Как в МАИ готовят электродвигатели для беспилотников и аэротакси
Развитие гибридных и электрических силовых установок — один из ключевых трендов на пути повышения эффективности, экономичности и экологичности авиационных систем. Уникальная испытательная база для таких двигательных комплексов, сформированная Передовой инженерной школой (ПИШ) Московского авиационного института, призвана решить целый ряд проблем, стоящих перед инженерами, и заложить фундамент для создания нового поколения беспилотников, аэротакси и даже лёгких самолётов.
Переход авиасистем на электрическую и гибридную тягу — это оптимизация расхода топлива, повышение безопасности полётов, минимизация влияния на окружающую среду. Однако за кажущейся простотой скрывается сложнейшая инженерная задача. Произвести надёжную силовую установку, которая не подведёт в воздухе, невозможно без всесторонних наземных испытаний.
Именно для этого в институте № 14 «Передовая инженерная школа» МАИ в партнёрстве с АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» была создана комплексная испытательная база. По словам директора института Наталии Шовгени, этот проект имеет большое значение не только для университета, но и для целого сегмента в отрасли.
«Стенды обеспечивают полноценный цикл создания изделия — от проектирования до испытаний, — отмечает она. — Это большой вклад в развитие одного из самых перспективных направлений авиастроения и очередной шаг к технологическому лидерству страны».
Как «подружить» два двигателя
Гибридная силовая установка (ГСУ) — это сложный союз поршневого или газотурбинного двигателя и электромоторов. Главный вопрос, который стоит перед инженерами: как заставить их работать слаженно и эффективно? Ответы, которые даёт компьютерное моделирование, требуют подтверждения реальными испытаниями.
«Натурный эксперимент позволяет верифицировать результаты, полученные в „цифре“, и собрать полную информацию о работе отдельных узлов и ГСУ в целом», — объясняет заместитель начальника лаборатории № 2 «Гибридные и электрические силовые установки» ПИШ МАИ Дмитрий Холобцев.
Созданный в МАИ стенд для испытаний ГСУ решает эту задачу. Его главная особенность — универсальность. Платформа позволяет тестировать силовые установки мощностью до 400 кВт параллельной схемы, в которой оба типа двигателей могут вращать винт, и последовательной, где двигатель внутреннего сгорания работает только как генератор для электромоторов. На стенде можно проверять как газотурбинные, так и поршневые двигатели в связке с электрическими машинами.
Ноу-хау маёвской разработки — в полной интеграции тепловой и электрической частей с единой системой управления и сбора данных. В ходе испытаний инженеры измеряют десятки параметров: крутящий момент, частоту вращения, расход топлива, температуру, а также все токи и напряжения в электрических цепях. Это позволяет ещё на земле тестировать сложнейшие алгоритмы работы и проверять, как система поведёт себя на разных режимах полёта.
Сейчас в МАИ готовят к сборке первый демонстратор гибридной установки, на стенде завершаются тестовые испытания системы автоматического управления. В перспективе планируется аттестация стенда, что позволит использовать его в интересах внешних заказчиков.
Команда для одного мотора
С электрическими силовыми установками (ЭСУ) ситуация не менее сложная. Их эффективность сильно зависит от «команды» электродвигателя: регулятора оборотов, источника питания, воздушного винта.
«Совместное функционирование составляющих не может быть исследовано при их автономной работе, — говорит начальник лаборатории № 2 ПИШ МАИ Николай Иванов. — Только в сборе можно увидеть точки для оптимизации, улучшения характеристик всей системы».
Для комплексной проверки всей связки в ПИШ МАИ создано два стенда: один — для ЭСУ с тягой до 10 кг (для небольших дронов), второй — до 50 кг (для беспилотников массой несколько десятков центнеров). Принцип их работы Николай Иванов объясняет просто: «Мы измеряем всё: механические параметры, электрические, тепловые. Это необходимо, чтобы иметь полное представление о каждом элементе и системе в целом. Так мы можем уточнить расчётные модели, а это значит, что расчёты становятся точнее, а характеристики изделий — лучше».
Стенды уже активно используются в практических целях.
«Приходит команда разработчиков БЛА и говорит: „Мы летаем вот с такой силовой установкой столько-то времени. Можете сделать так, чтобы мы летали дольше?“» Такую задачу мы сейчас и решаем. Именно для этого предназначены наши стенды», — добавляет начальник лаборатории.
В ближайших планах — интеграция стендов с малой аэродинамической трубой. Это позволит проверять работу силовых установок не только в статике, то есть без обдува, но и в условиях, максимально приближенных к реальному полёту, — под воздействием набегающего потока воздуха.
Создание такой испытательной базы важно и для подготовки будущих инженеров. В работу активно вовлекаются студенты и аспиранты. По словам Николая Иванова, молодёжь это сильно мотивирует: «Что может быть привлекательнее, чем провести серию экспериментов с электродвигателем, в ходе которых всё вокруг сдувает?»
Таким образом, в МАИ не только формируется технологический задел для летательных аппаратов будущего, но и готовится новое поколение специалистов, которым предстоит это будущее строить.
