Электрическая тяга 2 - Полёт верхом на молнии

В плюсах и минусах электрической тяги в автотранспорте мы более-менее разобрались. Понятно, что экономически это оправдано в определённой степени. В частности, идеальное применение известно давно - электропоездами в наше время никого не удивишь. Следом за ними по рентабельности и целесообразности идёт гибридный транспорт.

Но как обстоят дела с авиацией? Не секрет, что до сих пор не построено ни одного вразумительного летательного аппарата на электрической тяге. Каковы перспективы? Попробуем разобраться.

Итак, начнём, как всегда, с физики. В частности, с главных отличий летательного аппарата от автомобиля.

Если вспомнить график, приведённый в прошлой статье для гипотетического маршрута автомобиля, особый интерес на нём представляет кривая потенциальной энергии. Потенциальная энергия в обычной Ньютоновской физике - это энергия, связанная с положением тела относительно центра гравитации. Как например с водой в ГЭС - её превышение у вершины по отношению к основанию плотины - есть уровень потенциальной энергии воды, при опускании которого можно получить определённое количество вполне полезной электрической энергии.

Так вот, сохранение потенциальной энергии при равномерном движении для автомобиля - дело само собой разумеющееся, ведь между его центром масс и центром гравитации планеты находится твёрдая поверхность. Совсем другая картина наблюдается с летательным аппаратом. На ЛА в течение всего полёта действует сила равная его весу.

Как известно, противостоит этой силе - подъёмная сила несущих плоскостей ЛА. В общем случае, способность аппарата бороться с гравитацией оценивают удельным показателем, называемым "аэродинамическое качество". Для самолётов - это отношение веса аппарата к тяге, потребной для поддержания его в воздухе на той же высоте, то есть К=G/T.

Для вертолётов его аналогом является эквивалентное качество Кэ=G/Хэ, где Хэ=Nг.п./V - отношение затрачиваемой мощности к скорости полёта (это исходя из того, что несущий винт является одновременно и крылом и движителем).

Обычно этот параметр для летательных аппаратов приводится для наиболее выгодных режимов полёта и называется максимальным качеством. Скажем, у для современных самолётов оно составляет порядка 18-20, для вертолётов - всего 4-6.

Нам этот параметр интересен на крейсерском режиме полёта - на котором аппарат проводит большую часть времени. Этот режим как правило не совпадает с режимом наиболее выгодным, т.к. скорость полёта также имеет значение в практической эксплуатации, а за скорость нужно платить. И цифры аэродинамического качества для крейскрского режима поскромней и составляют порядка 12-15 для самолёта и 3,5-4 для вертолёта.

Однако, нам этот параметр интересен несколько иным своим свойством, чем просто отношением потенциального веса к требуемой тяге. В частности тем, что он численно выражает величину, на сколько метров успеет пролететь летательный аппарат вперёд, прежде, чем опустится на один метр вниз.
 

Это представление удобно для того, чтобы сопоставить энергетические затраты летательного аппарата по отношению к наземному транспорту.

Так, летательный аппарат можно представить, как автомобиль, который всегда едет в гору. За той лишь разницей, что гипотетическое планирование превращается в подъём на горку соответствующей крутизны.

То есть, скажем, самолёт эквивалентен грузовику, который едет в гору с наклоном ~4°. Для вертолёта эквивалентный угол горки - ~14°. И всё это со скоростью движения соответствующего аппарата (для самолётов - 850 км/ч, для вертолётов - 270 км/ч). Можно сказать, что для самолёта на каждые 15 км пути, нужно подняться на 1 км вверх, а для вертолёта - на каждые 4 км.

Неслабенькая нагрузочка получается, не правда ли?

Вернёмся, однако, к электрической тяге. Как вы должно быть уже поняли, потребная мощность в авиации существенно превышает таковую у наземного транспорта, а от массы аппарата напрямую зависит потребная подъёмная сила. Поэтому, если в наземном транспорте ещё как-то можно мириться с низкой эффективностью аккумуляторов, то в авиации они находятся просто за гранью допустимого.

Представьте себе, например, самолёт Ан-2, который при максимальном взлётном весе 5500 кг, имеет силовую установку мощностью 735кВт (1000л.с.). Вот взгляните на свой счёт за электричество за месяц - там вы увидите, что ваш месячный расход составляет 200-400 кВт-ч. А один Ан-2 на взлётном режиме сожрёт такое количество энергии соответственно за 16-30 минут. 

А теперь представьте, какие нужны аккумуляторы, чтобы обеспечить такую мощность на протяжении хотя бы двух часов полёта. Если обратиться к показателям удельной ёмкости литий-ионных аккумуляторов из предыдущей статьи, то для средней потребляемой мощности в 500 кВт в течение полёта, получим массу аккумуляторов 4 тонны. Напомню, общий максимальный взлётный вес Ан-2 составляет 5,5 тонн. 

И это ещё не вся картина, ведь топливо во время полёта имеет свойство вырабатываться и, соответственно, потребная тяга падает. Современный самолёт типа Airbus A320 с максимальным взлётным весом 75 тонн, несёт запас топлива в 24 тонны. К концу полёта он будет весить практически на треть меньше взлётной массы. В случае аккумуляторов, вес будет неизменен.

Есть ли у электрической тяги перспективы в авиации?

При всём описанном выше и ещё множестве не столь очевидных проблем (например в виде необходимости доставлять от аккумуляторов к двигателям мегаваттные мощности, каким-то образом отводя тепло, решить проблемы электромагнитной совместимости и т.д.), перспективы всё же есть. Они начинаются там, где появляется носитель энергии, превосходящий указанную ранее величину в 3,5 кВт-ч/кг. 

Таким источником может стать, например, алюминий-воздушный аккумулятор, ёмкость которого в теории может достигать 8 кВт-ч/кг. Выход в свет подобного устройства мгновенно перевернёт картину мира в воздухоплавании на электрической тяге. 

Но это уже совсем другая история.