибрации и перегрузок. Необходимо понять, как меняется мощность электрогенерации на разных высотах. Все планы отражены в программе испытаний, которая продлится до первой половины 2022 года. Конечно, сроки не жесткие и зависят от того, с какими трудностями мы столкнемся в ходе полетов. Как только все запланированное будет завершено, мы демонтируем с летающей лаборатории все оборудование и сформируем план дальнейшего использования самолета.

– То есть этот двигатель и энергоустановка ни на какой реальный самолет не пойдут?

– Однозначно. Это исключительно двигатель-демонстратор для отработки технологий.

– Со стороны российских потенциальных заказчиков и ваших зарубежных конкурентов после первого демонстрационного полета был какой-то отклик?

– Проведенный демонстрационный полет – это только часть научно-исследовательской работы, поэтому говорить о реакции бизнеса преждевременно, но наши российские коллеги-инженеры звонят с поздравлениями. Вижу очень много публикаций на эту тему. От зарубежных коллег поздравлений пока не поступало.

Осенью во Франции, а затем в Германии состоятся две важные научные конференции по электрическому движению, планируем озвучить там предварительные результаты наших летных испытаний. Полагаю, после доклада все выстроятся в длинную очередь с желанием с нами пообщаться. Профессиональное сообщество понимает, насколько значимым событием является этот полет. Ведь зарубежные коллеги, включая мировые авиаконцерны, только приступили к исследованию применения сверхпроводников в авиации, а мы в России на них уже летаем.

– После завершения этого проекта какие планы у ЦИАМ и вообще российского авиационного моторостроения в области разработки электрических двигателей?

– Основное направление – движение в сторону использования водорода вместо азота в качестве хладагента. Понижение температуры при использовании сверхпроводников дает значительный рост плотности тока и мощности магнитных полей. По нашим расчетам, при тех же массогабаритных характеристиках мощность электрического двигателя при использовании водорода по сравнению с азотом вырастет в три раза. Электрический двигатель, который сейчас условно выдает 500 киловатт мощности, при том же размере и весе может давать 1,5 мегаватта.

Переход на водородное топливо – мировая тенденция. Безусловно, потребуется поменять материалы, решить целый ряд инженерных проблем. Это большая и сложная задача, но есть понимание, как ее решать.

Кроме того, сейчас на Як-40ЛЛ у нас для отработки технологий электродвижения стоит турбовальный газотурбинный двигатель ТВ2-117. На следующем этапе заменим его на современный серийный двигатель ВК-2500, что потребует установки электрогенератора мощностью два мегаватта. Более того, мы хотим и двигатель ВК-2500 перевести на водородное топливо. Это будет отдельный проект совместно с "Объединенной двигателестроительной корпорацией", с криогенным баком, системами термостатирования и подачи жидкого водорода. Процесс создания такого двигателя, по предварительным оценкам, займет порядка пяти лет и будет включать в себя весь комплекс работ и испытаний. Затем – летные испытания, возможно, на том же Як-40ЛЛ, который сейчас участвует в испытаниях, 500-ваттного сверхпроводящего двигателя.

Параллельно с этим проектом нужно будет попытаться сделать электромашину еще большей мощности, возможно, перевести на водородное топливо какие-то другие газогенераторы. Все вышесказанное позволит к 2030 году накопить достаточный объем знаний и научно-технический задел для разработки демонстратора летательного аппарата под эти технологии. С большой долей вероятности он появится не ранее 2035 года. По нашим и зарубежным прогнозам, только к середине столетия появятся магистральные самолеты, использующие криогенное водородное топливо, технологии сверхпроводимости и электродвигатели в дополнение к тепловым двигателям.

Небольшие гибридные и полностью электрические самолеты появятся раньше, они уже есть. На МАКСе было представлено несколько таких проектов. Возьмем, к примеру, продемонстрированный нами самолет "Сигма-4Э". Это небольшой пилотируемый полностью электрический самолет, работающий от аккумуляторов. Он способен перевезти двух человек на расстояние 100 километров. Если сейчас вплотную заняться подготовкой документов, то в следующем году можно получить сертификат летной годности на этот самолет и начинать его эксплуатацию. В Европе уже летает небольшой самолет Pipistrel. Посмотрим, будет ли он коммерчески успешным, смогут ли наши коллеги продать необходимое количество экземпляров, чтобы окупить разработку.

– Если сравнивать уровень развития технологий, то в области авиационного электродвижения Россия опережает или отстает от других стран?

– По части создания систем на сверхпроводниках, благодаря российскому разработчику "СуперОкс", одному из мировых лидеров в этой области знаний, мы опережаем наших зарубежных конкурентов года на два-три. В авиации это очень большой срок. Главное – не сбавлять темп.

Если же говорить о "традиционных" электродвигателях, то здесь мы с ними находимся на одном уровне, может быть чуть-чуть отстаем. Но надо признать, что и затраты в этой области у нас несопоставимо меньше.

– Насколько коммерчески успешным будут электросамолеты, на ваш взгляд?

– Прогноза никто не даст, потому что не знает. Есть общепризнанный факт: у электродвигателей очень высокий КПД, но с собой приходится возить тяжелые аккумуляторы. Пока не понятно, когда и кто сможет изобрести более легкие батареи. Это может позволить в разы снизить вес и подстегнуть развитие техники, усилит конкуренцию. Из проблем – разработка и изготовление электродвигателей для испытаний обходятся дорого. Допускаю, что при переходе на серию себестоимость может упасть. Из плюсов отмечу повышенную экономичность использования электрических двигателей, нулевые показатели по эмиссии вредных веществ в атмосферу. У гибридных систем, сочетающих в себе традиционные двигатели и электрические машины, пока намного больше шансов. Даже несмотря на то, что они имеют большую массу по сравнению с традиционными моторами, выигрыш возможен за счет оптимальных режимов работы всей системы на различных этапах полета: при взлете, наборе высоты, крейсерском режиме и посадке.

Внедрение электродвижения будет происходить постепенно. Серийные гибридные самолеты, скорее всего появятся в ближайшие пять-семь лет. Это будут самолеты на 9-19 пассажиров для обслуживания местных, а затем и региональных авиалиний.

На Западе сейчас реализуется несколько проектов разной степени гибридизации. Есть чисто научные, есть стартапы с продуманным бизнес-кейсом. Однако и последние не застрахованы от неудач.

– В чем же тогда уверенность, что электродвигатели и гибридные силовые установки будут востребованы в авиации, если не очевидна их коммерческая составляющая?

– Об этом прямо говорит регуляторное давление. ICAO (Международная организация гражданской авиации – ред.) приняла решение к 2050 году сократить в два раза по сравнению с уровнем 2010 года выбросы диоксида углерода. При этом существует прогноз трехкратного роста мирового авиапарка к этому же сроку. Получается, что выбросы CO2 для конкретного летательного аппарата должны сократиться в шесть раз – до 13% от уровня 2010 года. Сделать это с тепловыми газотурбинными двигателями невозможно. Можно оптимизировать планер, профиль полета самолета, усовершенствовать традиционный двигатель, но в шесть раз сократить эмиссию вредных веществ нереально, нужны прорывные технологии. Как вариант – электричество, гибридные силовые установки и водород в качестве топлива.

Мы можем взять воду и с помощью "зеленого" электричества путем электролиза получить из нее водород для топлива. Результатом его сжигания в авиадвигателе снова станет вода, то есть это полностью возобновляемый источник энергии. К тому же, водород эффективнее керосина. Из килограмма жидкого водорода можно извлечь почти в три раза больше энергии, чем из авиакеросина. Однако у водорода низкая плотность, что потребует больших топливных баков для его хранения и, соответственно, пересмотра архитектуры летательного аппарата. Например, не классическая "труба с крылом", а "летающее крыло" или что-то иное.

– Сейчас вы вместе с Центральным научно-исследовательским автомобильным и автомоторным институтом адаптируете автомобильный двигатель проекта "Кортеж" для авиационного применения. А есть ли перспективы внедрения авиационных электродвигателей в других сферах?

– Перспективы и возможность есть. Например, мы решили со следующего года попробовать организовать мелкосерийное производство электродвигателя от проекта "Сигма-4". Есть достаточно высокая вероятность, что он будет востребован на рынке. Проблема пока в стоимости: авиационные двигатели из-за используемых в них сложных решений и мелкой серийности выходят дороже автомобильных.

Сейчас ЦИАМ совместно с Фондом перспективных исследований обсуждает возможность разработки компактного энергоузла мощностью 350 киловатт на базе роторно-поршневого двигателя. Его также можно будет использовать как стационарную станцию или устанавливать на грузовом автотранспорте.

– Если вернуться к авиадвигателю АПД-500 на основе двигателя от проекта "Кортеж", на каком этапе сейчас находятся его испытания?

– Создан двигатель в конструктивном облике два (КО-2), осенью установим его на Як-18Т и начнем пробежки. Потом подлеты. В конце этого – начале следующего года самолет выполнит первые полеты. Надо понимать, что АПД-500 – это не серийное изделие, а исследовательский проект для отработки технологий. Не все понимают разницу и суть проекта.

Параллельно идет работа по созданию версии этого двигателя для легких самолетов акробатической категории по проекту "Циркач". Данный демонстратор планируем собрать к зиме и испытать на наземных стендах. Затем планируем установить его на летающую лабораторию на базе самолета Як-52 и испытать в СибНИА. Летные испытания начнутся в следующем году.

Повторюсь, что эти демонстраторы призваны доказать принципиальную возможность создания авиационного двигателя из автомобильного. В мире такие аналоги есть, это в России мы первые.

Далее по двигателю АПД-500 перед нами встает выбор – отдать его в штучное производство или проработать серийный вариант. Последнее потребует организации и проведения опытно-конструкторской работы длительностью до 2,5 лет.

Особенность серийного двигателя в том, что все двигатели в серии должны быть абсолютно одинаковыми, чтобы результаты испытаний нескольких первых образцов подтверждали характеристики, надежность и безопасность всей серии. Изготавливаемые в единичном экземпляре двигатели конструктивно могут отличаться друг от друга, а для серийного двигателя нужно сначала выпустить всю необходимую документацию, стабилизировать технологии серийного производства, поставки по кооперации, а потом провести весь цикл испытаний. В итоге получится сертифицированный типовой двигатель, который можно выпускать серийно. А это позволит проектировать именно серийные, а не единичные, летательные аппараты. Если есть двигатель, то разработать под него самолет проще, чем делать наоборот – разрабатывать самолет, а потом по всему миру искать под него мотор. К тому же, АПД-500 будет конкурентоспособным по цене, ведь за основу взят серийный автомобильный двигатель. Соответственно, на него может возникнуть экспортный спрос. Этим двигателем уже интересуются разработчики самолетов для сельскохозяйственных работ. При такой мощности двигателя самолет способен поднять большой объем ядохимикатов, или можно, например, разработать двухмоторный 9-местный самолет для местных авиалиний.

– Может ли АПД-500 заменить немецкий поршневой двигатель RED A03T V12 в Як-152?

– Физически ничего не мешает установить его на Як-152. Интеллектуальная собственность на все его элементы принадлежит России. Поэтому мы и видим перспективы этого авиадвигателя именно на локальном рынке. Сейчас также обсуждается возможность проектирования нового 500-сильного дизельного двигателя не на замену двигателя RED, а как его аналога для самолета Як-152. Дело в том, что создать именно замену трудно, основная сложность кроется в удачной компоновке и использовании комплектующих, которые в России не производятся. Нужно и можно ли поставить на ЯК-152 другой двигатель – это вопрос к разработчику самолета и государственному заказчику, и в любом случае это предмет отдельной опытно-конструкторской разработки.