Стремление сделать гражданскую авиацию экологически чистой практически не оставляет альтернатив для выбора топлива. На батарейках далеко не улетишь, поэтому в качестве топлива всё чаще и чаще рассматривается водород. Самолёты могут летать как на топливных ячейках, так и непосредственно на сжигании водорода. В любом случае будет стоять задача взять на борт как можно больше горючего и с этого места появляются варианты.

Источник изображения: ZeroAvia

Водород может сжижаться с использованием криогенного охлаждения (-253 °C), а может сжиматься при обычной температуре в газообразном состоянии. Так же есть варианты экзотических способов хранения водорода в пористых материалах и в соединениях, но это требует более сложных и не до конца изученных процессов.

Но есть ещё один вариант, который впервые был предложен 25 лет назад исследователями Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса. Он предусматривает криогенное охлаждение водорода (сжижение) и последующее сжатие. Сжатие до примерно 240 атм позволяет поднять плотность топлива и, следовательно, запасаемой энергии. Самолёт на такой системе сможет пролететь ощутимо дальше без существенных затрат на усложнение оборудования.

Вопросами использования сжатого криогенно охлажденного водородного топлива занялась молодая компания Verne из Сан-Франциско. Сотрудники компании изучили опыт учёных из Ливерморской национальной лаборатории и провели там в прошлом году ряд натурных экспериментов. Опыты показали, что предложенное Verne решение позволяет хранить в криогенных баках под давлением на 27 % больше сжиженного водорода. В компании считают, что могут довести этот показатель до 40 %, что означает примерно такое же увеличение дальности полёта.

Другими преимуществами криогенно сжиженного водорода под давлением станет простая перекачка топлива при дозаправке (баки танкера под давлением сами заполнят топливные баки), а это колоссальная экономия на инфраструктуре аэропортов, а также более простая конструкция бака по сравнению с ёмкостью для газообразного водорода под давлением 700 бар и, наконец, происходит самоохлаждение топлива в процессе его выработки за счёт естественного расширения газов в баке.

Опытный бак для хранения сжиженного водорода под давлением. Источник изображения: Lawrence Livermore National Labs

Но самой главной новостью стала информация о заключении компанией Verne договора о совместной разработке и испытании самолёта на криогенно сжиженном и сжатом водороде с компанией ZeroAvia. Год назад ZeroAvia организовала первый полёт самого большого гражданского самолёта на водородных топливных ячейках, и она намерена найти лучший способ использования водорода в качестве топлива для авиации. Предложение изобретателей Verne было воспринято с энтузиазмом и, возможно, оно окажется перспективным.

Молодая канадская компания Duxion Motors сообщила об успешных наземных испытаниях перспективного авиационного электродвигателя, который обещает заменить керосиновые реактивные двигатели на самолётах всех типов. Двигатель eJet Motor запатентован и подходит для масштабирования в широких пределах, а также удобен в обслуживании и эксплуатации.

Пример реактивной гражданской авиации

Испытания прототипа прошли в Саммерсайде (остров Принца Эдуарда, Канада) и включали в себя работу как на низких оборотах, так и на высоких. Не обошлось без вездесущей светодиодной подсветки, что придало особый шарм испытаниям двигателя в темноте. О влиянии подсветки на мощность не сообщается.

Представленный канадцами двигатель относится к классу кольцевых (Rim-Driven Propulsor, RDP). Если мы не ошибаемся, первыми данный тип двигателя, правда, для гребных винтов судов, запатентовала компания General Dynamics Electric Boat. Постоянные магниты в таком двигателе расположены по ободу, к которому крепятся концы крыльчатки. Двигатель также имеет крыльчатку на обратной стороне, что делает его работу менее шумной и более эффективной.

Канадцы не сообщили характеристик прототипа, отметив, что испытания прошли успешно. Компания Duxion Motors имеет предварительную договорённость на сумму $500 млн с компанией Dymond Aerospace на поставку 200 двигателей eJet Motor для оснащения 100 беспилотных грузовых самолётов. Ожидается, что двигатели eJet Motor обеспечат тягу 38,84 кН, равную тяге керосиновых реактивных двигателей для 50-местных региональных самолётов CRJ100.

Двигатели eJet Motor могут также работать в гибридных силовых схемах и обладают целым спектром характеристик, выгодно отличающих их от двигателей на ископаемом топливе. Сегодня мировой авиационный парк насчитывает свыше 30 000 реактивных самолетов, на которые приходится 2,5 % глобальных выбросов CO₂. В компании намерены с этим покончить, когда двигатели eJet Motor перейдут к массовому производству.

Компания Duxion Motors не одинока в своём стремлении дать новое чистое сердце гражданской авиации и не только. Похожие электрические двигатели создают компании Wright, RogersEV, H3x и другие менее известные. Все они демонстрируют тот или иной успех, что со временем приведёт к результату.

Эксперименты по использованию водорода в качестве топлива в авиации ведутся не только в контексте его непосредственного сжигания, но и в виде источника электроэнергии для топливных ячеек. Японские власти готовы выделить до $200 млн государственных субсидий на создание экологически чистой авиации, и водородный авиатранспорт данной инициативой тоже покрывается в полной мере.

Источник изображения: Boeing

Министерство экономики, торговли и промышленности Японии, по данным Nikkei Asian Review, готовит выделение $205 млн на поддержку инициатив по разработке более экологичных силовых установок для авиационной отрасли. Из этой суммы примерно $116 млн будут направлены на субсидирование разработки водородных топливных ячеек авиационного класса. Они требуют более высокой отдачи, чем применяемые в наземном транспорте. В специальных реакторах водород используется для генерирования электричества, в качестве выхлопа при этом образуется водяной пар. Генерируемая электроэнергия уже используется для вращения тяговых электродвигателей, в этом отношении авиационные системы не должны принципиально отличаться от наземных.

В отличие от аккумуляторных электрических силовых установок, водородные топливные ячейки обладают меньшей массой, что для авиации имеет принципиально важное значение. Оставшиеся $90 млн субсидий будут направлены на разработку систем управления авиационных двигателей, которые позволяют снизить расход топлива. Airbus собирается вывести на рынок серийный авиалайнер на водороде к 2035 году. Японская промышленность должна заниматься профильными разработками уже сейчас, чтобы в следующем десятилетии не оказаться в числе отстающих. К 2030 году власти Японии рассчитывают увидеть прототипы соответствующих решений в исполнении получателей субсидий, которые пока не определены, но будут найдены до конца текущего года. В США и Европе прототипы летательных аппаратов с водородными топливными ячейками уже испытываются.

Сейчас японские поставщики снабжают до 15 % компонентов для авиалайнеров серии Boeing 787 и до 35 % для планерной части. В эпоху перехода на водородное топливо японские компании тоже не хотят оставаться в стороне от формирования международных стандартов в этой сфере. Члены Международной организации гражданской авиации поставили перед собой цель добиться осуществления международных перелётов с углеродной нейтральностью к 2050 году. В 2021 году авиационные перелёты обеспечили до 2 % всех выбросов углекислого газа на планете, по расчётам специалистов.

Американский стартап Boom Supersonic приступил к рулёжным испытаниям прототипа сверхзвукового самолёта XB-1. Это приближает первый испытательный полёт двухместного самолёта, способного летать на скорости до 1,7 Маха. Ожидается, что первый пилотируемый полёт XB-1 состоится до конца текущего года. Федеральное агентство гражданской авиации США уже выдало компании соответствующее разрешение.

Источник изображения: Boom Supersonic

Прототип XB-1 в три раза меньше будущего сверхзвукового пассажирского лайнера «Увертюра» (Overture), который компания надеется создать для возрождения коммерческой сверхзвуковой авиации. Летом прошлого года компания American Airlines заключила с Boom Supersonic предварительный контракт на изготовление 20 таких самолётов. Но пройдёт ещё много лет, прежде чем они поднимутся в небо. В свой первый полёт прототип XB-1 обещал отправиться в далёком 2017 году, но произойдёт это только сейчас спустя шесть лет после первоначальных планов.

Рендер сверхзвукового самолёта «Увертюра»

Если XB-1 поднимется в небо в этом году, то такое событие станет своего рода данью юбилею последнего полёта «Конкорда». Европейские сверхзвуковые лайнер Concorde вывели из эксплуатации в 2003 году. Целый спектр недостатков «Конкордов» оказался весомее достоинств скоростных гражданских перелётов. Дизайн и конструктивные особенности XB-1 и будущей «Увертюры» ликвидируют один из них — громкий переход на сверхзвуковой режим полёта. Переход звукового барьера у «Увертюры» должен быть не громче хлопка закрывающейся двери автомобиля.

Прототип XB-1 прошёл все наземные испытания (кроме рулёжных) и это позволило FAA выдать компании экспериментальный сертификат лётной годности и, тем самым, открыл ему дорогу в небо. Пилотировать прототип будет лётчик-испытатель компании Тристан «Гепетто» Бранденбург (Tristan «Gepetto» Brandenburg). Вторым пилотом будет лётчик-испытатель Билл «Док» Шумейкер (Bill «Doc» Shoemaker).

Наземные испытания и первые полёты пройдут в аэрокосмическом порту Мохаве (штат Калифорния), где испытывают свои решения множество компаний из США. Прототип XB-1 оснащён тремя двигателями General Electric J85, работающими на экологически чистом авиационном топливе. Для самолёта «Увертюра» разрабатываются свои двигатели, над которыми компании приходится работать самостоятельно. Ведущие разработчики с мировым именем посчитали этот проект неперспективным и отказались работать с Boom Supersonic.

Возможно, первый полёт аппарата изменит отношение гигантов к проекту. Осталось его дождаться и это событие явно не за горами.

Один из лидеров производства тяговых аккумуляторов для электромобилей — китайская CATL — создала совместное подразделение с одним из китайских авипроизводителей для разработки электрических самолётов. Возможно гражданская электрическая авиация ближе, чем нам казалось: у CATL уже есть главный ингредиент для электросамолётов — аккумулятор с рекордной плотностью хранения энергии.

Проект электросамолёта ES-30 компании Heart Aerospace (как пример гражданской электроавиации). Источник изображения:Heart Aerospace

О создании совместного предприятия сообщило новостное агентство Yicai Global. Компания CATL и её партнёр — государственная китайская авиастроительная компания Commercial Aircraft Corporation of China (COMAC) — пока не выступили с комментариями. Но планы партнёров довольно прозрачны. Ещё в апреле CATL представила аккумуляторы с рекордной плотностью хранения энергии, характеристики которых допускают их использование в самолётах в качестве тяговых. Тогда же компания сообщила, что сотрудничает с авиапроизводителями для адаптации новых батарей к авиационным системам.

По данным источника, авиационное подразделение CATL (совместное предприятие) организовано на базе Шанхайского университета Цзяо Тун (Shanghai Jiao Tong University Enterprise Development group). В работе над новыми проектами будет участвовать бывший главный конструктор узкофюзеляжного самолёта C919 Цянь Чжунъян (Qian Zhonhyan). Подобное не оставляет сомнений, что подразделение CATL будет создавать аккумуляторные подсистемы также для большой гражданской авиации, а не только для маломестных аэротакси.

Первые батареи для гражданских электросамолётов. Источник изображения: CATL

По мнению Илона Маска, для жизнеспособности электролётов с вертикальными взлётом и посадкой аккумуляторам необходимо преодолеть рубеж плотности хранения энергии в 400 Вт·ч/кг. Новая батарея CATL обещает плотность хранения энергии на уровне 500 Вт·ч/кг. Если этого хватает для аэротакси, то этого будет достаточно и для открытия дороги в небо электросамолётам классической планерной схемы.