Летающая лаборатория подготовлена в СибНИА на базе принадлежащего ему пассажирского самолета Як-40 №87251 (серийный №26-08, выпущен Саратовским авиазаводом в 1973 г.), в носовой части фюзеляжа которого, перед кабиной экипажа, на специально спроектированной мотораме установлен приводящий во вращение тянущий воздушный винт экспериментальный радиальный бесколлекторный электродвигатель на постоянных магнитах мощностью 500 кВт, реализующий эффект высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), который разработан и изготовлен в 2019 г. на средства Фонда перспективных исследований компанией «СуперОкс». Рабочее напряжение двигателя – 800 В, частота вращения – 2500 об/мин, КПД – 98%. Для его охлаждения до температур 72–77 К в целях реализации эффекта ВСТП используется криогенная система (бак с жидким азотом и система его циркуляции). Для питания электродвигателя в применяется разработанный и изготовленный в УГАТУ по заказу Минпромторга радиальный бесколлекторный электрогенератор с медными обмотками на постоянных магнитах с масляным охлаждением номинальной мощностью 400 кВт (выходное напряжение – 700–900 В, частота вращения – 12 000 об/мин), приводимый во вращение специально установленным для этого на самолет турбовальным двигателем ТВ2-117 (максимальная мощность – 1500 л.с., масса – 334 кг), а также блок литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей (LiFePO4) максимальной мощностью 150 кВт и емкостью 30 кВт.ч. Двигатель ТВ2-117 и генератор размещаются в хвостовой части самолета, блок аккумуляторных батарей – в герметичном салоне.

Стоит заметить, что штатная силовая установка этого Як-40 также претерпела изменения: с самолета снят средний двигатель АИ-25, а вместо двух боковых используются ТРДД типа TFE731-5B производства компании Honeywell (ранее – Garrett) тягой на взлетном режиме 2150 кгс (вместо 1500 кгс у АИ-25). Эксперименты по ремоторизации Як-40 с использованием двигателей TFE731 проводились в СибНИА на протяжении уже почти десятилетия, для этого в институте была подготовлена летающая лаборатория на базе серийного Як-40 №87216 (выпуска 1975 г., серийный №40-04). Сначала на ней был заменен один боковой двигатель – в таком виде она впервые взлетела 8 декабря 2012 г. Затем проводились испытания с двумя TFE731 и одним средним АИ-25 (первый полет – 20 мая 2013 г.). Наконец, 29 ноября 2016 г. самолет поднялся в воздух уже в конфигурации только с двумя TFE731 (средний АИ-25 был снят, а его воздухозаборник упразднен).

ВТСП-электродвигатель «СуперОкс» и другие элементы демонстрационной гибридной силовой установки были установлены на борт летающей лаборатории Як-40 №87251 в прошлом году, а к ее испытаниям в СибНИА приступили в феврале 2021 г., когда были выполнены первые рулежки и пробежки по аэродрому в Новосибирске с работающим электродвигателем. С июня начался этап летных испытаний, а в середине июля летающая лаборатория прибыла в Жуковский для участия в авиасалоне МАКС-2021, и именно в его ходе, 24 июля, судя по всему, и состоялся первый полет Як-40 с работающим в воздухе ВТСП-электродвигателем, приводящим во вращение тянущий трехлопастный воздушный винт. Программу летных испытаний ГСУ в существующей конфигурации планируется завершить в 2022 г.

В дальнейшем планируется ввести в состав демонстратора гибридной силовой установки не только ВТСП-электродвигатель, но и электрогенератор, работающий на том же эффекте высокотемпературной сверхпроводимости. Его мощность может составить 800 кВт (при частоте вращения 12 000 об/мин), а для приведения его во вращение предполагается использовать турбовальный двигатель ВК-2500 (максимальная мощность – 2400 л.с., номинальная – 1750 л.с., масса – 300 кг). В павильоне авиационных научных центров на МАКС-2021 демонстрировался полноразмерный макет такой ГСУ. Для охлаждения электродвигателя и генератора предстоит организовать единую криогенную систему с жидким азотом в качестве рабочего тела, а в перспективе рассматривается возможность перехода на использование жидкого водорода (температура – 20–30 К), на котором одновременно сможет работать и вспомогательный турбовальный двигатель. Кроме того, предполагается применить в составе ГСУ, помимо обычных аккумуляторных батарей, водородные топливные элементы. Таким образом, водород сможет использоваться как для криогенного охлаждения «сверхпроводимых» электродвигателя с электрогенератором, так и в качестве топлива (для турбовального двигателя гибридной силовой установки и для топливных элементов, вырабатывающих электроэнергию).

Создание демонстратора технологий полностью сверхпроводящей гибридной силовой установки осуществляется ЦИАМ, компанией «СуперОкс» и «ОДК-Климов» в рамках совместного проекта «Контур» Фонда перспективных исследований и НИР «Электролет СУ-2020», заказанной Минпромторгом  России. Ожидается, что летные испытания такой ГСУ на борту летающей лаборатории СибНИА могут пройти ориентировочно в 2025–2027 гг. К этому времени возможно создание и установка на самолет ВТСП-электродвигателя пиковой мощностью 1,5 МВт и ВТСП-генератора с пиковой мощностью 2,5 МВт, имеющих КПД 99,8%.

Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" №9-10/2021