Auf der letzten Flugschau MAKS-2021 präsentierte die russische United Engine Corporation (UEC) eine Reihe vielversprechender Entwicklungen in unterschiedliche Richtungen. Eines der interessantesten Exponate auf seinem Stand war ein Modell eines Hybridkraftwerks (GSU), das für den Einsatz in der Luftfahrt entwickelt wurde. Es wird erwartet, dass eine solche GSU in verschiedenen Flugzeugprojekten Anwendung finden und eine hohe Leistung erbringen kann.
Vielversprechende Richtung
Hybridanlagen auf Basis einer Gasturbine oder eines Kolbenmotors gekoppelt mit verschiedenen elektrischen Komponenten weisen gegenüber herkömmlichen Systemen eine Reihe wichtiger Merkmale und Vorteile auf. Diese Vorteile können in verschiedenen Bereichen genutzt werden, inkl. in der Luftfahrt. Derzeit wird in mehreren Ländern gleichzeitig die Entwicklung von Luftfahrt-GSUs unterschiedlicher Zusammensetzung durchgeführt. Einige Projekte wurden bereits zu Prüfstands- und Feldtests gebracht.
Im August 2020 startete die russische UEC ein ähnliches Projekt. JSC UEC-Klimov wurde zum Hauptentwickler ernannt. Ziel des neuen Projekts ist es, eine vielversprechende sequentielle HSS-Schaltung mit einer Leistung von 500 kW zu schaffen. Diese Installation basiert auf dem neuesten VK-650V-Turbowellenmotor.
Inzwischen sind die frühen Phasen des Projekts abgeschlossen und das allgemeine Erscheinungsbild der Anlage festgelegt. Darüber hinaus wurde ein Mock-up erstellt, das auf der jüngsten MAKS-2021-Messe gezeigt wurde. In naher Zukunft wird es ein Demonstrationsmodell für Prüfstandstests geben. In den nächsten Jahren wird es seine maximale Kapazität erreichen und den Übergang in neue Etappen ermöglichen.
Ein Demomodell der GSU soll laut UEC im Jahr 2022 eine Leistung von 150 kW zeigen und die Überprüfung der festgelegten Lösungen sicherstellen. Dann wird es finalisiert und für 2023 sind Tests mit Erreichen der Auslegungsleistung von 500 kW geplant. Basierend auf den Ergebnissen dieser Aktivitäten wird im Jahr 2024 mit experimentellen Konstruktionsarbeiten begonnen, um eine vollwertige GSU für den Einsatz in Flugzeugen zu schaffen. Die Fertigstellung ist für 2028 geplant.
Die UEC hat die Anwendungsgebiete des vielversprechenden GSO bereits identifiziert. Dieses System kann auf Flugzeugen für Nahverkehrslinien, auf leichten Mehrzweckhubschraubern und auf UAVs bis 8 Tonnen Gewicht sowie auf verschiedenen Senkrechtstartern, auf vielversprechenden "Lufttaxis" usw. eingesetzt werden. Auf Basis der Luftfahrt-GSU soll ein ähnliches System für Boote und Schiffe entwickelt werden. Es wird eine Leistung von 200-250 kW entwickeln.
Mock-up-Look
Auf der MAKS-2021 wurde ein Mock-up einer GSU in einer Konfiguration für ein Hubschrauber-UAV mit vier Rotoren demonstriert. Die Einheiten der Installation wurden auf einem Ständer platziert, der ein ähnliches Produkt simulierte. Diese Herangehensweise an die Anzeige ermöglicht es, die Größe der GSU und die Merkmale ihrer Platzierung im Flugzeug zu beurteilen.
Ein kompakter Gasturbinen-Generatorsatz basierend auf einem vorhandenen Triebwerk mit ausreichender Leistung wurde auf einem konventionellen Rumpf platziert. Daneben wurden ein Akkupack und Leistungselektroniken verbaut. Auf den "Flügeln" wurden vier Elektromotoren mit Rotoren platziert. Alle Komponenten der GSU wurden durch Kabel verbunden.
Das Layout spiegelt das allgemeine Schema und die Zusammensetzung der vielversprechenden GSU in Bezug auf den Quadrocopter wider. Flugzeuge anderer Schemata und Klassen werden mit einer anderen Zusammensetzung und Architektur installiert. So ist es möglich, eine unterschiedliche Anzahl von Elektromotoren, unterschiedliche Batteriekonfigurationen usw. zu verwenden.
Die Funktionsprinzipien der neuen GSU sind recht einfach. Ein Turbowellenmotor mit Generator erzeugt elektrische Leistung für die Leistungselektronik. Letzterer ist für die Steuerung der für den Flug verantwortlichen Elektromotoren zuständig und lädt auch die Akkus auf. Die Betriebsarten der Anlage von der UEC wurden noch nicht festgelegt.
Schwierigkeiten und Vorteile
Eine Hybridanlage auf Basis eines Turbowellenmotors und elektrischer Komponenten weist gegenüber herkömmlichen Systemen eine Reihe von entscheidenden Vorteilen auf. Gleichzeitig gibt es auch Nachteile verschiedener Art. Offensichtlich ermöglicht Ihnen die richtige Herangehensweise an das Design der GSU selbst und die Auswahl des Flugzeugs dafür die maximale Rendite mit minimalen Nachteilen.
Gasturbinensysteme umfassen eine Reihe von unterschiedlichen Komponenten, weshalb sie sich von herkömmlichen Gasturbinensystemen durch höhere Komplexität und Kosten unterscheiden. Darüber hinaus weist die Hybridinstallation ein größeres Gesamtvolumen und eine größere Masse auf, was der Entwicklung des Trägerflugzeugs Einschränkungen auferlegt. Gleichzeitig benötigen GSU-Einheiten keine starre mechanische Verbindung untereinander und können über die verfügbaren Volumina verteilt werden, was das Layout des Flugzeugs vereinfacht.
Hybridanlagen können eine hohe Kraftstoffeffizienz aufweisen. Dazu muss das Turbowellen-Triebwerk in optimalen Modi arbeiten, die einen minimalen Kraftstoffverbrauch ermöglichen, und die Steuerungssysteme sind mit der Aufgabe betraut, den Strom entsprechend dem aktuellen Flugmodus korrekt zwischen den Motoren und Batterien zu verteilen. Gleichzeitig werden auch andere Eigenschaften verbessert: Die Ressource wächst und schädliche Emissionen werden reduziert.
Der Flug des Geräts mit der GSU wird von elektronengesteuerten Elektromotoren durchgeführt. Auf diese Weise können Sie die erforderliche Betriebsart effektiver beibehalten und unter Berücksichtigung sich ändernder Bedingungen schnell ändern. Insbesondere wird es eine schnelle Freigabe auf maximale Leistung gewährleisten.
Je nach Zusammensetzung und Managementprinzipien ist die GSU theoretisch in der Lage, in mehreren Modi zu arbeiten, inkl. ohne Verwendung eines Turbowellenmotors - nur aufgrund von Batterien. Dieser Modus erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit: Bei einem Ausfall des Hauptmotors und des Generators kann das Flugzeug seinen Flug fortsetzen.
Pläne für die Zukunft
Dank des einen oder anderen Vorteils können Hybridkraftwerke unterschiedlicher Architekturen ihren Platz in der Luftfahrt finden und traditionelle Systeme verdrängen. GSOs sind im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung von bemannten und unbemannten Luftfahrzeugen und Hubschraubern von Interesse. Allerdings ist nicht zu erwarten, dass sie in vertretbarer Zeit andere Optionen für Kraftwerke vollständig verdrängen können.
Das Potenzial der GSO zieht natürlich Entwickler und Kunden aus verschiedenen Ländern an und seit letztem Jahr beschäftigt sich die russische Industrie intensiv mit diesem Thema. Erste Arbeiten wurden bereits durchgeführt, allgemeine Grundlagen für vielversprechende Projekte formuliert und zukünftige Anwendungsgebiete identifiziert. Außerdem wird ein Modell des zukünftigen Produkts gezeigt und Veranstaltungen für die kommenden Jahre angekündigt.
Die Entwicklungsarbeiten an einem 500-kW-Kraftwerk auf Basis des VK-650V-Motors finden 2024-28 statt. So kann man bereits Mitte des Jahrzehnts oder zu Beginn der zweiten Hälfte davon mit dem Erscheinen erster vollwertiger Flugzeugprojekte für die heimische Luftfahrt GSU rechnen. Auch Projekte für die Einführung seiner Marinemodifikation müssen erscheinen.
Es ist nicht bekannt, was die Flugzeuge und Boote mit einem Hybridkraftwerk sein werden. Es ist jedoch klar, dass diese Richtung großes Potenzial hat und Ihnen sehr interessante Möglichkeiten eröffnet. Es sollte mit Blick auf die praktische Anwendung entwickelt werden. Das macht die UEC seit letztem Jahr – und ist bereits bereit, erste Ergebnisse vorzulegen.
