Электричество в воздухе// Беспилотник на топливных элементах "ЦИАМ-Рекорд" готовится к 30-часовому полету

27 июля 2015 года на небольшом аэродроме недалеко от подмосковного наукограда Черноголовка состоялся очередной тестовый полет для подготовки к этому рекорду. Увы, погода вмешалась в ход эксперимента: разразилась сильнейшая гроза, которая перешла в почти тропический ливень. Экстремальная влажность не понравилась одному из электронных компонентов на борту БЛА, поэтому полет пришлось прервать ранее планируемого времени. Впрочем, испытания для того и предназначены, чтобы заранее выявлять проблемы. К тому же они практически подтвердили работоспособность созданной энергетической установки в крайне тяжелых условиях.

Двигатель прогресса

Затянувшийся ливень дал возможность для обстоятельной беседы как о самом БЛА, так и о перспективах применения топливных элементов в авиации, благо эксперимент собрал его главных участников. Рассказ о проекте начал его инициатор, соруководитель темы "Технологии чистой энергии" ЦИАМ Олег Дмитриевич Селиванов:

— В чем преимущества использования топливных элементов на беспилотных ЛА?

— На небольших БЛА используются либо ДВС, либо электродвигатели на литий-ионных аккумуляторах. ДВС дают большую продолжительность полета, но у таких БЛА высокая заметность — и визуальная, и акустическая, и тепловая. Кроме того, ДВС порождает вибрации, которые мешают работе целевой аппаратуры. Наконец, ДВС — это вредные выбросы. А проблема аккумуляторов в том, что они дают продолжительность полета не более 2 часов. Топливный же элемент с 7-литровым баллоном с водородом в 300 атмосфер, по расчетам позволяет нашему БЛА продержаться в воздухе 20-25 часов, а в оптимальных условиях — и более 30. Поэтому мы и собираемся проводить рекордную попытку в Коктебеле, где в советское время планеристы устанавливали все свои рекорды. На легких беспилотниках эта технология уже вне конкуренции, кроме того, за рубежом на данный момент летает по крайней мере три легких пилотируемых самолета с топливными элементами: в Италии, в Германии и в США.

— Неофициальный мировой рекорд продолжительности полета на топливных элементах принадлежит американскому БЛА IonTiger — 48 часов. Сможете ли вы замахнуться на это достижение?

— Когда мы только начали заниматься этим направлением, то IonTiger уже существовал и в 2009 г. установил рекорд — 26 часов в воздухе. Этот самолет делала Лаборатория военно-морского флота США — мощная организация с передовым оснащением и хорошим финансированием. Однако мы принялись с энтузиазмом создавать ЛА, который этот рекорд побьет. Увы, американцы за это время установили новый рекорд — 48 часов. Но рекорд для нас не самоцель, главное — это практическая демонстрация возможностей технологий топливных элементов. В результате реализации этого проекта ЦИАМ вместе с партнерами из Института проблем химической физики РАН и НТЦ "ОАК" имеет сегодня исключительную компетенцию в сфере применения данной технологии в авиации. В России ни у кого другого такого опыта нет.

— Этот проект является совместным для ЦИАМ и Института проблем химической физики. Почему именно ИПХФ был выбран в качестве партнера?

— Тут надо немного рассказать об истории проекта. Эти работы начинались в 2009 г. по инициативе ОАК. Несколько команд соревновались, чтобы первыми в России осуществить полет ЛА с топливными элементами. Нам это удалось раньше других. К 80-летнему юбилею ЦИАМ были сделаны два беспилотника — ЦИАМ-80 и ЦИАМ-80-2. 4 ноября 2010 года мы с ЦИАМ-80 первыми в России совершили такой полет. В нем мы использовали импортные топливные элементы Aeropak сингапурской фирмы Horizon. Это одно из лучших подобных изделий для авиационного применения. И японцы, и израильтяне, и немцы свои первые беспилотники делали с этими топливными элементами. Однако наши оппоненты, проигравшие гонку, упрекали нас в том, что мы использовали импортную технику. Поэтому мы начали искать партнера для разработки топливных элементов у нас в стране. Перебрав очень много организаций, которые этим занимаются, решили, что ИПХФ в Черноголовке в наибольшей степени к этому готов. Проблема в том, что разрыв между академическими исследованиями и практическим их применением в нашей стране слишком велик. В общем-то, ИПХФ тоже не занимался этой проблемой, пока мы к ним не обратились, но взялся за дело с большим энтузиазмом. Директор ИПХФ вице-президент РАН Сергей Михайлович Алдошин поддержал эту тематику, к 2014 году топливный элемент был готов, и 2 июля 2014 года состоялся первый полет ЛА с отечественными топливными элементами. Сейчас мы уже ни с кем в России не соревнуемся, мы решили, что лучше объединить усилия в рамках совместного проекта ОАК, ЦИАМ, ИПХФ и целого ряда других организаций.

— Какова роль ЦИАМ в этом проекте?

— ЦИАМ был его инициатором и таким образом стал пионером применения топливных элементов в авиации в России. Топливный элемент разрабатывался ИПХФ по техническому заданию ЦИАМ. Для того, чтобы этот проект состоялся, мы исследовали множество проблем, связанных с применением такой технологии, после чего нашим коллегам из ИПХФ и ОАК гораздо легче было преодолевать многие трудности. К примеру, проблема водорода: такие ЛА работают от водородного баллона высокого давления: нужны 300 атмосфер. Но оказалось, что у нас в стране практически нет доступного водорода с давлением выше 150 атмосфер. Когда мы начали этим заниматься, ситуация выглядела благоприятной: была масса статей, люди якобы занимались водородом с давлением до 1000 и даже 2000 атмосфер. Я им звоню и прошу заправить литровый баллончик хотя бы до 300 атмосфер. В ответ извиняются: теоретически мы знаем, как его получить, но физически такого водорода у нас нет.

— В чем же проблема? Почему нельзя накачать водород до давления 300 атмосфер?

— Подшипники компрессоров смазываются маслом, пары которого попадают в водород, а для твердополимерных топливных элементов, применяемых в нашем случае, к примеру, нужен был водород особой чистоты — 99,999%. Иначе примеси "отравят" мембрану. Даже чистый водород с давлением 150 атмосфер мы достали с большим трудом. Так что пришлось ИПХФ в рамках нашего проекта купить очень дорогой импортный компрессор, который наш стандартный 150-атмосферный водород перегоняет в 300 атмосфер.

—- С организационной ролью понятно, а какие именно разработки ЦИАМ применены в БЛА?

— "Начинку" топливных элементов делал ИПХФ по техническому заданию ЦИАМ, но вся электроника, управляющие системы разрабатывались совместно.

— А планер?

— Для рекордного аппарата проектировался специальный планер и предполагалось, что мы его запустим на МАКС-2013. На специально спроектированном планере, который, кстати, уже готовит ОАК, можно продолжительность полета поднять с 30 до 40 часов и больше с той же энергоустановкой. Но на первом этапе по финансовым соображениям мы решили силами авиамоделистов изготовить планер по готовым чертежам. Для ЦИАМ важнее было показать возможности энергетической установки, чем гнаться за совершенством планера. Еще раз повторю, в этом проекте рекорд — не самоцель, гораздо важнее то, что в результате родилось и активно развивается новое, очень актуальное направление и решается проблема импортозамещения в высокотехнологичной области.

— Есть ли уже практические результаты в этом направлении?

— В 2013 году мы вместе с нашими партнерами из ИПХФ демонстрировали эти разработки министру обороны Сергею Кужугетовичу Шойгу и представителям других силовых ведомств. С их стороны был проявлен практический интерес, получивший воплощение в реальных, уже серийных изделиях.

Наука и жизнь

Подробнее об устройстве топливных элементов рассказал их создатель Юрий Анатольевич Добровольский, заведующий лабораторией ионики твердого тела ИПХФ РАН.

— Расскажите, пожалуйста, научно, но популярно о принципе действия топливных элементов.

— Вспомните школьные уроки химии с демонстрацией процесса электролиза — разложения воды на кислород и водород: когда мы берем две металлические пластины и пропускаем по ним ток, то на одной пластине выделяется водород, на другой — кислород. Если делать наоборот, то есть разомкнуть цепь, над одной пластинкой продувать водород, а над другой — кислород, то возникает разность потенциалов. Получается электролиз наоборот: процесс окисления водорода в кислороде. Но в отличие от горения вместо тепла выделяется электричество с КПД 60%, то есть в тепло на нагрев атмосферы уходит всего 40%. КПД самой лучшей тепловой машины — 30-35%. Разница в два раза по КПД достигается уже на начальной стадии. Топливный элемент осуществляет прямое преобразование химической энергии в электрическую, поэтому правильное его название — электрохимический генератор (ЭХГ).

—Топливные элементы в СССР разрабатывались еще в 80-е годы для многоразового корабля "Буран". Вы использовали эти наработки?

— Топливные элементы для "Бурана" и лунного модуля делала кооперация во главе с "Энергией", а изготовителем был Уральский электрохимический комбинат. Но этот тип ЭХГ не годится для авиации. Ему нужен кислород в баллонах. Он подходит для космоса, для подводных лодок. И у него были совсем другие массово-габаритные параметры: 16 кг массы на 1 кВт вырабатываемой мощности, а у нас установка весом 800 г дает 1 кВт. Это связано и с прогрессом материаловедения за прошедшие 30 лет, и с применением иных конструкционных материалов, и сам рабочий процесс по-другому организован. Рывок в развитии топливных элементов произошел около 10 лет назад, когда их начали использовать в массовой продукции, например — на автомобилях. Недавний пример — Toyota Mirai, которая с этого года продается в США, Западной Европе и Японии.

— Расскажите об устройстве топливных элементов для "ЦИАМ-рекорда".

— Энергетическая установка состоит всего из двух элементов: основной источник v топливный элемент весом 800 г. и аккумуляторная батарея, которая играет роль буфера и гасит пиковые нагрузки. Водород из баллона через регулятор расхода поступает в топливный элемент, куда двумя вентиляторами гонится воздух через биполярные пластины, где находящийся в воздухе кислород вступает в реакцию с водородом. Одновременно вентиляторы служат и для охлаждения системы. Вся система управления помещается на одной маленькой плате нашего изготовления. Из импортных компонентов здесь только редуктор, литий-полимерная батарея, вентиляторы и электронные компоненты к плате. Сам топливный элемент — российский, и даже композитный баллон российский.

— Как выглядит ваш топливный элемент на фоне зарубежных аналогов?

— Это разработка не просто на уровне зарубежных, но и по многим параметрам превосходит их. В частности, наш топливный элемент может работать при отрицательных температурах и использовать отечественный "грязный" водород. По габаритам наша установка чуть лучше, по массе - чуть хуже, но разница в пределах 10%. При этом зарубежные аналоги вообще невозможно использовать в России. Не только из-за морозов и "грязного" водорода, но и потому что они теперь запрещены для ввоза в нашу страну.

— Вы использовали в своей разработке зарубежный опыт? Копировали зарубежный аналог, если спросить проще?

— Скопировать иностранный аналог невозможно хотя бы потому, что материалы, которые там используются, в России не производятся. Проблема-то не в конструкции. Эта схема применяется уже лет десять и никакой тайны не составляет. А вот никелевых сплавов, которые не корродируют и не отравляют мембрану, у нас нет, и мы заменили их титаном российского производства, которому подобрали отечественное покрытие. 100-процентное импортозамещение.

— Как удалось заставить топливный элемент работать при отрицательных температурах?

— Мы научились соответствующим образом модифицировать мембраны. Почему топливный элемент не работает при отрицательных температурах? Внутри полимерных мембран находится вода, она замерзает и перестает проводить, а мы нашли способ модифицировать мембрану так, чтобы вода не замерзала до минус 60 градусов. Это чисто материаловедческая проблема. Проводимость падает, но не ниже критического уровня. А поскольку топливный элемент греется при работе, то за 5-10 минут проводимость восстанавливается до номинального значения. Важен холодный старт. Мы приезжаем в поле и запускаем БЛА при любом морозе. А сингапурские батареи Олег Дмитриевич грел за пазухой, потому что температура 4 ноября, во время первого полета ЦИАМ-80, была отрицательной.

— Что при создании этой топливной батареи было самым сложным?

— Самое сложное — эта часть, генерирующая ток, мембранно-электронный блок. Там-то как раз и "спрятано" все материаловедение. В первую очередь — это мембрана, которую мы научили работать при отрицательной температуре, и катализаторы — слой платины толщиной 1-2 нм на оксидном носителе, которые с хорошей интенсивностью "съедают" даже грязный водород. Все это разработано нами "с нуля".

Электрификация будущего

О дальнейшем развитии этого проекта и перспективах использования топливных элементов в авиации рассказал научный руководитель — заместитель генерального директора ЦИАМ Александр Игоревич Ланшин.

— Какова перспектива использования топливных элементов в большой авиации?

— Самая близкая перспектива — это вспомогательные силовые установки для больших пассажирских самолетов. Олег Дмитриевич — энтузиаст и цель его жизни - создать самолет с топливными элементами. Но для ЦИАМ основная задача использования топливных элементов — создание ВСУ для самолетов и вертолетов. ЦИАМ ведет разработки в этом направлении. В результате этого проекта сложилась концепция ВСУ мощностью до 350 кВт, которую ЦИАМ разрабатывает вместе с НПП "Аэросила".

— Насколько это близкая перспектива?

— В 2017 году Boeing и Airbus обещают поставить на свои самолеты ВСУ на топливных элементах мощностью до 150…200 кВт. Они нужны, например, чтобы питать электропривод перспективного шасси, с помощью которого самолет по земле будет перемещаться с выключенными маршевыми двигателями. Такие испытания уже проводились. Что касается нас, то при адекватном финансировании уже через три-пять лет может быть создан демонстратор такой ВСУ.

— Каковы шансы получить адекватное финансирование на этот проект?

— Работа, начатая Олегом Дмитриевичем в 2010 году, привела к тому, что эта тема — ВСУ на топливных элементах — вошла в нашу программу "Двигатели-2025". В рамках этой темы, во-первых, в 2011-12 годах был сделан фундаментальный обзор организаций — и промышленных предприятий, и институтов академии наук, и сформирована команда, которая в состоянии заниматься развитием этой технологии и в реальные сроки достичь успеха. Во-вторых, были выявлены критические технологии, над которыми надо работать. Сейчас эта тема включена в НИР "Концепт-2030". Ее финансирование осуществлялось в рамках федеральной целевой программы развития гражданской авиационной техники России до 2015 г. Но это работа одна из нескольких, у нее нет пока отдельного приоритета. Сейчас мы включаем эту тему в комплексный план НИР в рамках Национального плана развития науки и технологий в авиастроении. Составлен план работ на ближайшие три года — 2016-18 годы, согласно которому будет создано уже что-то материальное. У руководства отрасли есть понимание важности этой темы. Но для продвижения этого направления надо аккумулировать средства из нескольких источников, надо привлекать ресурсы ОАК и других организаций. ЦИАМ в данном случае выступает как инициатор, организатор и двигатель работ в данном направлении.

— Вы упомянули о критических технологиях для создания ВСУ на топливных элементах. Расскажите о них.

— Главная трудность состоит в том, что в качестве исходного топлива для ВСУ целесообразно применять керосин. Соответственно, его надо очистить и выделить из него водород необходимого качества. Boeing и Airbus, к примеру, на первом этапе будут использовать запас чистого водорода. Далее, необходимо масштабировать сам топливный элемент, поскольку это будет не маленькая установка мощностью 1 кВт с воздушным охлаждением, а мощная система с жидкостным охлаждением. Необходимо создать каталитическую камеру сгорания, которая без вредных выбросов будет сжигать все отходы от процесса получения водорода из керосина. Необходимо создать газотурбинный блок на "сухих" газовых подшипниках для получения воздуха высокого давления без примесей масла. От маршевого двигателя воздух отобрать нельзя, во-первых, поскольку он "грязный", а во вторых — это не рационально, так как снижает эффективность маршевого двигателя. Смысл разработки ВСУ с топливными элементами как раз и состоит в том, чтобы не отбирать от двигателя мощность на электросистемы самолета. Сейчас идет борьба за каждые полпроцента КПД маршевого двигателя, а для внутреннего обеспечения самолета нужны уже мегаваттные мощности. Boeing и Airbus в перспективе планируют создать ВСУ мощностью около 750 кВт.

— В чем преимущества ВСУ на топливных элементах по сравнению с ВСУ на основе ГТД?

— КПД традиционных ВСУ — это процентов 20% максимум, а топливные элементы сразу дают КПД до 60%, значит топлива надо брать меньше. Плюс экология — нет вредных выбросов, нет шума при движении по аэродрому.

— ВСУ — это ближайшая перспектива. А если заглянуть дальше в будущее?

— Топливные элементы можно будет применять не только для ВСУ, но и для гибридных СУ. Пока на электричестве могут летать только легкие ЛА. Региональные 100-местные самолеты уже могли бы использовать гибридные двигатели. Это двигатели той же двухконтурной схемы, в которой вентилятор на взлете, когда необходима большая мощность, приводится от турбины, а в крейсерском полете на высоте, где потребная мощность меньше, турбина отключается и вентилятор работает от электрического двигателя. Для работы этого электромотора идеально подошли бы топливные элементы. ЦИАМ занимается и этим направлением. Но практические результаты этих работ ожидаются ближе к 40-м годам.

ФГУП "ЦИАМ имени П.И. Баранова" — единственная в стране научно-исследовательская организация, осуществляющая комплексные научные исследования и научное сопровождение разработок в области авиадвигателестроения от фундаментальных исследований физических процессов до совместной работы с ОКБ по созданию, доводке и сертификации новых двигателей, в том числе наземных газотурбинных установок. Все отечественные авиационные двигатели создавались при непосредственном участии института и проходили доводку на его стендах.