1. Вступ
2. Яка історія застосування електродвигунів в авіації? Минуле і сьогодення.
3. Безпілотні літальні апарати на електродвигунах. Історія
4. Електровертолети. Історія
5. Які авіаційні літальні апарати були створені завдяки використанню електродвигунів?
6. Перспектива використання електричних двигунів в авіаційних проектах
7. Електровертолети. Якого їхнє майбутнє?
8. Електросамолети. Якого їхнє майбутнє?
9. Безпілотні ЛА на електротязі. Якого їхнє майбутнє?
10. Висновок
11. Джерела інформації:

Автор: Бадакова Анастасія Василівна
Вік: 17 років
Місце навчання: Гаврилов-Ямський філія РГАТУ імені П.А Соловйова (технік-конструктор заводу "Агат")
Місто, регіон: місто Гаврилов-Ям, Ярославська область
Керівник: Корнілов Олексій Сергійович, інженер-конструктор заводу "Агат"

Історико-дослідницька робота: "Електричне" серце "літальних апаратів: історія застосування та перспективи розвитку".

Метою моєї історико-дослідницької роботи є: провести аналіз історичних робіт, по розробках літальних апаратів на електродвигунах. У своїй роботі, я розповім про те, які літальні апарати створювалися раніше, створюються зараз і що нас чекає в майбутньому, а так само їх призначення.

план:

• Вступ
• Яка історія застосування електродвигунів в авіації? Минуле і сьогодення
  Електричний літак. Історія
  Безпілотні літальні апарати на електродвигунах. Історія
  Електровертолети. Історія
• Які авіаційні літальні апарати були створені завдяки використанню електродвигунів?
• Перспектива використання електричних двигунів в авіаційних проектах
  Електровертолети. Якого їхнє майбутнє?
  Електросамолети. Якого їхнє майбутнє?
  Безпілотні ЛА на електротязі. Якого їхнє майбутнє?
• висновок

Вступ

Електричне «серце» - це електричний двигун. Електродвигун - це електромашина, яка перетворює електричну енергію, в механічну. В даний час вони широко застосовуються в різних сферах. Наприклад, в побуті: електродрилі, пилососи, міксери, швейні машини, пральні машини та ін. Верстати на виробництві працюють на електричних двигунах. Так само він застосовується в авіації.

Електричні авіаційні двигуни з'явилися в XIX столітті, але стали користуватися популярністю порівняно недавно. Причиною стала поява ємних акумуляторів і дешевих матеріалів, що посприяло сильному зменшенню витрат на виробництві. Більш того даний вид двигунів має ряд переваг: високий ККД, відсутність шкідливих вихлопів, пожежо- та вибухонебезпечність, економічність, надійність, довговічність, малий шум.

Виходячи з даних переваг у мене виникло багато питань:

1. Яка історія застосування електродвигунів в авіації? Минуле і сьогодення.

2. Які авіаційні літальні апарати були створені завдяки використанню електродвигунів?

3. Чи перспективно використання електричних двигунів в авіаційних проектах?

Яка історія застосування електродвигунів в авіації? Минуле і сьогодення.

Електричний літак. Історія

Електричний літак - це літак, що приводиться в рух електричним двигуном, що живиться від паливних елементів, фотоелементів, іоністорів (або по-іншому «суперконденсаторів»), батарей або бездротовим шляхом.

Як було сказано раніше, перше використання електродвигунів в авіації почалося ще в XIX столітті. А точніше 8 жовтня 1883 року Гастоном Тіссандье на дирижаблі «La France» здійснив свій перший політ. Встановлений двигун, був розроблений відомим інженером Вернером фон Сіменсом. До речі, саме він є засновником знаменитої фірми «Siemens», яка працює в різних областях, наприклад, електротехніка, електроніка, транспорт і в багатьох інших. Хотілося б додати, що на сьогоднішній день фірмою створено потужний авіаційний електродвигун, який за характеристиками перевищує навіть турбореактивний двигун. Вага двигуна 50 кг, а потужність 269 кВт (348 к.с.) з числом оборотів 2500 об / хв. Якщо зіставити вагу, потужність і габарити, то «Siemens» є лідером (двигун видає в 5 разів більшу потужність, ніж існуючі аналоги). А співвідношення ваги до потужності становить 5_кВт на 1 кг. Тільки один такий двигун здатний підняти двотонний літак. За словами Франка Антона - інженера фірми «Siemens», завдяки нововведенням, планується побудувати ряд гібридних і електричних літаків, які будуть служити для перевезення від одного до чотирьох пасажирів. На найближчий час заплановано створення більш потужного електродвигуна, який буде здатний підняти в повітря авіалайнери і перевозити 50-100 пасажирів.

Але про все по порядку. Розглянемо одні з перших пілотованих літаків, на які ставилися електродвигуни:

Перший літак на сонячній енергії (важчий за повітря), який підняв в повітря людини, створений в 1973 році. Досяг цього результату апарат під назвою Militky MB-E1, він був модифікацією моторного планета Brditschka HB-3, Розробниками були Фред Мілішкі і Хейно Брдішка. Саме Хейно і здійснив політ на електричному літаку, політ склав 14 хвилин.

У 1979 році Mauro Solar Riser побив минулий результат, політ на електросамолете склав 35 хвилин. На ньому був вперше застосований сонячний фотоелемент, проте скористатися ним так і не вдалося. Дана задумка прийшла в голову Ларрі Мауро, але розвиток ідеї закінчилося випробуваннями і до масового застосування справа не дійшла.

У 1981 році літак Solar Challenger, з великим відривом від своїх конкурентів поставив новий результат в тривалості польоту 5 годині 23 хвилини, політ проходив через протоку Ла-Манш.

Наступні факти, які мене зацікавили, це рекорди, поставлені електричними літаками.

Рекорд висоти без реактивних двигунів, який не побитий досі, висота склала 29 524 м, більш того він протримався на цій висоті понад 40 хвилин. Це сталося в серпні 2001 року, пілотом був Грег Кендалл, а літак NASA Helios.

Ерік Раймонд в 1990 році перетнув США на літаку Sunseeker I власної розробки, для цього був здійснений 21 політ і витрачено близько 120 льотних годин.

Ну, а тепер я хотіла б, нагадати про двигун «Siemens», про який не давно йшла мова. Але зараз піде мова, про літак Extra 330LE, на який цей двигун поставлений, а точніше про його рекорд. Літак піднявся на висоту 3 000 метрів за 4 хвилини 22 секунди. Є абсолютним рекордсменом у категорії електросамолетов із злітною масою від 500 до 1000 кілограм.

Рекорд швидкості серед літаків з електродвигуном в 2012 році поставив Long-ESA, швидкість склала 326 км / год.

Широке поширення отримала область безпілотних літальних апаратів на електродвигунах.

Безпілотні літальні апарати на електродвигунах. Історія

Безпілотні літальні апарати - це літальні апарати без екіпажу на борту. Їх управління здійснюється дистанційно, або автоматично.

Перші безпілотники з використанням електродвигунів в якості силової установки почали з'являтися в кінці 1990 - початку 2000 років.

Ось одні з перших:

FQM-151A Pointer перший політ відбувся в 1986 році, оскільки на ньому був встановлений електродвигун Astro 15, то даний безпілотник вигравав по масі, вона була на багато менше, ніж у безпілотників на ТРД. І з цього призначений він був для телевізійного або інфрачервоного спостереження місцевості. Злітна маса 4,1 кг, тривалість польоту 1 годину. Розробник: США.

А-3 Ремез здійснив свій перший політ в 1999 року. Призначення: виявлення об'єктів і визначення їх координат; патрулювання; розвідка лісових районів. Злітна маса важчим за свого попередника на 5 кг, але тривалість польоту збільшилася в 2 рази. Розробник: Україна.

Carolo P50 - мікро-безпілотник, який розроблений в Німеччині в 2004 році, тоді він і зробив свій перший політ. Через те, що він має малу вагу і невеликі габарити, він є неоціненним помічником для ведення розвідки. Тривалість польоту 15 хвилин, злітна вага 0,55 кг, Також, апарат оснащений системою GPS, що дозволяє переходити на ручне управління.

Ну, а тепер розглянемо рекорди.

Світовий рекорд по тривалості серед безпілотних літальних апаратів.

У 2010 році світовий рекорд за тривалістю серед безпілотних літальних апаратів поставив QinetiQ Zephyr з живленням від сонячних батарей, пробувши в повітрі два тижні.

Solar Impulsе став першим літаком, який використовує виключно енергію сонця (сонячні батареї). Він здатний літати необмежено довго, бо запасає енергію в акумуляторних батареях.

Ще один беспілотік Aquila, належить «Facebook», це перший електросамолет, який служить для роздачі інтернету жителям важкодоступних районів, він піднімається на висоту 18 кілометрів і проводити в польоті до декількох місяців. Вперше піднявся в повітря 28 червня 2016 року.

Електровертолети. Історія

Електровертолети - вертольоти з застосуванням електродвигунів в якості силової установки.

Модель прив'язного електровертолёта соосной схеми А. Г. Іосіфьяна.

Одним з перших хто вирішив застосувати електродвигун в вертольотобудування став Іосіфьян. Метою його створення був двухвінтовой вертоліт співвісні схеми. Один гвинт обертався разом з ротором двигуна, інший разом зі статором. Трифазний асинхронний електродвигун (0,52 кВт) отримував живлення від електромережі напругою в 220В через кабель. В результаті роботи (1933-1935 роках) була отримана привязная модель вагою 28 кг.

А після випробувань було прийнято рішення замінити електродвигун на більш потужний. Так зародилася ідея електровертолетов.

Наступний на черзі авіаконструктор Паскаль Кретьєн в 2012 році здійснив політ без страхувального троса, який використовувався в минулому розробці. Пілотові вдалося протриматися в повітрі 2 хвилини 10 секунд, він жартома казав «У разі краху я міг перетворитися в спекотне», дійсно політ був небезпечний для життя, тому що легкозаймисті літій-полімерні акумулятори могли вдариться об землю і вибухнути. Але політ з метрової висоти, навряд чи міг закінчиться плачевно. У найближчому майбутньому планується створення вертольота, який зможе затриматися в повітрі на 10-12 хвилин.

Маленький підйом для електричного вертольота - великий підйом для всієї електричної авіації

Ще один виробник Sikorsky Aircraft анонсував вихід вертольота на електричній тязі Firefly. Його вже представляли на виставці в 2010 році. Даний проект знаходиться на доопрацюванні, але ось, що нам вже відомо: вага 81 кг; на вертольоті встановлений електромотор потужністю 190 л.с; так само встановлені 2 літієво-іонні батареї, встановлено безліч датчиків, які стежать за «здоров'ям» електродвигуна.

Які авіаційні літальні апарати були створені завдяки використанню електродвигунів?

Як відомо, що не всі проекти завжди закінчуються успіхом. В наступній частині роботи будуть розглянуті яскраві приклади сучасного застосування електросамолетов і безпілотників на електротязі. Оскільки електровертолети з'явилися не давно, в порівнянні з електросамолетамі, то про них поговоримо пізніше.

Solar Impulse перший пілотований літак, який літає за рахунок енергії Сонця. Призначений даний літак для навколосвітньої перельоту. Днем літак запасає енергію сонця в акумуляторних батареях і набирає висоту (для виконання нічних польотів), що найцікавіше теоретично, повторюючи дані дії, літак може перебувати в повітрі скільки завгодно. Розробником є ​​швейцарський аеронавт Бертран Пікар, що представив на публіці свій проект 26 червня 2009, і в грудні цього ж року пройшли успішні льотні випробування на авіабазі Дюбендорф, тривалість польоту склала 26 годин.

Solar Impulse SI2 електросамолет оснащений обладнанням для здійснення трансконтинентальних і трансокеанських перельотів.

Літак успішно пройшов всі випробування, і тепер стояв дуже важливе питання: «Чи відповідає апарат своєму призначенню?». Питання поставили руба і було прийнято рішення здійснити кругосвітній політ. Виліт відбувся в березні 2015 року, в Абу-Дабі в 7:12 за місцевим часом. Маршрут був розбитий на 12 ділянок з посадками. Під час перельоту на ділянці Нагоя-Гаваї встановлений новий рекорд за тривалістю польоту. Але не все проходило гладко, в 2015 році під час перельоту на ділянці Нагоя-Гаваї через перегрів був пошкоджений акумулятор. Виконання завдання відновилося в квітні 2016 році, а вже в липні місія була завершена. Не дивлячись на пошкодження, мета була досягнута, електросамолет впорався з поставленим завданням.
Але мене дивує те, скільки часу літак провів у польоті майже 570 годин, найдовший переліт був здійснений на ділянці Нагоя-Гаваї переліт зайняв 117 годин 52 хвилини, а відстань 7212 кілометрів. Весь переліт склав 39549 км, що становить майже окружність екватора нашої планети Земля.

ZALA 421-04M

Безпілотний літальний апарат, який визначає ступінь завданої шкоди, виявляє вибухові пристрої, є можливість скидання невеликих вантажів, прикордонний контроль, знаходження нафтових розливів, виявлення людей, оцінка стану ліній електропередач і трубопроводів.

Конструкція даного безпілотника, виконаний за схемою літаюче крило (тягне повітряний гвинт, електродвигун, акумулятори). На безпілотних літальних апаратах встановлена ​​малогабаритна відеокамера / цифровий фотоапарат / телевізор, обладнання передачі інформації. Щоб отримувати інформацію з апарату, і видача йому команд, його підключають до блоку управління.

ZALA 421-04M після успішних випробувань надійшов на озброєння в МВС Росії, прикордонній службі ФСБ Росії, МНС Росії, Антитерористичний центр СНД, МВС Таджикистану. Так само його застосовують для виявлення лісових пожеж, незаконна вирубка лісів, гідрометеослужби, антитерористичного захисту, забезпечення охорони та безпеки об'єктів. Знаходяться в застосуванні у «Авіалесоохрана», «Газпром», «Рибоохорона».

Airbus знаменита фірма теж представила свій електричний літак

Airbus E-Fan - це двомісний літак. Служить для тренувань пілотів, за словами глави напрямку електросамолетамі в Airbus - для навчання виконання розворотів, зльоту і посадки. Даний елетросамолет ідеально підходить. Час польоту невелика, але воно обмежене рівнем розвитку сучасних батарей. Так само велика перевага у витратах на політ, тренування на бензиновому літаку становить 55 $, а на електричному всього 16 $. Більш того електрична силова установка, в порівнянні з бензиновою, майже не потребує обслуговування. Батареї заряджаються протягом години. Так само на літаку встановлений запасний парашут для всього літака. До комерційного виробництва восени 2017 року, в перспективі буде створена версія електросамолета для 4 пасажирів, політ при цьому буде тривати 3,5 години.

Наступний електросамолет Cri-Cri є одним з маленьких літаків в світі. Він розроблений компаніями EADS Innovation Works і Aero Composites Saintonge. Призначена малятко для виконання фігур вищого пілотажу. Виконано Cri-Cri. надлегких композитних матеріалів. Тривалість польоту досить мала, але з своїм завданням вона справляється, якщо електросамолет буде летіти зі швидкістю 110 км / год - то заряду вистачить на півгодини, а якщо швидкість складе 250 км / ч - то 15 хвилин. Під час перших льотних випробуваннях Cri-Cri успішно себе зарекомендував, незважаючи на те, що політ тривав всього 7 хвилин. Розробники обіцяють, що в найближчому майбутньому ця модель буде модернізована і тривалість польоту складе близько години.

Перспектива використання електричних двигунів в авіаційних проектах

А тепер зазирнемо в майбутнє і подивимося, що ж нас чекає. І що обіцяють розробники електричних літальних апаратів.

Електровертолети. Якого їхнє майбутнє?

Електровертолет Volocopter VC200 (Гібрид вертольота і дрона)

Німецькі інженери вирішили створити вісімнадцяти гвинтовий літальний апарат, скажу навіть більше, він уже пройшов випробування. Майже нічого не відомо про те, як пройшов випробування Volocopter VC200, але повідомляється, що вісімнадцять несучих гвинтів розташовуються рівномірно на горизонтальній рамі над кабіною пілота. Не залежно від поворотів конструкції, можливо регулювати частоту обертання роторів. Розробники обіцяють високу безпеку і простоту управління, навіть якщо вийде з ладу основний акумулятор або відмовлять кілька роторів відразу ж, що відрізняє його від своїх побратимів.

За планами апарат повинен підніматіся на висоті 7 000 м, максимальна ШВИДКІСТЬ 100 км / год, ВАРТІСТЬ перельот не винних перевіщуваті поїздкі на таксі, так само розрахованій на двох чоловік. Вага такого двомісного вертольоти з Електромотор ставити 450 кг, в повітрі буде перебуваті 20 хвилин, и набіраті висота 2 000 м. Розробник заспокоюють, что, коли вертоліт увійде в серійне виробництво, длительность польоти збільшіться до 1 години. Управління проводитися двома кнопками и джойстиком, все інше на собі бере електроніка, такоже можливе управління Дистанційне и Повністю автоматичні. Ще одна перевага - в конструкції немає складних механічніх вузлів в електричних силовою установкою, что Робить надійніше, дешевим в обслуговуванні и пробачимо у вікорістанні, більш того знижена вібрація и шум, Завдяк цьом збільшіться комфортність польоти. Volocopter VC200 вже зацікавив споживачів: від приватних пілотів, до урядових організацій. Оскільки апарат може повністю вирішити проблему з пробками на автодорогах. А з керуванням впорається навіть дитина, для зберігання підійде будь-який гараж, бо секції з трьома двигунами від'єднуються від самої кабіни, тому не займають багато місця. Але керувати цим апаратом можуть тільки пілоти, які мають спортивну ліцензію, але з часом він отримає сертифікат, завдяки якому, пілотувати його зможе будь-хто. Ціна у Volocopter VC200 становить 340 000 $.

Одномісний електричний вертоліт HX-1 від японської компанії Hirobo.
Вона представила свій проект на виставці International Aerospace Exhibition, яка проходила в Нагої. Швидкість 100 км / год, але на одному заряді батарей апарат здатний пролетіти не більше 50 км, а це значить близько півгодини. Анонсують його, як міський засіб пересування, але це на найближчий час, в процесі модернізації вертоліт може бути використаний при ліквідації наслідків катастроф і евакуації постраждалих. Вертольоти будуть проводиться в двох варіантах - в безпілотному варіанті з дистанційним управлінням (125 000 $), і в одномісному (375 000 $). Запуск в серійне виробництво планується в 2021 році.

Електросамолети. Якого їхнє майбутнє?

В майбутньому нас чекає гібридне застосування силових установок. Про це заявляють безліч відомих розробників. Оскільки електросамолети, здатні підняти в повітря від 1-4 пасажирів, вже є, то в даний час, всі виробники розмірковують над метою створенням екологічно чистого авіалайнера.

Першою почала роботу над авіалайнером E-Thrust компанія EADS.

Дана компанія пообіцяла революцію в розвитку пасажирських авіаперевезень до 2050 року. Проект гібридного електричного авіалайнера розроблений фахівцями EADS спільно з Rolls-Royce, для скорочення кількості споживаного палива і зменшення шкідливих викидів речовин в навколишнє середовище, а також зменшення видаваного літаком шуму. В E-Thrust реалізована система розподіленої тяги "Distributed Propulsion", яка складається з декількох електричних двигунів з пропелерами, згруповані вздовж кожного крила літака. Джерело енергії, який постачає електрикою електродвигуни та заряджає акумуляторні батареї авіалайнера, є високоефективний електричний генератор, що приводиться в дію газотурбінним двигуном, який може працювати на будь-якому вигляді авіаційного палива (навіть на біопаливі). Це не тільки екологічно чисто, але і безпечно, оскільки при виході генератора або двигуна з ладу, заряду енергії буде достатньо, щоб дістатися до найближчого аеропорту і зробити безпечну посадку.

Завдяки створеним на сьогоднішній день сучасним композитних матеріалів, є можливість зменшити розміри хвостового вертикального оперення і вага авіалайнера в цілому. Більш того, розробники повідомляли, що ведуть роботу над створенням нових високоефективних сонячних фотогальванічних елементів, які можуть використовуватися для покриття всього корпусу літака, які перетворять його в одну велику літаючу сонячну батарею, дозволяючи літати за рахунок енергії, повністю отримується з поновлюваних джерел, може з'явитися протягом найближчих декількох років.

Наступний проект був представлений в 2012 році на відомому авіашоу в Берліні. Мета задумки - створення повністю електричного пасажирського авіалайнера Ce-liner, який буде об'єднувати перспективні технології. Для підвищення аеродинамічної якості системи, застосована аеродинамічна компоновка С-wing, яка в свою чергу, так само допомагає істотно знизити індуктивний опір, нульовий рівень викидів, позбавлення від шуму реактивного двигуна, завдяки використанню електродвигуна. Зародження ідеї створення проекту почалося з аналізу стану ринку, потім оцінка існуючих технологій, і тільки потім створення концепт проекту майбутнього електричного авіалайнера. Дослідники вважають, що існуючі технології, дозволяють створити екологічно чистий авіалайнер. Розробники також вважають, що перша модель з'явиться в 2030 році, і більш того, що здійснення перельотів на подібних літаках 59% від всіх рейсів на дальність 1100 км, і 79% на дальність 1600 км. Місткість таких літаків 180-200 місць. Детальну інформацію про розробку, розповів директор програми Visionary Aircraft Concepts дослідного інституту Bauhaus Luftfahrt - Dr. Askin T. Isikveren

Безпілотні ЛА на електротязі. Якого їхнє майбутнє?

Концепт повністю електричного безпілотного конвертоплана Project Zero, розроблений корпорацією AgustaWestland.

Конвертоплан - літальний апарат з поворотними рушіями, які на зльоті і при посадці працюють як підйомні, а в горизонтальному польоті - як тягнуть; при цьому підйомна сила забезпечується крилом літакового типу.

Характеристики Project Zero об'єднує в себе переваги вертольота і літака в єдине ціле. Цей проект створюється для комфортабельного перевезення людей, навіть в самих несприятливих умовах. Передові технології здатні забезпечити новий рівень продуктивності, надійності і доступності для майбутніх операторів. Дана модель вже пройшла успішні льотні випробування і самі розробники повідомили, що в серійне виробництво проект увійде в 2017 році. Так само AgustaWestland отримала замовлення на 70 конвертопланів.

Висновок

Завдяки, створення літальних апаратів із застосуванням електричного "серця", можна з упевненістю сказати, що прогрес не стоїть на місці і дуже швидко розвивається, дозволяє вирішити безліч завдань, з якими звичайна людина впорається не може.

Більш того застосування електричного двигуна в якості основної силової установки, виключить шкоди навколишньому середовищу, на відміну від своїх паливних побратимів. Також виключить пожежо- та вибухонебезпечність в випадках аварій під час польоту, зльоту і посадки. А застосування електродвигуна в якості генератора, істотно знизить вихлопи шкідливих речовин.

І зараз стоїть головне питання: «Чи стане авіація повністю безпілотної?». Безсумнівно, це питання стосується пілотування цивільних авіалайнерів. Звичайно, електроніка, позбавляє від такого важливого компонента, як людський фактор. Але чи впорається вона з поставленим завданням? Над цим сперечаються і будуть сперечатися, до тих пір, поки не буде створено і протестований цивільний літак на електродвигунах.

У висновку хочу сказати, що даний напрямок у розвитку авіації є більш ніж перспективним. І не для кого не секрет, що вже створені і щосили експлуатуються електромобілі (- автомобілі, які наводяться в русі одним або декількома електродвигунами), а розробники намагаються «навчити їх літати».

Джерела інформації:

1. Вікіпедія (російськомовна версія): стаття "Електричний літак"
2. Вікіпедія (англійська версія): стаття "Mauro Solar Riser"
3. Вікіпедія (російськомовна версія): стаття " NASA Pathfinder "
4. MOTOCARRELLP: стаття "Перший в світі Електровертолет Volocopter VC200 з пультом дистанційного керування"
5. novate: стаття "Перший в світі електровертолет
6. DailyTechInfo: стаття "Літак Long-ESA стає найшвидшим в світі електричним літаком"
7. Elecktromobile: стаття "Електросамолет Extra 330LE - самий скоропідйомності з нині існуючих"
8. Avia.pro: стаття "FQM-151 Pointer"
9. Вікіпедія (російськомовна версія): стаття "QinetiQ Zephyr"