Электрическая силовая установка самолета: последствия потенциальной революции



Электрическая силовая установка самолета: последствия потенциальной революции

 

Большая часть общеизвестных разработок в области электрических двигателей ведется действующими и новыми участниками аэрокосмического производства для коммерческого применения.

Начало статьи «Вопрос не в том, если, а в том, когда».

Исследование подготовила компании Roland Berger. Перевод сделан АНО «Центр развития транспортных технологий».


РЫНОЧНЫЙ СПРОС

Рыночный спрос обязательно состоит из спроса со стороны операторов на использование новых платформ и спроса со стороны пассажиров на полеты на них.

В конечном итоге операторы должны взять на себя риск запуска новых платформ с электрическим приводом, прежде чем электрические двигатели смогут получить широкое распространение. Операторов можно разделить на три типа в зависимости от платформы самолета:

-Крупные коммерческие операторы, которые, как ожидается, перейдут на электрические двигатели позже из-за более продвинутых технологических требований.

-Региональные/чартерные операторы, которые в среднесрочной перспективе могут стать сильным рынком для разработчиков электрических двигателей (примером может служить компания JetSuite, которая согласилась заказать до 100 самолетов Zunum после их сертификации). Действительно, электрические двигатели могут вызвать новый бум в региональной авиации.

-Потенциальный новый сегмент операторов городского аэротакси.

Операторы могут извлечь выгоду из снижения стоимости жизненного цикла, обеспечиваемого электрическим приводом, за счет повышения эффективности и снижения затрат на энергию (в зависимости от сети, поставляющей дешевую электроэнергию), а также потенциального снижения затрат на техническое обслуживание. В высококонкурентной авиационной отрасли операторы могут получить выгоду, передав эту экономию пассажирам, но также могут получить конкурентное преимущество, развивая более «зеленые» сертификаты за счет использования самолетов с электрическим приводом. После проверки и достаточного практического применения электрические самолеты также могут быть более безопасными, с меньшим количеством режимов отказа, чем самолеты с традиционным двигателем, и потенциально с большей степенью избыточности из-за распределенной тяги.

И наоборот, операторы будут озабочены переходом на новую технологию: подтверждением и фактической реализацией потенциального снижения затрат, повышения безопасности/надежности и преимуществ в обслуживании. Они также, вероятно, будут обеспокоены способностью поддерживающей инфраструктуры в аэропортах адаптироваться к электрическим двигателям и потенциально новым архитектурам.

Таким образом, чтобы операторы могли перейти на электрическую авиацию, самолеты с электрическим приводом должны быть в состоянии приносить доход, быть конкурентоспособными по стоимости и не оказывать негативного влияния на профили рисков операторов. Однако, если цели, подобные принятым в Норвегии, станут более распространенными, операторы могут быть заинтересованы в более быстром переходе.

Пассажиры также могут быть в восторге от «экологичных» путешествий и Аготовы платить за них. Однако в сегодняшней высококонкурентной среде большинство потребителей авиаперевозок руководствуются стоимостью, особенно больших коммерческих самолетов. Что касается региональной авиации, то пассажиры также могут быть заинтересованы в большем удобстве, которое может быть обеспечено электрическим приводом (который, будучи более тихим, может привести к увеличению числа региональных аэропортов в центрах городов), хотя стоимость, вероятно, останется ключевым фактором. даже на этом рынке.

Определенной новой областью интереса и волнения для потребителей является возможность городской воздушной мобильности (аэромобильности). «Летающий автомобиль», безусловно, обладает способностью захватывать воображение потребителей, а также может обеспечить большее удобство для пассажиров пригородных поездов, расстояние в пути которых сокращается до доли текущего времени. Более того, анализ Uber по этой теме показывает, что летательный аппарат eVTOL на самом деле может быть дешевле обычного.

В ближайшие годы это может обеспечить достаточную потребительскую привлекательность для усиления инвестиций и развития, происходящих в этой области, и позволить первым коммерческим операторам зажечь этот новый растущий рынок. Тем не менее, производители, органы по обеспечению летной годности и эксплуатанты должны будут работать над обеспечением высокого уровня безопасности и защиты при перелетах по городу, одновременно проводя тщательно продуманную коммуникационную кампанию, чтобы гарантировать потребителям их безопасность и, в частности, их комфорт при автономном полете.

Электрическая силовая установка наконец-то появилась на карте: почти 100 самолетов с электрическим приводом уже находятся в разработке по всему миру.

В нашей предыдущей публикации Think: Act: Aircraft Electric Propulsion — The Next Chapter of Aviation мы определили около 70 разработок электрических двигателей, первые полеты которых состоялись в 2010 году или позже. На сегодняшний день количество разработок составляет около 100, с головокружительным ростом инвестиций в новые электрические самолеты и запуском новых разработок. Из них более половины были анонсированы в 2017 году или позднее. 

Чтобы в полной мере оценить масштаб деятельности, мы сопоставили разработки с их родной географией и оценили тип архитектуры самолета, с которым они экспериментируют.

Большинство разработок в настоящее время работают над архитектурой авиации общего назначения или городского воздушного такси. Учитывая нынешнее состояние технического прогресса, это неудивительно, поскольку эти меньшие по размеру архитектуры требуют меньше общей мощности и менее ограничены такими ограничениями, как гравиметрическая плотность батареи и двигателя.

Большая часть разработок происходит в традиционных центрах аэрокосмической техники: Европе и США, на долю которых приходится 45% и 40% разработок соответственно. Тем не менее, есть разработки и в других регионах, в частности, Ehang eVTOL в Китае, региональный самолет Eviation в Израиле и бразильская Embraer сотрудничает с Uber Elevate с концепцией воздушного такси.

Большинство разработок являются полностью электрическими с использованием только аккумуляторов в качестве источника энергии, в основном за счет развития авиации общего назначения и городского воздушного такси.

Важно отметить, что более крупные разработки, ориентированные на региональные и крупные рынки коммерческих самолетов, в основном являются гибридно-электрическими и используют традиционные виды топлива на основе углеводородов для большей выходной мощности и/или увеличения дальности полета. В настоящее время в большинстве разработок используются пропеллеры, примерно в трети используются канальные вентиляторы (импеллеры). Импеллеры обладают такими преимуществами, как меньший уровень шума (при сравнимых диаметрах), повышенная безопасность и повышенная эффективность при работе со статическими/низкими скоростями. Однако винты более эффективны во время крейсерского полета, имеют меньшее поперечное сопротивление, могут эффективно создавать тягу при более низких оборотах и легче. Нет, в некоторых разработках, таких как концепция Embraer X eVTOL, используется комбинация пропеллеров и импеллеров. Кроме того, Airis One использует восемь подруливающих устройств в сочетании с основным пропеллером.

Благодаря частному и венчурному финансированию около 60% разработок ведутся стартапами и независимыми компаниями. Аэрокосмические компании составляют около 30% разработок, из которых крупные OEM-производители несут ответственность примерно за половину. Остальные разработчики принадлежат академическим/правительственным организациям, таким как НАСА, а также крупным не аэрокосмическим компаниям, таким как Siemens.

Последствия потенциальной революции: как может измениться отрасль?

Электрические силовые установки потенциально могут вызвать несколько сдвигов в аэрокосмической и авиационной промышленности. В этом разделе мы рассмотрим четыре потенциальных изменения, которые могут произойти, если электрическая тяга начнет работать.

БОРЬБА ЗА ПРЕВОСХОДСТВО

Из-за удельной мощности, предлагаемой авиационным топливом по сравнению с батареями (12 кВт ч/кг против ~300 Втч/кг сегодня), региональные и крупные самолеты с большей вероятностью сначала перейдут на гибридно-электрические конфигурации, которые обеспечивают преимущества электрического движение, не ставя под угрозу дальность или пиковую мощность. Эксперты в области аэрокосмической отрасли ожидают, что гибридно-электрические самолеты, приносящие доход, будут введены в эксплуатацию уже в 2032 году в региональных приложениях и, возможно, вскоре после этого в больших коммерческих самолетах. ЧАС

Сегодня в каждом самолете участвуют два основных игрока: производитель двигателей и производитель планера. Понятно, что и планер, и двигатель представляют собой сложные системы сами по себе — и у производителей двигателей, и у производителей планера есть отдельные требования к сертификации и отделы в регулирующих органах — и они разделяют результирующий контроль и влияние на конечный самолет.

В гибридно-электрическом будущем, возможно, будет три типа игроков: компания-производитель двигателей, компания-производитель электрических систем и производитель летательных аппаратов (на примере Airbus/Siemens/Rolls-Royce E-Fan X). Но кто из трех игроков будет иметь наибольшую долю контроля и влияния?

Производитель двигателей был бы естественным выбором: сложность проектирования и поставки газовой турбины с высоким отношением мощности к весу может потребовать, чтобы она по-прежнему оставалась лидером в энергосистемах, просто расширяя существующую генерацию электроэнергии. поставщиком электрических систем. В качестве альтернативы может быть обнаружено, что требуемая электрическая система настолько сложна, что производитель электрических систем должен быть ведущим энергосистемой, с лучшими знаниями о том, как оптимизировать несколько источников и потребителей электроэнергии, и с газовой турбиной, поставляемой в качестве замены. всего один компонент. Наконец, может также случиться так, что разработчик самолета сохранит свой статус «Уровня 0», при этом интеграция всей системы представляет собой наиболее ценную деятельность: действительно, разработчику самолета, возможно, придется включать как двигатель, так и электрические работы для первоначальных разработок по мере появления новых архитектур.

Сертификация останется решающим фактором, и какой бы баланс ответственности ни возлагался на органы по летной годности, такие как FAA и EASA, в конечном итоге может определиться, где находится власть.

В любом случае, этот вопрос нужно будет решать в ближайшее время. Если эксперты правы, к началу 2030-х годов может появиться крупный гибридный электрический самолет — как раз к ожидаемым претендентам Airbus и Boeing на однопроходное воздушное судно следующего поколения.

СМЕРТЬ ОТКРЫТОГО РОТОРА

Развитие электрического двигателя также может означать смерть открытого ротора. Эта конфигурация двигателя является развитием современных авиационных двигателей, которые эволюционировали в сторону еще более высоких коэффициентов двухконтурности, чтобы получить более высокую тяговую эффективность и, следовательно, более низкий расход топлива. Следующим логическим шагом является переход к лопастям вентилятора, которые полностью не закрыты корпусом двигателя какой-либо формы (отсюда термин «открытый ротор» или «вентилятор без воздуховода») и которые обеспечивают еще более высокую тяговую эффективность.

Концепция открытого ротора регулярно всплывает на поверхность во времена высоких цен на нефть, первоначально она была опробована НАСА и GE в 1980-х годах, а затем столкнулась с всплеском интереса примерно в 2008 году, когда цена на нефть достигла пика в 147 долларов США за баррель. Несмотря на этот интерес, практическое применение концепции открытого ротора было затруднено из-за проблем с шумом и вибрацией, а также с проблемой сертификации новой конфигурации, которая по своей сути была бы менее безопасной, чем существующие конструкции, из-за риска того, что лопасть вентилятора может оказаться неработоспособной в момент эксплуатации (какой главный авиаинженер под этим подпишется?).

Даже с учетом этих недостатков потенциальное снижение расхода топлива, обеспечиваемое открытым ротором, до сих пор оставалось заманчивым. Однако электрическая силовая установка с несколькими вентиляторами с электрическим приводом, распределенными по всему самолету, может обеспечить еще более высокую тяговую эффективность, чем открытый ротор, с меньшим уровнем шума и проблемами безопасности. Таким образом, концепция открытого ротора может прийти в упадок еще до того, как она будет серьезно испытана в полете.

НОВЫЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ БУМ?

Основная причина, по которой рынок региональных самолетов в последнее время не рос такими же темпами, как рынок крупных коммерческих самолетов, заключается в том, что варианты наземного междугороднего транспорта (поезда и автобусы) были конкурентоспособными по стоимости и часто более удобными. Это, в свою очередь, было обусловлено необходимостью удаленности аэропортов от городов из-за соображений шума.

Электрическая (особенно полностью электрическая) силовая установка обещает быть тише и может смягчить эту проблему. Таким образом, власти таких стран, как Китай и Индия, которые начинают развивать значительные объемы внутренних перевозок, могут предпочесть строить в городах аэропорты, работающие только на электричестве, а не развивать более дорогую железнодорожную сеть, что потенциально может открыть значительный новый региональный рынок.

У других стран могут быть географические причины для внедрения электрического регионального воздушного транспорта. Например, Норвегия и Шотландия, на большей части территории которых преобладают фьорды и небольшие острова, нуждаются в коротких региональных рейсах. В настоящее время вертолеты и другие региональные операторы уже обслуживают этот рынок1, но затраты на топливо высоки по логистическим причинам. Кроме того, в горячих туристических точках со многими островами или гористой местностью, таких как Белиз, Канарские острова или Непал, региональные операторы осуществляют сотни регулярных рейсов продолжительностью менее 45 минут, что опять же связано с высокими затратами на топливо из-за логистических проблем, связанных с транспортировкой тяжелого топлива в несколько локаций.

Электрическая силовая установка, когда самолеты легче питаются от существующей сетевой инфраструктуры или ветряных/солнечных установок в отдаленных районах, может решить эту проблему и обеспечить более чистые, удобные и потенциально более дешевые поездки для пассажиров в таких географических регионах. Действительно, это, возможно, является движущей силой, стоящей за стремлением Норвегии ограничить всю внутреннюю авиацию только электрическими платформами к 2040 году.

БОЛЬШАЯ СТАВКА КИТАЯ

Сегодняшние общеизвестные разработки электрических двигателей находятся в основном в Европе и США. В настоящее время в Китае находится только одна известная разработка — EHANG 184, полностью электрический автономный беспилотник с одним пассажиром.

Тем не менее, Китай может играть ведущую роль в электрическом будущем благодаря сочетанию инвестиций в технологический потребительский спрос, регулированию и текущему отсутствию доминирующего положения в аэрокосмической отрасли.

Технологически Китай уже является ведущим мировым игроком в области электромобилей. Ожидается, что среди всех регионов/стран мира в Китае будет наблюдаться самый быстрый годовой рост продаж новых электромобилей (~35% в период с 2016 по 2025 год). В 2016 году в Китае было продано более 95 % мировых продаж электробусов (PHEV и BEV) и около 90 % продаж 2- и 3-колесных электромобилей, при этом доминирующий спрос на рынке, как ожидается, не ослабнет до 2025 года. При таком высоком уровне установки транспортных средств компании в Китае, вероятно, лучше понимают работу гибридных и полностью электрических транспортных средств, чем в любой другой стране. 

Китайские OEM-производители также уже имеют крупнейшее глобальное присутствие в производстве электромобилей: около 50% мировых электромобилей было произведено в Китае в 2017 году (доля выросла с 7% в 2013 году), при этом большая часть контента производится на месте в соответствии с требованиями китайских властей. Кроме того, около 60 % мировых производственных мощностей по производству аккумуляторов приходится на Китай (2015 г.), при этом планируются значительные дальнейшие инвестиции в увеличение производственных мощностей.

Эти инвестиции в мощность в сочетании с более низкими затратами на рабочую силу и энергию привели к тому, что китайские производители аккумуляторов в настоящее время имеют самые низкие затраты в мире. Большинство электродвигателей, используемых в этих автомобилях, также производятся в Китае (как правило, OEM-производителями). Кроме того, Китай обладает крупнейшими в мире запасами редкоземельных металлов (необходимых как для производства аккумуляторов, так и для двигателей), что дает ему естественное преимущество в цепочке поставок. При таком высоком уровне производства и постоянном наращивании мощностей можно ожидать, что китайские компании сохранят позицию с наименьшими затратами в этих основных технологиях электродвижения, включая, возможно, системную интеграцию электрических силовых агрегатов.

Потребительский спрос также значителен в Китае. В недавнем опросе потребителей, проведенном Roland Berger в Китае, Франции, Германии, Нидерландах, Швеции и Великобритании, китайские потребители, безусловно, были больше всего заинтересованы в том, чтобы их следующим автомобилем был BEV, и больше всего хотели перейти на технологию автономного вождения. в будущем. Это говорит о том, что китайские потребители также будут более заинтересованы в электрической авиации. В сочетании с массовым ростом внутренней и международной авиации в Китае и потенциалом для нового регионального рынка потребительский спрос Китая на электрические силовые установки в ближайшие годы, вероятно, превысит другие рынки.

Регулирование было движущей силой для большей части этого внедрения: китайское правительство продемонстрировало поразительную решимость в переходе к электрическому будущему в транспортных средствах, возможно, из-за установленной потребности в решениях проблем загрязнения Китая. Несколько правительственных органов, в том числе Государственный совет, Национальная комиссия по развитию и реформам, Министерство финансов и Министерство науки и технологий, координировали свои действия по введению нормативных изменений. Регуляторные инициативы для электромобилей варьировались от объявления «Сделано в Китае 2025», которое нацелено на «глобальное лидерство» во многих технологиях и отраслях, до создания основы для разработок и предприятий, получающих финансовую поддержку, до принятия мер для транспортных средств. внедрение зарядной инфраструктуры. Ключевым сектором в программе «Сделано в Китае 2025» является аэрокосмическая и оборонная промышленность, поэтому неудивительно, что более глубокая приверженность китайских законодателей к электрическим самолетам в будущем.

Наконец, в настоящее время Китаю не хватает значительных позиций в аэрокосмической отрасли. Хотя COMAC и C919 находятся на пути к некоторому успеху, большая часть базовой технологии была разработана за пределами Китая и куплена COMAC. В частности, технология авиационных газотурбинных установок, десятилетиями разрабатывавшаяся в западном мире, имеет особенно высокие входные барьеры (как финансовые, так и технологические); COMAC C919 использует двигатель CFM LEAP-1C. Ожидается, что доля COMAC в мировом производстве самолетов составит менее 1% даже в конце 2020-х годов.

Однако это ставит Китай в уникальное положение. В то время как на Западе электрическая силовая установка потенциально может привести к значительным потрясениям и сбоям в цепочке поставок в ближайшие десятилетия, Китай не имеет серьезного преемственности ни в планере, ни в технологии двигателей, чей успех может быть поставлен под угрозу в потенциальном электрическом будущем. Действительно, COMAC, Китай и потенциальные будущие китайские производители аэрокосмической техники заинтересованы в том, чтобы «пропустить» двигатели внутреннего сгорания и быстро перейти к электрическим двигателям, чтобы максимизировать свою глобальную конкурентоспособность.

Таким образом, у Китая есть технологические строительные блоки, регулятивная воля, потребительский спрос и конкурентная потребность, чтобы продолжать продвигать повестку дня в области электрического транспорта — еще неизвестно, приведет ли это к успеху на мировой арене в области электрических самолетов. Однако весьма вероятно, что EHANG 184 будет лишь верхушкой айсберга.

Электрические двигатели открывают эпоху инноваций в аэрокосмической и авиационной промышленности, невиданную десятилетиями.

В мире проводится очень много экспериментов, общее число которых увеличилось более чем вдвое с начала 2017 года. Часто венчурные проекты разрабатываются гибко, многие из них потерпят неудачу, но некоторые могут преуспеть. В результате перед игроками аэрокосмической и авиационной отрасли также открывается редкая возможность: роскошь наблюдать и учиться с нулевыми или минимальными затратами — по мере того, как разрабатываются десятки новых архитектур, электрифицируются новые энергосистемы и внедряются новые инфраструктуры. в конечном итоге получая возможность адаптировать свои собственные стратегии или приобретая выигрышные разработки.

Действительно, действующие игроки теперь несут ответственность перед своими компаниями, клиентами и акционерами за быстрый переход на электрическую тягу, иначе они рискуют остаться позади, когда на их рынки выйдут новые игроки с большей устойчивостью к риску. Изменения происходят благодаря сочетанию толчка со стороны быстро развивающихся технологий и отталкивания от рынка, и на них сильно влияют прогресс и регулирование в других отраслях, особенно в автомобильной. По мере того, как другие загрязняющие секторы разрабатывают решения для снижения своих выбросов, правительствам и регулирующим органам во всем мире придется подумать о том, как справиться с неизбежным ростом доли выбросов от авиации и как стимулировать аэрокосмическую отрасль, чтобы наверстать упущенное. Таким образом, в ближайшие годы регулятивное давление может последовать за автомобильной промышленностью, и многие другие страны (в частности, Китай), возможно, предпочтут установить цели и планы развития электродвигателей на будущее.

Тем не менее, проблемы остаются, и чтобы не допустить повторения пути Very Light Jet, новички в отрасли и их сторонники должны следить за тем, чтобы они не недооценивали трудности достижения успеха в аэрокосмической отрасли. В нашей первоначальной публикации 2017 года мы пришли к выводу, что появление электрических двигателей было вопросом не «если», а «когда».

Благодаря энтузиазму и инвестициям мы верим, что вполне возможно – в большей степени, чем в случае с предыдущими «попытками прорыва» в аэрокосмической отрасли, – что значительные изменения произойдут, и что они могут произойти раньше, чем кто-либо ожидает.

Перевод подготовлен АНО «Центр развития транспортных технологий» 07.06.2022