Вопрос не в том, если, а в том, когда

Как скоро электрическая тяга станет реальностью в аэрокосмической отрасли?

Электрические двигатели открывают эпоху инноваций в аэрокосмической и авиационной промышленности, невиданную десятилетиями. В последние годы тенденция наметилась и закрепилась.

Консалтинговая компания Roland Berger подготовила исследование «Электрическая силовая установка самолета: вперед и вверх». Перевод статьи в двух частях сделан АНО «Центр развития транспортных технологий».

От технологического развития и инвестиций со стороны новых участников до деятельности крупных аэрокосмических компаний — отрасль, похоже, ждет драматический сдвиг. Потребители, авиакомпании, защитники окружающей среды и регулирующие органы, воодушевленные темпами изменений в автомобильном секторе, также начинают призывать к действиям в аэрокосмической и авиационной отраслях.

Электрическая силовая установка обещает несколько преимуществ: потенциал полета с низким или нулевым уровнем выбросов, потенциал для открытия новых применений для самолетов, возможность более безопасного полета за счет меньшего количества отказов и менее опасного накопления энергии, и, что особенно важно, гибкость конструкции, обеспечиваемая распределенным тяга и очень высокое ускорение и высокие возможности «рывка».

Есть также несколько недостатков, препятствующих переходу к электрическим силовым установкам: текущая низкая технологическая зрелость, необходимость в сложной системе управления батареями/питанием, а также потребность в том, чтобы самолеты дольше несли больший вес из-за низкой плотности энергии батареи - вес воздушного судна не будет уменьшаться в течение цикла полета, как это происходит с обычным двигателем, по мере расхода топлива.

В этом обновленном анализе мы расскажем о последних разработках и о том, как они влияют на мир аэрокосмической и авиационной промышленности.

-Мы начнем с отслеживания прогресса, достигнутого в преодолении различных барьеров на пути к электрическим двигателям, от технологий до регулирования и рыночного спроса.

-Далее мы опишем, как доля авиации в глобальных выбросах CO2 может быстро возрасти к 2050 году, если сохранятся нынешние тенденции.

-Затем мы детализируем значительное обновление нашей базы данных по электрическим силовым установкам, в том числе обновленную информацию о разработках в области авиации общего назначения, городских воздушных такси (UAT), региональных/деловых самолетов и больших коммерческих самолетов (LCA).

-Далее мы выделяем ключевые потенциальные последствия и потенциальные сдвиги в текущей структуре отрасли аэрокосмической и авиационной промышленности, в том числе возможность нового регионального бума, потенциальное неожиданное прекращение разработки технологий с открытым ротором, кипящую борьбу за превосходство в развитии энергосистем — и, что особенно важно, потенциальное влияние большой ставки Китая на электрический транспорт.

-Наконец, мы представляем взгляды на электрические силовые установки от ведущих руководителей аэрокосмической и авиационной отраслей, в том числе мнение easyJet о том, почему авиакомпании могут быть заинтересованы в переходе на электрические силовые установки.

Отслеживание прогресса в преодолении барьеров на пути к электрическому движению.

2017 год стал рекордным: было объявлено около 40 новых программ разработки самолетов с электрическим приводом, и эта тенденция, похоже, сильно сохранится в 2018 году. Большая часть этого роста была связана с ростом числа новых разработок eVTOL/Urban Air Taxi. Однако интерес продолжал расти и в других сегментах электрической авиации, с рядом новых программ развития в авиации общего назначения, региональных и даже больших коммерческих самолетах в 2017-2018 гг.

Однако существуют значительные барьеры, которые эти программы развития должны преодолеть, прежде чем реализовать свои амбиции. Как было показано в нашем предыдущем исследовании, существуют три основных барьера для электрических двигателей: технологическое развитие, регулирование и рыночный спрос.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ

Технологическое отставание электрических двигателей в основном обусловлено выходной мощностью, необходимой для полета, которая зависит от платформы. Для этого анализа мы рассмотрели четыре основных архетипа платформ, требуемая выходная мощность которых сильно различается.

Технологии, необходимые для получения мощности, необходимой для авиации общего назначения, сегодня широко доступны. Однако при этом мы далеки от технологий, необходимых для электрических двигателей в больших коммерческих самолетах.

Аккумуляторная технология остается существенным ограничивающим фактором для электрических самолетов.

Ожидается, что литий-ионные батареи останутся наиболее привлекательными для использования в аэрокосмической отрасли из-за их относительно более высокой плотности энергии и способности выдерживать большое количество циклов зарядки-разрядки. Точно также потребуется батарея с гравиметрической плотностью ~ 500 Вт ч/кг, чтобы электрическая силовая установка стала конкурентоспособной с сегодняшними традиционными силовыми установками; ожидается, что это произойдет не раньше 2030 года.

Текущие данные свидетельствуют о том, что производители автомобилей, которые в настоящее время лидируют в разработке аккумуляторов и по своей природе больше заинтересованы в объемной плотности, вероятно, будут удовлетворены гравиметрической плотностью ~ 350-400 Вт ч/кг. Если это так, разработчикам аэрокосмической отрасли, возможно, придется «принять эстафету», чтобы новые аккумуляторные технологии продолжали получать инвестиции после этого момента.

Электродвигатели должны развиваться по нескольким направлениям, чтобы обеспечить возможность использования в региональной или крупной коммерческой авиации. Сама выходная мощность не является проблемой: точная мощность, требуемая от двигателей, будет зависеть от архитектуры самолета, а многие наземные двигатели уже достаточно большие и мощные. Вместо этого ключевыми являются высокое соотношение мощности к весу и хорошее управление температурой.

Утверждается, что сегодня двигатели с самой высокой гравиметрической плотностью имеют отношение мощности к весу 8–10 кВт / кг, причем лидируют такие компании, как Emrax, Siemens и Remy (для сравнения, двигатель Toyota Prius имеет соотношение ~ 1,5 кВт/кг). Управление температурным режимом, возможно, является еще более серьезной проблемой при высоких рабочих циклах, необходимых в аэрокосмической отрасли: в двигателе выделяется тепло, и, следовательно, необходим эффективный отвод тепла для предотвращения повреждений во время постоянной работы. В основе управления температурным режимом лежит эффективность двигателя: исследования НАСА показали, что повышение эффективности двигателя с 96% до 99% в аэрокосмических приложениях может снизить расход топлива на 2% и улучшить управление температурой в четыре раза. Новые материалы (с улучшенными магнитными и тепловыми свойствами) и новые технологии производства (такие как 3D-печать, которая может открыть новую архитектуру двигателя), вероятно, должны будут сыграть свою роль для достижения этого в аэрокосмической отрасли.

Альтернативой была бы архитектура с приводом от обода, в которой не было бы тяжелого вала и редуктора, а вместо них использовались бы электромагниты для вращения движителя. Такая технология уже используется в морских судах и БПЛА, однако имеет недостаток, заключающийся в том, что она менее эффективна, чем двигатель с прямым приводом.

Для гибридно-электрических архитектур требуются генераторы, которые можно использовать для дополнительной мощности, а также для увеличения дальности полета электрических самолетов. Электрический генератор в значительной степени представляет собой двигатель в обратном направлении и, опять же, должен иметь высокое отношение мощности к весу и хорошее управление тепловым режимом.

В мощных региональных и крупных коммерческих установках газовые турбины, вероятно, будут использоваться в качестве компонента сжигания топлива в гибридной установке. Важные проектные соображения включают системную интеграцию, а также то, какие проектные и внепроектные параметры следует применять. Нынешние газовые турбины должны обеспечивать тягу во всем диапазоне полета, имея дело с различными скоростями входного воздуха и целым рядом нестандартных условий. И наоборот, гибридно-электрический двигатель будет иметь гораздо меньше нестандартных сценариев и сможет работать с «расчетной» скоростью вращения на протяжении всего диапазона полета, а батареи помогут справиться с пиками и провалами выходной мощности во время взлета, посадки/реверса тяги и инцидентами в полете. Следовательно, возможно, что гибридно-электрические газовые турбины будут меньше повреждены и будут нуждаться в меньшем обслуживании, создавая потенциальную область снижения затрат для операторов.

В аэрокосмических приложениях также потребуется высоковольтная проводка. Традиционно авиакосмическим разработчикам приходилось беспокоиться только об относительно низких напряжениях в силовой электронике и кабелях в самолетах, которые обычно работают при относительно низких напряжениях 28В постоянного тока/115В переменного тока, а более высокие напряжения используются только при компенсации разрядов молнии. Будущее, состоящее из электрических силовых установок — будь то гибридные или полностью электрические — обязательно потребует гораздо более совершенной конструкции, включающей более высокую мощность, протекающую по электрическим кабелям на самолетах, чем все когда-либо достигнутое. Эти кабели могут быть либо большими (с большой площадью поперечного сечения и тяжелыми), что позволяет переносить относительно безопасное низкое напряжение, либо маленькими (с малой площадью поперечного сечения и легким весом), что позволяет переносить относительно более опасные более высокие напряжения.

Поскольку вес всегда должен учитываться в аэрокосмических применениях, инженеры, вероятно, выберут более высокие напряжения для более мощных будущих конфигураций и, следовательно, должны будут подумать, как сделать кабели высокого напряжения легче и безопаснее. Ключевыми соображениями безопасности являются «дуговой разряд» и «искрение» (закон Пашена), которые в худшем случае могут привести к материальному ущербу и потенциальным пожарам. Потенциальным решением может быть дополнительная изоляция для высоковольтных кабелей, которая, конечно же, имеет собственный вес и объем, и должна быть достаточно прочной, чтобы снизить риск искрения.

Силовая электроника также будет важной областью развития, поскольку она соединяет входную мощность (например, батареи, гибридные электрические генераторы, солнечные батареи и т. д.) и выходную мощность (например, несколько распределенных толкающих и подъемных винтов).

Современная силовая электроника основана на устаревшей технологии IGBT и неэффективна с точки зрения потерь энергии, поскольку IGBT в основном оптимизированы для стационарных машин в промышленной автоматизации. Силовая электроника нового поколения, основанная на так называемых широкозонных материалах, обладает значительными преимуществами. В настоящее время соревнуются две разные технологии: карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).

GaN более конкурентоспособен по стоимости, поскольку его можно производить на существующем оборудовании, но в настоящее время его напряжение ограничено примерно до 600 В, что может оказаться слишком низким для будущих аэрокосмических приложений. GaN имеет свои основы в отраслях бытовой электроники (например, блоки питания для компьютеров) и пытается продвинуться и в автомобильных применениях.

SiC производится на другом полупроводниковом оборудовании, что делает его намного дороже, но он не ограничен по напряжению и может быть более широко применимым для будущих электрических самолетов. SiC в настоящее время используется в высокотехнологичных отраслях и нишевых приложениях (например, в космических системах) и распространяется на приложения для массового рынка (в частности, в автомобилестроении).

В обе технологии направляются значительные инвестиции, главным образом для развития потребительской электроники и автомобилестроения. Ожидается, что SiC достигнет более высоких объемов производства, что приведет к снижению затрат, в то время как ожидается, что технология GaN будет развиваться, позволяя использовать приложения с более высоким напряжением, возможно, до 900В.

Ожидается, что карбид кремния останется более актуальным для аэрокосмических приложений, учитывая возможности более высокого напряжения и более низкую стоимость. Любая из этих технологий позволяет уменьшить размер/вес модулей силовой электроники.

Эффективная системная интеграция также необходима для раскрытия преимуществ, которые может принести электродвигатель. Двумя ключевыми соображениями для проектировщиков системного уровня являются интеграция гибридно-электрического генератора и интеграция аккумуляторов в самолет.

В большинстве предполагаемых в настоящее время гибридных конфигураций генераторы должны получать мощность на валу от газовой турбины, и архитектура системы имеет первостепенное значение.

Размещение газовой турбины на крыле обеспечило бы оптимальный воздухозаборник, но потребовало бы либо тяжелого генератора в крыле, либо большого неэффективного вала обратно в фюзеляж самолета. И наоборот, размещение газовой турбины в фюзеляже означало бы изогнутый и менее эффективный воздухозаборник. Кроме того, газовая турбина и генератор должны быть оптимизированы вместе для общего веса и эффективности энергосистемы (наземные газотурбинные установки с замкнутым циклом уже оптимизированы вместе, хотя, как правило, с минимальными затратами).

Системное мышление также может помочь решить проблему технологического разрыва в батареях. В настоящее время неясно, каков химический предел аккумуляторных технологий или сколько инвестиций в НИОКР потребуется, чтобы довести аккумуляторную технологию до 500 Вт ч/кг.

Потенциальная часть решения для производителей аэрокосмической отрасли может быть связана с ожидаемым резким снижением затрат из-за роста производственных мощностей, вызванного ростом производственных мощностей автомобилестроения. Литий-ионные аккумуляторы постоянно становятся все более экономически эффективными, и ожидается, что внедрение в автомобильном секторе приведет к еще большему снижению затрат в отрасли в 2020-х годах. 

Это может позволить разработчикам системного уровня выделять больший бюджет текущих затрат на более высокое отношение мощности к весу в энергосистеме (двигатели, генераторы, силовая электроника, проводка и вспомогательная инфраструктура) или выбирать материалы и технологии производства, позволяющие планеру и другим системам самолета быть легче.

Учитывая масштаб изменений, которые представляет электрическая силовая установка, у производителей есть возможность рассмотреть другие возможности улучшения, включая изменения в архитектуре самолета. Планер со смешанным корпусом крыла и поглощение пограничного слоя являются примерами архитектурных решений, которые можно использовать для дальнейшего повышения эффективности. Поглощение пограничного слоя, например, может обеспечить повышение эффективности на ~ 10 % даже по сравнению с существующими двигателями или ~ 5 % за вычетом проблем с весом (снижение веса архитектуры, требуемой для размещения двигателей, как правило, в задней части самолета, и связанных с этим дополнительных фюзеляжа и кузова).

Для одновременного изучения как новых силовых установок, так и новых архитектур игроки отрасли в настоящее время используют один из двух методов:

Построение всей архитектуры снизу вверх (подход, используемый многими новыми участниками, от Joby S2 до Stirling Jet — к любой из десятков запускаемых концепций eVTOL).

Модернизация существующей платформы, чтобы сначала изучить и разработать новую силовую установку, а затем отдельно разработать новую архитектуру самолета на ее основе (например, BAe 146 для E-Fan X).

Хотя первый подход является более оптимистичным в отношении электрических силовых установок и может привести к более быстрому развитию, он может создать более высокий барьер для сертификации летной годности и принятия в эксплуатацию. Последний подход, возможно, медленнее и стабильнее, позволяя тестировать и проверять технологии более контролируемо, что может быть более подходящим для сертификации летной годности.

Наконец, автономный полет — это тенденция, развивающаяся параллельно с электрификацией силовой установки, и она может стать ключевым строительным блоком для определенных вариантов использования, таких как городские воздушные такси/цифровые вертикальные взлетно-посадочные площадки. Безусловно, необходим значительный прогресс, чтобы в будущем пассажирские и беспилотные летательные аппараты могли летать в неразделенном воздушном пространстве с трафиком гражданской/коммерческой авиации, безопасно перемещаясь по городской инфраструктуре для выполнения своих задач.

Чтобы справиться с этой сложной средой, летательные аппараты в первую очередь будут полагаться на передовые бортовые технологии автономного пилотирования и технологии «чувствовать и избегать». Усовершенствованные датчики, повышенная вычислительная мощность и процессы принятия решений, основанные на машинном обучении/искусственном интеллекте, могут составлять некоторые ключевые аспекты этих технологий.

Логической отправной точкой и предвестником широкомасштабных автономных пилотируемых полетов может стать разработка систем для безопасных операций маловысотных беспилотных летательных аппаратов (БАС). Эксперименты с участием дронов уже сегодня технологически осуществимы и могут предоставить ценную информацию. Например, одной из ключевых областей развития будет система координации связи: БАС должны будут полагаться на распределенную, но интегрированную инфраструктуру для связи друг с другом и с окружающей средой для предотвращения столкновений, установления приоритетов, гарантии целостности данных и обеспечения безопасности. Надежная сеть связи будет способствовать обмену данными между центрами управления, управления воздушным движением, посадочными площадками, системами БАС и существующим воздушным движением.

В этой области уже реализуется ряд заметных инициатив в США (например, сотрудничество между UberAir и НАСА), а также в Европе в рамках инициативы EIP-SCC-UAM в Гамбурге, Женеве и Ингольштадте создаются пилотные проекты для тестирования первая интеграция БАС в воздушное движение.

РЕГУЛИРОВАНИЕ

В последние годы мы видели, как регулирование способствует технологическому прогрессу. От установки солнечной и ветровой энергии, вызванной новаторскими стимулами правительств Германии и Калифорнии, до ускоренного внедрения электромобилей, вызванного позицией правительств, таких как Норвегия и Китай, правила, направленные на сокращение выбросов, таким образом, стали силой для значительных изменений в нескольких отраслях.

Точно так же в аэрокосмической и авиационной отраслях у нас есть многолетний опыт работы регулирующих органов и органов по летной годности, которые жестко контролируют технологии посредством сертификации и мониторинга для обеспечения безопасности в этом секторе. Часто такое крайне важное внимание к безопасности является силой, направленной на более тщательную постепенную разработку, а не на значительные изменения.

Именно сложность, создаваемая этими двумя часто противоположными силами, должна учитываться при разработке электрических двигателей, чтобы добиться успеха.

Действительно, нормы выбросов могут стать в будущем движущей силой для перехода к электрическим двигателям в аэрокосмической отрасли, как и в других секторах.

Стремясь снизить затраты на топливо, компаниям-производителям планеров и двигателей удалось сократить расход топлива на одно сиденье примерно на 1-2% в год за последние 50 лет, что привело к заметному сокращению выбросов для новых поколений самолетов. Тем не менее, коммерческая авиация поддержала экономическое и социальное развитие и росла примерно в 1,5 раза быстрее, чем мировой ВВП, при среднегодовом росте пропускной способности на 4-5%. Таким образом, в целом авиационные выбросы парниковых газов росли примерно на 3% в год. Это примерно соответствовало общему росту глобальных выбросов, и, таким образом, доля авиации стабилизировалась на уровне ~ 2,6% с начала 2000-х годов. 

Проведенный анализ показывает, что доля авиационных выбросов может оказаться на грани резкого увеличения из-за сочетания трех факторов:

Продолжающийся рост доходов от пассажиро-миль, который, по прогнозам Airbus и Boeing, продолжится на уровне ~4-5% в год до середины 2030-х гг.

Замедление темпов сокращения расхода топлива по мере того, как технология газовых турбин и традиционные конструкции труб и крыльев становятся все более совершенными.

Резкое сокращение в других секторах, таких как производство электроэнергии с переходом на возобновляемые источники энергии и автомобилестроение с ростом количества электромобилей.

Согласно модели выбросов Roland Berger, даже если снижение расхода топлива будет продолжаться на 1-2% в год, к 2050 году на авиацию может приходиться ~10% выбросов CO2, и эта цифра может достигать 25% всех выбросов CO2, если другие отрасли уменьшат свой углеродный след так же быстро, как предполагают некоторые прогнозы.

Такие группы, как ACARE и Совместное предприятие по чистому небу, предложили новые архитектуры и изменения на уровне системы, которые ограничат это увеличение, однако без ступенчатого изменения двигательной установки эти улучшения ограничат долю авиации до ~ 7%. Если мы смоделируем рыночный переход на гибридные и полностью электрические силовые установки, мы можем увидеть более значительное падение до ~ 5, что по-прежнему почти в два раза выше сегодняшних уровней и значительно выше с точки зрения объема выбросов. 

Фактором, ограничивающим переход, является долговечность коммерческих самолетов в эксплуатации: типичный срок службы самолетов более 25 лет приводит к очень медленной текучести флота, что затрудняет обновление старых технологий. Именно здесь регулирование может сыграть важную роль: либо стимулируя, либо заставляя операторов переходить на электрические конфигурации, доля авиации в глобальных выбросах углекислого газа может снизиться до ~ 2% в соответствии с моделью выбросов Roland Berger. До сих пор международная авиация была исключена из соглашений ООН об изменении климата, таких как Киотский протокол и Парижское соглашение COP21. Регулятор отрасли ООН, Международная организация гражданской авиации (ИКАО), до сих пор ввел только схему компенсации выбросов углерода (CORSIA), которая потенциально может сократить чистые выбросы, но только за счет переноса выбросов - и затрат - за пределы отрасли.

Возможности, предоставляемые электрическим двигателем, могут изменить арифметику и позволить авиации самостоятельно пройти через энергетический переход без необходимости компенсации выбросов углерода. Однако последствия такого быстрого перехода для отрасли будут драматичными: производителям самолетов и их поставщикам придется вкладывать значительные средства в новые поколения самолетов с электрическим приводом, в то время как остаточная стоимость самолетов, находящихся в эксплуатации, потенциально может рухнуть. банкротство лизингового сектора.

Тем не менее, сертификация летной годности остается ключевым фактором: любой прогресс в аэрокосмической отрасли может быть достигнут только в том случае, если будут в достаточной мере решены вопросы безопасности.

В этом контексте инновационные компоненты и решения, используемые в электрических самолетах, могут создавать проблемы для стандартов сертификации летной годности, действующих для обычных самолетов. Таким образом, может потребоваться адаптация или даже создание новых правил такими органами, как EASA и FAA, чтобы задействовать эту тенденцию.

Оба учреждения уже предприняли важный первый шаг, чтобы постепенно адаптировать свои правила для малых самолетов авиации общего назначения (АОН), прокладывая путь для более простой сертификации новых решений. FAA недавно пересмотрело стандарты летной годности, подробно описанные в Авиационных правилах, Части 23, добавив более гибкие стандарты, основанные на характеристиках. Точно так же EASA изменило правила CS-23 и удалило конкретные требования к техническому дизайну, заменив их целями, ориентированными на безопасность. Кроме того, в 2018 году FAA публично одобрило испытания прототипа eVTOL Surefly, предоставив сертификат экспериментальной летной годности.

Тем не менее, конкретные стандарты еще не определены для самолетов с электрическим приводом, и, поскольку эпизод возгорания батареи Boeing 787 все еще относительно недавний, неясно, что будут означать повышенные параметры напряжения и мощности для сертификации большего количества электрических самолетов и электрических двигателей. Точно так же, как мы наблюдаем технологические эксперименты, ключевым фактором для электрической авиации могут быть регулирующие органы, города и страны, которые готовы рискнуть, экспериментируя с различными режимами регулирования и сертификации, чтобы увидеть, какие из них создают самую безопасную и наиболее прогрессивную среду для инноваций.

Перевод подготовлен АНО «Центр развития транспортных технологий»