Mô hình n/m điện GSU trưng bày tại MAKS-2021 (Ảnh của ETR)
GSU và tiến độ hiện tại
Tại triển lãm mang tên Tuần lễ Hàng không Vũ trụ Quốc tế lần thứ 15 MAKS-2021 được tổ chức tại TP Zhukovsky, ngoại ô Moskva, từ 20 đến 25/7/2021, Tập đoàn Động cơ Thống nhất Nga (UEC) đã trình diễn một số phát minh đầy hứa hẹn, trong đó có các tiến bộ liên quan đến năng lượng. Mô hình nhà máy điện hỗn hợp (GSU) dùng cho ngành hàng không, có thể ứng dụng trong các dự án máy bay khác nhau, mang lại hiệu suất cao.
Như chúng ta thấy, các nhà máy lai (hybrid) hay hỗn hợp đi từ tuabin khí hoặc động cơ piston kết hợp với các bộ phận điện sẽ tạo ra một số tính năng, lợi thế ưu việt hơn so với các hệ thống truyền thống. Những lợi thế này có thể được khai thác cho nhiều lĩnh vực, kể cả hàng không lẫn hằng hải. Hiện, một số quốc gia đã phát triển hệ thống GSU hàng không với các thành phần khác nhau, một số dự án đã được đưa ra thử nghiệm pilot kiểm chứng.
Tháng 8/2020, UEC đã khởi động một dự án tương tự, trong đó JSC UEC-Klimov được chỉ định là nhà phát triển chính. Mục tiêu của dự án là tạo ra một mạch HSS tuần tự hứa hẹn với công suất hoặc 500 kW. Việc lắp đặt này sẽ dựa trên động cơ turboshaft VK-650V mới nhất.
Đến nay, các giai đoạn đầu của dự án đã được hoàn thành và diện mạo chung của việc lắp đặt đã được xác định. Nguyên mẫu mô phỏng đã được hoàn thành và được trình diễn tại triển lãm MAKS-2021. Sắp tới sẽ có mô hình trình diễn thử nghiệm được ra đời, nếu thành công, sẽ tiếp tục được chuyển sang các giai đoạn tiếp theo.
Động cơ và máy phát turboshaft
Theo UEC, vào năm 2022, nguyên mẫu trình diễn của GSU có yêu cầu phải đạt công suất 150kW để đảm bảo tính xác minh cho các giải pháp tiếp theo. Các bước thử nghiệm sẽ thực hiện vào năm 2023, để đạt công suất danh nghĩa 500 kW. Dựa trên kết quả thử nghiệm, năm 2024, công việc thiết kế tạo ra một GSU chính thức được dùng lắp trên máy bay. Tiến độ tổng thể hoàn thành vào năm 2028.
UEC đã xác định các lĩnh vực áp dụng ứng dụng hệ GSU cho tương lai, chủ yếu là dùng cho máy bay tuyến nội địa, trên trực thăng đa năng hạng nhẹ và trên các UAV nặng tới 8 tấn. Nó cũng có thể được sử dụng trên các phương tiện cất cánh thẳng đứng khác, "taxi hàng không" đầy hứa hẹn, v.v. Một hệ thống tương tự cho tàu thuyền sẽ được phát triển trên cơ sở GSU hàng không, công suất từ 200 đến 250 kW.
Tại MAKS-2021, mô hình GSU được trình diễn là cấu hình dùng cho cho một chiếc UAV loại trực thăng 4 cánh quạt. Các chi tiết lắp đặt được đặt trên một giá đỡ mô phỏng sản phẩm tương tự. Cách tiếp cận này là qua màn hình giúp các nhà khoa học có thể đánh giá kích thước của GSU và đặc điểm vị trí đặt nó trên máy bay.
Một tổ máy phát tua bin khí nhỏ gọn dựa trên một động cơ hiện có đủ công suất được đặt trên một thân máy bay thông thường. Một cụm pin và các thiết bị điện tử công suất được lắp đặt bên cạnh. Trên "cánh" được đặt bốn động cơ điện với các cánh quạt. Tất cả các chi tiết của GSU được kết nối bằng cáp.
Nhà máy điện hỗn hợp hàng không của UEC
Các khối điện tử công suất đảm nhận cung ứng điện
Sơ đồ bố trí cho thấy một GSU đầy hứa hẹn cho một trực thăng 4 cánh quạt. Máy bay và các phương tiện khác cũng sẽ được lắp các cấu trúc phù hợp, với động cơ điện và cấu hình pin khác nhau cho phù hợp, v.v.
Nguyên tắc hoạt động của GSU mới khá đơn giản. Một động cơ trục turboshaft với một máy phát điện tạo ra năng lượng điện cho các thiết bị điện tử công suất. (Động cơ tuốc bin trục hay turboshaft là một dạng của động cơ phản lực không khí có máy nén, tạo ra lực nâng nhờ cánh quạt rộng). Cái thứ hai chịu trách nhiệm điều khiển các động cơ điện chịu trách nhiệm cho chuyến bay, và cũng cho sạc pin. Các chế độ hoạt động cài đặt của UEC vẫn chưa được tiết lộ.
Thuận lợi và trở ngại của dự án
Một nhà máy hybrid dựa trên động cơ trục turboshaft và các bộ phận điện có một số ưu điểm khác biệt so với các hệ thống truyền thống. Đồng thời, cũng có những nhược điểm nhất định. Rõ ràng, cách tiếp cận chính xác đối với thiết kế của GSU và lựa chọn cho máy bay sẽ giúp chủ đầu tư thu lợi nhuận tối đa và tổn thất tối thiểu.
Hệ thống tuabin khí bao gồm một số thành phần, đó là lý do tại sao nó khác với các hệ thống tuabin khí truyền thống do độ phức tạp và chi phí cao hơn. Ngoài ra, việc lắp đặt hệ hỗn hợp có tổng dung tích và khối lượng lớn hơn, điều này đặt ra những hạn chế đối với sự phát triển của tàu sân bay. Tuy nhiên, các chi tiết GSU không cần kết nối cơ học cứng, có thể đặt cách nhau trên các không gian có sẵn, điều này giúp đơn giản hóa việc bố trí trên máy bay.
Những cục pin có thể tự sạc lại
Chưa hết, hệ thống hybrid cho thấy hiệu quả sử dụng nhiên liệu cao. Để làm được điều này, động cơ trục chân vịt phải hoạt động ở chế độ tối ưu để có mức tiêu thụ nhiên liệu tối thiểu và hệ thống điều khiển phân phối điện chính xác giữa động cơ và ắc quy phù hợp với chế độ bay hiện tại. Ngoài ra, các đặc điểm khác cũng được cải thiện như phát triển tài nguyên và và giảm khí thải độc hại cho môi trường.
Chuyến bay với GSU được thực hiện bằng động cơ điện được điều khiển bằng thiết bị điện tử công suất. Điều này cho phép duy trì hiệu quả hơn chế độ hoạt động cần thiết, cũng như nhanh chóng thay đổi cho phù hợp với các điều kiện thực tế và sớm đạt đến công suất tối đa. Tùy thuộc vào thành phần và các nguyên tắc quản lý, về mặt lý thuyết GSU có khả năng hoạt động ở một số phương thức mà không cần sử dụng động cơ trục turboshaft, mà chỉ dùng pin. Chế độ này giúp tăng độ tin cậy và an toàn trong trường hợp sự cố động cơ chính và máy phát thì máy bay vẫn tiếp tục hoạt động được bình thường.
Hệ GSU và kế hoạch cho tương lai
Nhờ lợi thế như đề cập, các nhà máy điện lai với các cấu trúc khác nhau có thể tìm được chỗ đứng trong ngành hàng không, ứng viên cạnh tranh với các hệ thống truyền thống. Những người phát triển GSU hướng tới xu hướng phát triển của máy bay và trực thăng có người lái lẫn không người lái trong tương lai và cũng có thể thay thế hoàn toàn các phương án mới cho các nhà máy điện.
Tiềm năng của GSU hiện đang thu hút các nhà phát triển và khách hàng ở nhiều quốc gia khác nhau. Kể từ năm ngoái, ngành công nghiệp điện năng là và hàng không Nga là nơi rất quan tâm, và tham gia chặt chẽ vào chủ đề này. Các công việc đầu tiên đã được triển khai, cũng như các nguyên tắc chung và ứng dụng cho tương lai đã được xác định, bởi vậy mô hình nhà máy điện GSU cho ngành hàng không đang được xem là điểm nhấn cho lĩnh vực năng lượng sạch của nhân loại trong tương lai gần.
Dự án phát triển nhà máy điện 500 kW dựa trên động cơ VK-650V sẽ diễn ra vào năm 2024-28. Vì vậy, vào giữa thập kỷ này hoặc vào nửa đầu thập niên thứ 3, người ta sẽ nhìn thấy các máy bay đầu tiên dùng GSU hàng không và sau đó là những mô hình được “modify” dùng cho ngành hàng hải nối tiếp xuất hiện trên biển.
Cách bố trí hệ thống GSU trên máy bay hai động cơ.