НЕБЕСНЫЙ ЭЛЕКТРОЛЕТ

Одним из самых интересных и перспективных летательных аппаратов фестиваля «Небо: теория и практика» стал сверхлегкий электросамолет Efly-2. Его создатели Алексей Сычёв, ведущий инженер МАИ, и Кирилл Балясный, инженер НПО «Молния», подробно рассказали об истории разработки данной машины и ее технических особенностях.

В чем уникальность этого самолета? Его силовая установка полностью электрическая и не требует обслуживания (только зарядка батареи). Максимальные затраты на эксплуатацию не более 100 руб./час во время полета, затраты на земле — отсутствуют. Компактность и легкость сборки-разборки (может хранится в стандартном гараже вместе с автомобилем).

Идея постройки аппарата родилась в 2015 году, после посещения авиационной выставки в городе Фридрихсхафен (Германия), где были представлены легкие самолеты с электрическими силовыми установками. В Европе такие машины уже тогда получили широкое распространение, а у нас пока остаются экзотикой.

В основном электрические винтомоторные группы (ЭВМГ) устанавливаются на серийные одноместные и двухместные самолеты и планеры, имеющие достаточно высокое аэродинамическое качество. Привлекает установка таких ЭВМГ своей простотой, надежностью и низкими затратами в эксплуатации (даже с учетом ограниченного количества циклов заряда-разряда аккумулятора).

Согласно российскому законодательству, сейчас для летательных аппаратов весом до 115 кг (без учета веса пилота, топлива и спасательной системы) не требуется регистрация, сертификация, лицензия пилота и разрешение на полет*. Для таких самолетов электромотор наиболее предпочтителен, поскольку он прост по конструкции, дешев в эксплуатации, практически не требует обслуживания, в отличие от двигателей другого типа.

Электросамолет Efly-2, как и летательные аппараты большой авиации, прошел все этапы разработки. Первый — общее проектирование, где определялись его проектные параметры для заданных летно-технических характеристик (ЛТХ) с учетом взлетной массы, мощности двигателя, площади крыла, параметров электрической силовой установки. Следующим шагом стала проработка объемно-весовой и силовой компоновки с целью оптимизации конструкции для удобства и безопасности эксплуатации. Затем были проведены аэродинамические исследования при выборе параметров крыла, для обеспечения устойчивости и плавных срывных характеристик (исследовали разные аэродинамические профили, сужение, аэродинамическую и геометрическую крутку). Далее были сделаны аэродинамические расчеты всего электросамолета с моделированием работы воздушного винта, в том числе с использованием программ вычислительной гидродинамики (CFD) — помимо определения расчетных ЛТХ, это позволило получить реальное распределение нагрузок. При проектировании электросамолета использовались программы расчета прочности конструкций методом конечных элементов, особое внимание уделялось месту крепления компонентов ЭВМГ и композитному крылу. При разработке ЭВМГ основной задачей было получение наибольшего КПД, в связи с этим двигатель и пропеллер проектировались совместно. На завершающей стадии разработки была выпущена конструкторская документация, проведены многочисленные испытания электрической силовой установки на стенде для выбора комплектующих, удовлетворяющих требованиям безопасности, надежности и ресурса. Тестировались разные типы контроллеров управления двигателем, различные типы аккумуляторов, несколько моделей двигателей и винтов для получения нагрузочных характеристик и оценки предельных режимов работы. В настоящее время построен опытный образец электросамолета, проведены его летные испытания, осуществляется корректировка конструкторской документации для серийного производства.

При проектировании электросамолета за основу был взят планер ЛАК-16, конструкция которого хорошо себя зарекомендовала при эксплуатации в Юношеских планерных школах СССР.

В электросамолете применено оригинальное решение — верхняя труба фюзеляжа проходит внутри электромотора. Такая конструкция позволила удачно разместить силовую установку, обеспечить оптимальную центровку и массу летательного аппарата, установить винт большого диаметра. Наличие расчалок (две спереди и четыре сзади), помимо конструктивных задач, выполняют роль барьера для предотвращения случайного попадания в зону работающего двигателя. Конструкция планера полностью разборная, что упрощает процесс транспортировки и хранения. Причем при складывании хвостового оперения нет необходимости в демонтаже тросов системы управления. Две консоли крыла складываются вдоль фюзеляжа. Благодаря компактным размерам, хранить Еfly-2 можно в стандартном гараже.

Основные компоненты ЭВМГ: воздушный винт, электродвигатель, контроллер, аккумуляторная батарея, приборный блок. Все элементы собственной разработки, за исключением контроллера и аккумуляторных ячеек. Винт также специально разрабатывался для данного типа самолета.

Приборный блок измеряет обороты воздушного винта, потребляемый ток, напряжение, заряд и емкость батареи, температуру (двигателя, контроллера и аккумуляторной батареи), потребляемую мощность. Вся информация выводится на 7-дюймовый сенсорный экран. С его помощью можно производить гибкую настройку параметров микропроцессора, что позволяет его использовать с двигателями разной мощности без перепрограммирования.

Приборный блок состоит из трех основных компонентов. Первый — высоковольтный контактор, предназначенный для подачи питания на силовой контроллер управления двигателем. Управление контактором осуществляется с приборной панели. Второй компонент — система питания, обеспечивающая понижение напряжения с тяговой батареи до напряжения питания микропроцессора и датчиков, которые относятся к третьему компоненту блока. Микропроцессор принимает и обрабатывает сигналы с внешних датчиков, а после передает данные на устройства вывода и записи. Запись параметров работы электрической части позволяет проводить глубокий анализ и оценивать ее работу (в качестве примера, приведен график после обработки данных бортового самописца, и еще один график, на который нанесены расчетные и фактические значения тяги и мощности). По результатам испытаний измеренные значения совпали с расчетными с погрешностью менее 5%.

Для испытаний ЭВМГ был построен специальный стенд. Он позволяет получить КПД всей электрической системы в статическом режиме работы силовой установки (замеряет тягу, выходной крутящий момент, обороты, потребляемый ток, напряжение).

Первые летные испытания были успешно проведены 25 июля 2020 года. Поднял в воздух электросамолет шеф-пилот Еfly Сергей Толкач. Выяснилось, что электродвигатель, мощность которого на тот момент составляла 15 кВт, позволяет уверенно отрываться от земли на скорости 54 км/ч. В ходе испытаний производились подлеты на высоту 5-10 м и дистанцию около 1 км. Электрическая силовая установка даже в критической ситуации (режим пиковой потребляемой мощности) показала свою работоспособность и надежность.

Во время первого испытательного полета температура двигателя поднималась до 130°С (при допустимой 180°С). Однако, после летных испытаний двигатель претерпел небольшую модернизацию, это позволило на взлетном режиме поднять обороты с 2900 до 3050 об/мин, снизить температуру до 90°С, увеличить КПД электромотора с 85% до 95%, поднять мощность с 15 до 18 кВт и тягу с 55 до 65 кг.

Летные испытания выявили и ряд недостатков, поэтому в настоящее время ведутся работы по их устранению. Один из них — вес пустого электросамолета составляет 109 кг (без аккумуляторной батареи, которая весит 23 кг). Фактически, для электрического самолета аккумулятор — это топливо, но по закону еще не известно, в какую категорию его отнести: в топливо или в конструкцию. Проведя ряд конструктивных мероприятий, ожидаем снижение веса до 104 кг. Есть все перспективы уложиться в 115 кг с аккумулятором, поскольку уже появились более легкие аккумуляторные ячейки. Также существуют резервы по улучшению аэродинамики, есть возможность установки кабины и обтекателей шасси и подкосов, что позволит снизить массу аккумуляторной батареи, при сохранении такой же продолжительности полета. Сейчас работы в самом разгаре и вскоре планируется начать испытания модернизированного электросамолета.

Конечно, Еfly-2 — это своего рода «проба пера» — летающая лаборатория для отработки оптимальных технологий и получения опыта эксплуатации самолетов с электромоторами. Перспективные разработки будут иметь улучшенную аэродинамику и силовые установки на новой компонентной базе с более высокими удельными характеристиками. Но уже сегодня Еfly-2 благодаря простоте управления и эксплуатации (нужна только электророзетка) представляет собой отличную «летающую парту» для тех, кто мечтает покорить воздушное пространство, но не имеет лишних денег Ведь при организации мелкосерийного производства стоимость такого летательного аппарата сопоставима с ценой самого дешевого нового легкового автомобиля.

Относительно юридических моментов эксплуатации таких сверхлегких летательных аппаратов считаем, что необходимо на законодательном уровне расширить «класс 115 кг». Это позволит делать конструкции более прочными, устанавливать более мощные двигатели, улучшая летные характеристики. Для классического обучения требуется двухместный, простой, народный ультралайт, который сделать в рамках класса 115 кг невозможно. Нужны упрощения правил Воздушного кодекса для летательных аппаратов со взлетным весом до 495 кг, упрощение получения свидетельства летной годности, упрощения требований к медицинской комиссии. Это приведет к увеличению количества клубов и общественных инструкторов, привлечет к занятиям авиацией молодежь. Кстати, в проекте Еfly участвуют студенты МАИ, Московского Политехнического университета, Политехнического колледжа им. Н.Н. Годовикова. Эта хорошая практика в проектировании, постройке и эксплуатации летательных аппаратов для будущих инженеров, она позволяет пройти полный цикл практического обучения вплоть до получения первоначальных навыков пилотирования. Инженер должен понимать работу пилота, попробовать полеты даже на самом простейшем аппарате. Наш самолет предназначен прежде всего для первоначального обучения. Человек приходит в аэроклуб, получает необходимую информацию, обучается с инструктором. Далее курсант может эксплуатировать клубную технику или приобрести личный электросамолет в сборе, или в виде набора деталей для самостоятельной постройки. Любитель авиации постоянно находится в общении со своими коллегами-пилотами и с конструкторами, которые эксплуатируют этот аппарат, получает бюллетени для доработок, периодически (согласно регламенту) проходит проверку техники и своих пилотских навыков. Для этого руководители команды Еfly со своими многочисленными коллегами и друзьями по малой авиации создали «Ассоциацию экспериментальной и любительской авиации», которая занимается популяризацией самодеятельной и спортивной авиации, отстаивает упрощение законов для малой авиации.

*не требует сертификации (Статья 8 ВЗК РФ. Обязательные сертификация и аттестация в гражданской авиации п. 2);

не требует регистрации (Приказ Минтранса РФ от 18.11.2011 N 287 «Об утверждении Порядка государственной регистрации сверхлегких гражданских воздушных судов авиации общего назначения» (Зарегистрировано в Минюсте РФ 16.12.2011 N 22660 п. 2);

не требует лицензии пилота (Приказ Минтранса РФ от 12 сентября 2008 г. N 147 «Об утверждении Федеральных авиационных правил «Требования к членам экипажа воздушных судов, специалистам по техническому обслуживанию воздушных судов и сотрудникам по обеспечению полетов (полетным диспетчерам) гражданской авиации» п. 2.1); для полетов не нужно согласование с диспетчером (Постановление Правительства РФ от 11.03.2010 N 138 (ред. от 13.06.2018) «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации» п. 123-124).

Алексей СЫЧЁВ, Кирилл БАЛЯСНЫЙ Фото авторов и Андрея НИКИТИНА