Где-то в конце этого года - возможно, этим летом, возможно, этой осенью - электрический самолет НАСА, X-57, должен подняться в воздух в Калифорнии. В НАСА его называют "первым полностью электрическим экспериментальным самолетом", и когда он оторвется от земли, то будет выглядеть совсем не так, как НАСА изображает самолет на своем сайте.
Вместо огромных 14 электродвигателей и пропеллеров у самолета будет всего два. Но этих двух двигателей, питающихся от более чем 5 000 цилиндрических аккумуляторных элементов в фюзеляже самолета, должно быть достаточно, чтобы поднять его в воздух до 2023 года, когда программа X-57 также прекратит свое существование.
Вот что нужно знать о том, как будет работать самолет, с какими проблемами столкнулась программа, и как уроки космических полетов помогли разработать детали системы батарей.
Модификация 2
Если самолет действительно отправится в полет в этом году, как и планировалось, то он будет летать в модификации 2, которая предусматривает по одному электродвигателю и пропеллеру на каждом крыле, что дает самолету тягу, необходимую для полета.
Хотя агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства надеялось осуществить полет на самолете, построенном на базе Tecnam P2006T, в дополнительных конфигурациях, известных как модификации 3 и 4, этого не произойдет. Почему? Потому что создать самолет, который будет безопасно летать только на электричестве, очень сложно, а программа финансируется только до 2023 года. (IEEE Spectrum рассказывает о первоначальных планах программы).
"Мы многому научились за эти годы, и мы думали, что будем учиться в ходе летных испытаний, но оказалось, что нам пришлось многому научиться на этапах проектирования, интеграции и проверки летной годности, поэтому мы потратили на это больше времени и ресурсов", - говорит Шон Кларк, главный исследователь программы X-57 в НАСА.
"И это было очень ценно", - добавляет он. "Но это означает, что в конечном итоге у нас не будет ресурсов для этих полетов Mod 4 [или 3]".
Он по-прежнему будет летать как полностью электрический самолет, но в модификации 2, с двумя двигателями.
Взрывающиеся транзисторы
Одна из проблем, которую команде пришлось устранить, прежде чем самолет смог безопасно взлететь, связана с компонентами, через которые должно пройти электричество от батарей, прежде чем оно достигнет двигателей. Проблема была связана с транзисторными модулями внутри инверторов, которые преобразуют электричество из постоянного тока в переменный.
"Мы использовали модули, состоящие из нескольких транзисторов в корпусе - они должны были выдерживать те условия, в которые мы предполагали их поместить", - говорит Кларк. "Но каждый раз, когда мы их тестировали, они выходили из строя. В нашей испытательной камере транзисторы просто взрывались".
Отказ компонента - например, взрыв оборудования - это тот тип проблем, которые производители самолетов предпочитают решать на земле. Кларк говорит, что они это выяснили. "Мы много занимались их вскрытием - после взрыва трудно понять, что пошло не так", - легкомысленно замечает он в манере, напоминающей инженера, столкнувшегося со сложной проблемой. Решением стало более новое оборудование и "перепроектирование системы инверторов практически с нуля", - отмечает он.
Теперь они "работают очень хорошо", - добавляет он. "Мы провели полный набор через квалификацию, и все они прошли ее".
На старом рендере X-57 изображен с укороченным крылом и 14 двигателями; в такой конфигурации он летать не будет. NASA Graphic / NASA Langley/Advanced Concepts Lab, AMA, Inc.Уроки из космоса
Традиционные самолеты сжигают ископаемое топливо - легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества - для питания своих двигателей. Те, кто работает над электрическими самолетами, питающимися от аккумуляторов, также должны быть уверены, что элементы аккумуляторов не приведут к пожару. В прошлом году в Канзасе, например, в рамках спонсируемого FAA испытания пакет авиационных батарей был сброшен с высоты 50 футов, чтобы убедиться, что они выдержат удар. Они выдержали.
В самолете X-57 батареи представляют собой модель, известную как элементы 18650, изготовленные компанией Samsung. В самолете используется 5120 таких батарей, разделенных на 16 модулей по 320 элементов в каждом. По словам Кларка, вес отдельного модуля, который включает в себя как элементы батареи, так и упаковку, составляет около 51 фунта. Сложность заключается в том, чтобы убедиться, что все эти компоненты упакованы правильным образом, чтобы избежать пожара, даже если одна батарея выйдет из строя. Другими словами, отказ - это вариант, но они планируют управлять любым отказом так, чтобы он не привел к пожару. "Мы обнаружили, что не существует промышленного стандарта для упаковки этих элементов в высоковольтный, мощный блок, который также защищал бы их от сбоев", - говорит Кларк.
[Связанное: ВВС хотят модернизировать систему дозаправки в воздухе, но этот процесс идет неровно]
Помощь пришла с более высокого уровня. "В итоге мы переработали конструкцию батарейного блока, опираясь на большой вклад некоторых членов команды конструкторов, работающих на космической станции в НАСА", - добавляет он. Он отмечает, что литиевые батареи на Международной космической станции, а также в костюмах EVA, которые используют астронавты, и устройство под названием "пистолетная рукоятка" были важными примерами в процессе работы. Основные выводы касались расстояния между элементами батареи, а также того, как справиться с теплом, если элемент выйдет из строя, например, при тепловом разряде. "Команда Джонсона [Космический центр] обнаружила, что одной из наиболее эффективных стратегий является то, что тепло от этого элемента уходит в алюминиевую конструкцию, но при этом другие элементы вокруг него поглощают немного тепла каждый", - объясняет он.
NASA не одиноко в исследовании границ электрической авиации, которая представляет собой один из способов, с помощью которого авиационная промышленность может стать более экологичной для коротких полетов. Другие компании, работающие в этом направлении, включают Beta Technologies, Joby Aviation, Archer Aviation, Wisk Aero и Eviation с самолетом под названием Alice. Одна известная компания, Kitty Hawk, закрылась в прошлом году.
Где-то в этом году X-57 должен совершить первый полет и, вероятно, несколько вылетов. "Я все еще в восторге от этой технологии", - говорит Кларк. "Я с нетерпением жду, когда мои дети смогут совершать короткие полеты на электрических самолетах через 10, 15 лет - это будет действительно большой шаг для авиации".
Смотрите краткое видео о самолете ниже: