Центр развития перспективного материаловедения (ЦРПМ) ФПИ с 2015 года реализовал более 25 аванпроектов и проектов с передовыми исследованиями в области материаловедения, химии и электродвижения.
Инициативы, которые развивает ЦРПМ, основаны на идее: ЦРПМ — это передовой форпост практичности. Именно принятие этой идеи позволяет поддерживать темп научно-технической революции в размере 2–3 проектов в год. В основу наших работ положена идеология о необходимости создания отечественных материалов и технологий, которые мы апробируем в составе разрабатываемых нами БЛА, газотурбинных двигателей, электромоторов, транспортных средств, изделий легкой промышленности и другого.
ЦРПМ одним из первых внедряет в свою работу программное обеспечение, имитирующее искусственный интеллект для анализа и обработки НТД и публикаций по тематикам: новые материалы и химические источники тока (ХИТ) для дронов, андроидов, изделий электроники, электротехники и решения других задач. Очень лаконичный перечень наших результатов приведен на сайте ФПИ в разделе проекты по теме «Химико-биологические и медицинские исследования».
В нашем понимании материалы, ХИТ, система электродвижения – это ключевые компоненты любой робототехнической системы. Технологии электродвижения – это нервная и мышечная система любой робототехнической системы, материалы — это конструкция, детали корпуса, покрытия и технологии их получения и обработки, а ХИТ – энергоисточник, без которого вся конструкция мертва и неработоспособна.
Прорыв в создании электрических транспортных средств, дронов, андроидов и прочих РТК стал возможен с появлением доступных исполнительных механизмов, энергоемких источников электроэнергии, систем управления с датчиками и преобразовательной техникой.
Первыми работами ЦРПМ, заложившими основы технологии электродвижения, стали проекты по созданию электрооборудования на основе сверхпроводников и аддитивной печати конструкций и деталей малогабаритных газотурбинных двигателей, далее мы развивали идеи криоэлектроники, сверхпроводников, электромоторов со сверхвысокими удельными характеристиками, модульных масштабируемых наземных беспилотных транспортных средств, систем электродвижения винтокрылых ЛА, ХИТ и полимерных материалов.
Для замены ДВС, а особенно газотурбинного двигателя на электромотор, необходимо достичь в последнем плотности мощности не менее 9 кВт/кг, что в 2000-х годах было нетривиальной задачей. Основная проблема состояла, как всегда, в материалах и технологиях, и вот в 2008 году компания Emrax d.o.o представила первый прототип, и стало понятно, что такие удельные характеристики в электромоторах достижимы.
Одновременно было продемонстрировано, что дальнейшее развитие технологий электродвижения не может быть достигнуто без прорывов в области ХИТ и преобразовательной техники с одновременным решением сопутствующих проблем безопасности, токов заряда/разряда и поддержания заданных рабочих температур эксплуатации. На основе изучения данных проблем ЦРПМ поставил на реализацию проекты по созданию суперконденсаторов с повышенными удельными характеристиками (более 9 Вт∙час/кг, более 40 кВт/кг) и квазитвердотельных литий-металлических аккумуляторов (более 350 Вт∙час/кг).
Рисунок 1. Суперконденсаторы в цилиндрическом исполнении (слева) и пакетном исполнении (справа)
Исследование в области машин со сверхвысокими удельными характеристиками показало, что у технологии есть предел в наращивании мощности двигателя, обусловленный предельным КПД, тепловыми и электромагнитными процессами, и этот барьер начинается от диапазона 600–700 кВт. Теоретически и расчетно в работах ЦРПМ продемонстрировано, что можно получить электродвигатель с характеристиками 11–12 кВт/кг при мощности 1,2 МВт, без учета габаритов и массы системы охлаждения и преобразовательной техники.
Исходя из вышеобозначенного ЦРПМ принял решение изучить возможность создания электродвигателей на основе сверхпроводниковых обмоток.
Рисунок 2. Сверхпроводниковый, 500 кВт, двигатель, версия 1 на испытательном стенде ФАУ «ЦИАМ»
В ходе реализации проекта по созданию сверхпроводниковых двигателей была выполнена большая материаловедческая, конструкторская и научно-изыскательная работа, которая привела к созданию авиационной интегрированной электроэнергетической системы на основе единой сверхпроводниковой платформы, которая была презентована на МАКС-2019.
Рисунок 3. Як-40 ЛЛ с сверхпроводниковым двигателем (сверху) и авиационная интегрированная электроэнергетическая система на стенде (снизу)
В основе этой платформы лежала ранее разработанная ЦРПМ универсальная технологическая платформа электродвижения. Упрощенно суть ее похожа на матрешку. Самая маленькая из матрешек представляет собой систему на основе батареи, блока управления и мотора, а самая большая – систему электродвижения самолета/судна.
Проделанная работа привела к появлению очень большого количества находок, а именно: стало понятно, какие электродвигатели, редукторы, приводы необходимо изготавливать, в каких диапазонах мощностей целесообразно использовать сверхпроводники, а где – традиционные электромоторы.
Одновременно было понятно, что точечное применение любых новых устройств на борту существующего транспортного средства трудно реализуемо, так как это решения из различных научно-технических эпох. А вот создание новых компоновок для транспортных средств на единой платформе, в которую интегрированы системы топливопитания (жидкий Н2, СПГ), топливные элементы, криотопливо (Н2, СПГ), новая система электроснабжения повышенного напряжения и гибридная силовая сторновка – это единственно доступное решение, так как это позволяет максимально использовать преимущества новых технологий.
Очень интересное исследование касалось многодвигательных исполнительных приводов для морских судов и винтокрылой техники. Идея этих исследований связана с работами по точной механике и многодвигательным исполнительным приводам.
В классике считается, что лучше изготовить один мотор под конкретное изделие, так как достигаются лучшие удельные энергетические параметры и КПД. Однако и многодвигательные исполнения имеют свои сильные стороны: надежность, ремонтопригодность, стоимость, модульность, возможность компоновать исполнительный привод из субблоков, топливная эффективность и другие.
Рисунок 4. Многодвигательный привод (концепция)
Рисунок 5. Концепт БЛА с гибридной многодвигательной силовой установкой
ЦРПМ выполнил ряд интересных испытаний по тематике криоохлаждения электроники, что позволило нам ввести новый термин – криоэлектроника. Исследования в области криоэлектроники были обоснованы не только потребностью разумно относиться к эффективному расходованию хладагента, но и практическим отсутствием компактных доступных высокомощных преобразователей. Чтобы стало понятно, первые сверхпроводниковые моторы по своим размерам были меньше, чем преобразователи, которые ими управляли.
Такой дисбаланс направил нас в исследования по созданию криосистем и преобразовательной техники с криогенным охлаждением. Мы решили, что разумно использовать газообразный азот для охлаждения электродвигателей, преобразователей и другой техники. Результаты показали, что 40-летние силовые ключи с криоохлаждением могут конкурировать с SiC-ключами.
Рисунок 6. Концепт электромотора с криогенным охлаждением
В итоге, понимая, что постоянно расходовать хладагент неразумно, была отработана идея о создании новых образцов силовой электроники на основе алмаза.
Это перспективное направление и по ряду причин еще неоднозначно оцененное несмотря на то, что многие мировые лаборатории усиленно создают силовую электронику на алмазе. Такие свойства алмаза, как высокая теплопроводность, температурная и механическая стабильность, могут помочь в создании малогабаритных приводов и силовой преобразовательной техники. Если сравнивать с лучшей преобразовательной техникой на карбиде кремния, то прирост характеристик может составлять еще как минимум 2–3 раза (или сопоставимое снижение габаритов изделия).
И в завершение хочется отметить исследования ЦРПМ в области ХИТ. Когда мы разрисовали подробно нашу концептуальную «матрешку», стало понятно, что на среднесрочную перспективу будут максимально востребованы исследования в области суперконденсаторов, квазитвердотельных аккумуляторов и гибридных накопителей на их основе.
Люди часто не очень четко понимают, что такое суперконденсатор и где его можно использовать. Действительно, это уникальное устройство в современной электротехнике, которое не то, чтобы классический конденсатор и одновременно не аккумулятор.
Часто для описания такого устройства я привожу пример с бочкой воды и ведром. Из ведра воду можно вылить мгновенно (это суперконденсатор), а из бочки (аккумулятор) она льется из крана, и это занимает длительное время. Так вот, в некоторых случаях надо иметь возможность вылить много воды мгновенно, а иногда сливать по чуть-чуть. Применение гибридного накопителя в образцах робототехники позволяет получить преимущества от объединения сильных сторон этих устройств, а электроника и технология компоновки – минимизировать слабые стороны.
Рисунок 7. Гибридный накопитель
В настоящее время в рамках работ по созданию суперконденсаторов Фондом созданы пилотные технологические линии по получению углеродного и электродного материалов, промежуточного проводящего слоя и электролита. Что очень воодушевляет, так это то, что это глубоко отечественные разработки, в которых задействованы ведущие вузы и организации в стране.
Выводы
Наблюдая за проезжающими по Москве электробусами, трудно представить, что еще 20 лет назад это был шестой–восьмой уровень готовности технологии. А сейчас мы видим наплывы дронов, электрокаров и даже электросамолетов. Этот тренд продолжится как минимум до 2044 года, что приведет к достаточно большим изменениям во многих отраслях народного хозяйства. Изучение тренда электродвижения – это большая тема, о которой целесообразно написать отдельную статью.
