Китайский, водородный, электрический: новые рубежи самолётостроения Поднебесной

9 января 2017 года Китай провёл успешный испытательный полёт самолёта с электродвигателем, работающим на водородных топливных элементах. С экспериментального аэродрома в небо поднялся двухместный летательный аппарат, оснащённый 20-киловаттным электродвигателем, запитанным от электрохимических ячеек, потребляющих водород и кислород. При температуре окружающего воздуха минус 20 градусов Цельсия экспериментальный самолёт прекрасно показал себя и выполнил все полётные задания.

Таким образом Китай стал третьей страной, которая испытала пилотируемый летательный аппарат на водородных элементах. Поднебесная замкнула тройку после США и Германии, показав, что новейшие технологии скоро станут одной из самых сильных сторон Поднебесной. В чём же новизна подобного транспортного средства и почему многие сулят топливным элементам большое будущее?

Электросамолётная история

В самой конструкции электрического самолёта нет ничего нового. Первый официальный запуск самолёта с электродвигателем состоялся в 1957 году, когда в небо поднялась первая авиамодель с неподвижным крылом. Уже спустя шестнадцать лет, в 1973 году, используя популярный австрийский мотопланер Brditschka HB-3, Фред Милишки и Хейно Брдишка (создатель мотопланера) построили первый электрический самолёт Militky MB-E1, работавший от аккумулятора. Сам Брдишка совершил на нём 14-минутный полёт, показав принципиальную возможность использования электрических двигателей.

К сожалению, дальнейшему развитию электрических самолётов мешал недостаточный прогресс в создании аккумуляторов. Изобретатели пытались приспособить и аккумуляторные батареи от вертолётов, и от автомобилей, однако они все были слишком тяжёлыми и недостаточно ёмкими и мощными для того, чтобы поднять человека в воздух.

Впрочем, и авиамоделисты испытывали схожие трудности. Только в девяностые годы прошлого века, с созданием новых типов аккумуляторных батарей и композитных материалов, самолёты с электродвигателем получили второе дыхание.

Первым серийным электрическим летательным аппаратом, появившимся в продаже, стал одноместный планер Alisport Silent Club, который был предложен покупателям в 1997 году. Стоит отметить, что это скорее планер, который имеет возможность использовать электродвигатель время от времени, нежели полноценный электрический самолёт. Большую часть полёта он летит за счёт восходящих потоков воздуха.

Отдельным прорывом стали электрические самолёты на солнечных батареях. Это максимально облегчённые планеры, широкая поверхность крыльев которых покрыта элементами солнечных батарей. Днём они подают электричество на электромоторы и заряжают аккумуляторы на ночное время. 

Такие проекты, как швейцарский самолёт Solar Impulse, способны на постановку рекордов по дальности полёта и времени нахождения в воздухе, однако их скорость мала для регулярного использования, а конструкция, состоящая из огромного крыла, требует мастерства в управлении и приносит серьёзную головную боль при хранении. По сути, Solar Impulse — лишь демонстратор технологий, показывающий, чего достигла наука и промышленность за последние годы.

Пятый элемент

Электродвигатель во многом лучше двигателя внутреннего сгорания. Он экономичнее, легче, экологичнее и имеет больший КПД. Основная проблема лишь в подаче электроэнергии там, где обычный вариант с проводами и розеткой не подходит. Трамваи, метро и даже троллейбусы выходят из ситуации при помощи контактной сети. В случае с самолётом это нереально. И, если аккумуляторов недостаточно, требовался топливный элемент, который мог бы сразу производить электричество.

Ещё в 1839 году английским учёным Уильямом Гроувом был открыт принцип действия топливных элементов. Он обнаружил, что процесс электролиза обратим, то есть водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества. Однако первая батарея на этом принципе появилась лишь через 100 лет. Одними из первых стали применять топливные элементы советские разработчики, которые создали их для лунной программы. В основу элементов наши инженеры положили реакции с ортофосфорной кислотой. С 1987 года по 2005-й "Энергия" произвела около 100 топливных элементов, которые наработали суммарно около 80 000 часов.

Однако постепенно топливные элементы выходили из ниши космических технологий и всё плотнее входили в обычную жизнь. Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (чаще всего водорода) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. По сути, это большая батарейка, материалы для реакции в которую подаются снаружи. 

Стоит отметить, что обычная щелочная (алкалиновая) батарейка, это тоже, по сути, небольшой водородный топливный элемент, в котором все вещества для реакции уже заранее положены в корпус на фабрике. Она тоже использует реакцию с выделением воды для получения электроэнергии.

Китайский рывок

Именно используя такие водородные элементы, взлетели электросамолёты — сначала в США, затем в Германии, а теперь и в Китае. На данный момент это тоже лишь демонстратор технологий. В конструкции топливных элементов есть много сложностей, начиная с выработки чистого водорода (если топливо будет с примесями, то произойдёт отравление катализатора) и заканчивая высокой температурой реакции. В некоторых типах элементов она достигает тысячи градусов по Цельсию.

Однако авиация на топливных элементах и на водороде — это одно из наиболее перспективных направлений развития авиации. В Китае это понимают чиновники от авиапромышленности, а вот у нас в стране, судя по всему, не очень. Иначе чем ещё можно объяснить отсутствие работ хотя бы по проекту 1980-х годов, когда конструкторское бюро Николая Кузнецова разработало предназначенные для пассажирских самолётов Туполева авиационные двигатели, работающие на водороде и сжиженном природном газе?

Эти двигатели прошли стендовые и лётные испытания в составе борта Ту-155, однако работы по ним не были доведены до конца, а несколько законсервированных работоспособных авиационных двигателей Н. Кузнецова сохранились лишь на складах КБ в Самаре.