Водород взлетает вертикально
Создатели российского беспилотного конвертоплана впервые в мире установили на него силовую установку, работающую на водородных топливных элементах
К полетным испытаниям готов первый беспилотный летательный аппарат (БПЛА) вертолетно-самолетного типа на водородных топливных элементах (ТЭ). Аппарат создан совместными усилиями ученых и разработчиков компаний «Морфинг технолоджис», «ИнЭнерджи» и НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при Институте проблем химической физики (ИПХФ) РАН. Наземные испытания перспективного изделия завершены, и если бы не коронавирус и связанные с ним ограничения, то конвертоплан полетел бы еще летом. Теперь, если не будет форс-мажора, аппарат, по словам главы компании «Морфинг технолоджис» Евгения Ерхана, поднимется в воздух уже осенью.
Парадокс в том, что он сам и его команда, создавшая этот конвертоплан, фактически сидят на чемоданах и готовы уехать в Канаду, считая, что в России рынка для их изделия нет и в ближайшее время не появится.
Что за бабочка
Область применения автономного конвертоплана на водородных ТЭ — решение задач аэрофотомониторинга в различных сферах экономической деятельности, поясняет Евгений Ерхан. Размах крыльев аппарата — четыре метра, масса — 15–25 килограммов, полезная нагрузка — около пяти килограммов, время полета — свыше шести часов, максимальная дальность — более 500 километров. Схема классическая, двухбалочная. На конвертоплан устанавливается четыре подъемных двигателя, которые используются при вертикальном взлете и посадке, и один маршевый электродвигатель, который обеспечивает полет по горизонтали, то есть по самолетной схеме.
Названия у изделия пока нет, что объясняется суеверием: нельзя давать имя аппарату, пока он полностью не построен и не встал на крыло. «Есть же примета — не давать имя малышу, пока он не родился, — поясняет Евгений Ерхан. — В то же время можно сказать, что оно наверняка будет вполне мирным. Например, свои первые конвертопланы, выполненные по традиционной схеме и работающие на литий-ионных батареях, мы назвали “Аргус”. Это такой вид бабочек, вполне себе мирные и симпатичные существа».
Одно из главных преимуществ аппарата на водородных ТЭ перед аппаратом с традиционным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) — при его работе полностью отсутствуют шум и вибрация, поэтому не требуется установки разного рода стабилизирующих устройств. А после полета при обработке полученной информации не нужно редактировать результаты съемки, поскольку нет искажений. Кроме того, в варианте с водородными ТЭ можно реализовать схему «одной кнопки» (one button system), когда одним нажатием все «включается и полетело». Вроде бы мелочь, но этот параметр имеет значение, считает разработчик. «Вы закладываете полетную компьютерную программу, приезжаете на место, и включением одной кнопки аппарат готов к работе и делает ее полностью в автоматическом режиме», — поясняет Евгений Ерхан.
По его словам, конвертоплан является отдельным проектом, который планировался к реализации именно как беспилотник на водородном топливе. Когда возникла эта идея, в «Морфинг технолоджис» начали искать партнера, который поставит им силовую установку на водородных топливных элементах. Таким партнером стала компания «ИнЭнерджи», выдавшая техническое задание на создание планера, в котором могли бы использоваться сделанные ею водородные ТЭ. Но и опыт создания конвертопланов «Аргус», которые в качестве источника энергии используют аккумуляторные батареи, безусловно, пригодился. «Мы сделали их уже четыре штуки, и они в рабочем состоянии», — говорит Евгений.
Новый же конвертоплан его команды выполнен по гибридной схеме. Для взлета, когда на короткое время необходима максимальная мощность, двигатели получают энергию от литий-ионных батарей. А на марше, когда летательный аппарат начинает движение по самолетному типу, включается водородный ТЭ, который выдает электроэнергию на маршевый двигатель. Что особенно ценно, в это время он может заряжать эти самые батареи. Впрочем, как объясняет один из партнеров Евгения Ерхана, руководитель проекта «Астра» (разработка, внедрение и реализация низкотемпературных водородных топливных элементов) компании «ИнЭнерджи» Сергей Аверин, именно этот факт является отличительной особенностью водородных топливных элементов. «Они не выдерживают скачков мощности, но способны выдавать ровную тягу на протяжении долгого времени, — поясняет он. — А излишки мощности просто сливают в батареи». Кроме того, ни ДВС, ни батареи не могут дать такой продолжительности полета, как водородный ТЭ. «Наши изделия (а это не только конвертопланы) могут летать и по шесть, и по восемь часов, что недоступно другим», — объясняет Аверин. И это их самое большое преимущество.
Откуда растут крылья
Сама компания «Морфинг технолоджис» выросла из авиамодельного клуба Сколковского института науки и технологий (Сколтех). Клуб был основан выпускником Московского института стали и сплавов (МИСиС) Евгением Ерханом в 2015 году, сразу после его возвращения со стажировки в Массачусетском технологическом институте (MIT). «В США я участвовал в клубе Aircraft Design Team при MIT, члены которого занимаются авиамоделированием и участвуют в тематических соревнованиях. Так что после возвращения у меня не было никаких других мыслей, кроме той, что нужно собирать команду и строить радиоуправляемые самолеты, — поясняет Евгений Ерхан. — Заручившись поддержкой моего научного руководителя Эдварда Кроули (профессор аэронавтики, астронавтики и инженерных систем MIT, первый ректор Сколковского института науки и технологий. — “Эксперт”), я организовал подобный клуб в России. И мы начали участвовать в соревнованиях по классу F5J (радиоуправляемые модели планеров с электродвигателем. — “Эксперт”)». Набив руку в строительстве планеров для соревнований, команда Евгения начала поиски их коммерческого применения. В результате дошли до американской компании Topcon Positioning Systems, офис R&D-центра которой располагался тогда в Москве. Topcon на тот момент уже разрабатывала самолет и систему управления на базе собственного «железа» и собственных компактных высокоточных приемников. «К сожалению, на тот момент нам не удалось продать свою разработку и производство своего проекта, но взамен я и некоторые члены команды были приняты в штат компании, где нам была поставлена задача разработать с нуля конвертоплан, — вспоминает Евгений Ерхан. — За полгода мы собрали первый прототип планера, который успешно летал и имел хорошие характеристики электромагнитной совместимости, что важно для GNSS-приемников (Global Navigation Satellite System; предназначены для определения координат различных объектов, точного времени, скорости, сторон света и т. д. — “Эксперт”) и автопилота». Проработав два года в Topcon, Евгений вернулся в Сколтех и продолжил заниматься самолетами вертикального взлета и посадки. «У нас к тому времени было более пятнадцати протестированных концептуальных моделей и огромный конструкторский опыт», — говорит он.
В целом команда по составу и численности не постоянная. Фактически работают восемь человек, нацеленных на решение какой-то конкретной задачи или реализацию проекта. В частности, оказывают услуги мониторинга экологической обстановки и состояния сельскохозяйственных земель.
Конвертоплан сочетает в себе преимущества вертолета и самолета. Взлет летательного аппарата осуществляется по вертолетному типу — вертикально, а сам полет — по самолетному: горизонтально, с гораздо большей скоростью. По оценкам, полет «на крыле» эффективнее полета на несущем винте примерно в четыре–пять раз
Знакомство с компанией «ИнЭнерджи» состоялось в 2020-м. «Мы решили, что это может быть нашим шансом, и взялись за проект конвертоплана на водородных топливных элементах, — рассказывает Евгений. — За две недели начертили, рассчитали, провели первые тестовые эксперименты, сейчас готовимся уже к полноценным испытаниям».
По его словам, сверхзадача — построить хороший продукт и выйти с ним на европейский рынок. А еще показать, что его команда может выполнить эту задачу дешевле и эффективнее, чем конкуренты, причем как отечественные, так и западные. «Мы считаем, что отечественного рынка для наших БПЛА пока нет и неизвестно, когда он еще появится, — сетует Ерхан. — Но нашими конвертопланами “Аргус” заинтересовались в Германии». Так что возможности для развития, как он считает, есть, за исключением такого препятствия, как эмбарго. Наши производители подобной техники не могут продавать свой продукт за рубеж: Евросоюз запрещает его покупку в России, поскольку тот подпадает под определение «продукция двойного назначения». Поэтому в России они хотят производить отдельные детали, а окончательную сборку планируют перенести в одну из ближайших стран, входящих в ЕС. Евгений Ерхан рассматривает как наиболее предпочтительный вариант Эстонию, где организовать производство легче, а связанной с этим бюрократии меньше, чем где-либо. Это даст возможность ставить на изделие шильдик «Сделано в ЕС» и продавать его, не опасаясь никаких ограничений.
Чего стоит конвертоплан построить
Изделия, «вылетающие» сегодня из конторы Евгения Ерхана (конвертопланы на электродвигателях с аккумуляторными батареями в качестве источника энергии), стоят около пяти тысяч долларов. Разумеется, если речь пойдет о серийном производстве, цену можно будет снизить. При этом аналогичные аппараты европейского производства, по данным Евгения Ерхана, в пять-шесть раз дороже — от тридцати тысяч долларов за штуку и больше.
«Если говорить о новой разработке на водородных ТЭ, то, естественно, там цены другие. Сам планер со всей оснасткой стоит порядка двух с половиной миллионов рублей. Итоговую стоимость всего конвертоплана подсчитать сложно, не зная цены водородного ТЭ. А она, по разным оценкам, может достигать пятнадцати тысяч долларов, что-то около миллиона рублей, — прикидывает Ерхан. — Итого выходит три с половиной миллиона». Изделие пока штучное, и даже в компании «ИнЭнерджи», которая занимается изготовлением топливных элементов для этого проекта, точную стоимость назвать затрудняются. Хотя с вышеприведенными оценками вполне согласны.
«Разумеется, водородные ТЭ обходятся значительно дороже, чем ДВС, — отмечает Сергей Аверин. — Достаточно сказать, что при сборке катализатора используется платина (не самый дешевый металл), а мембраны приходится покупать за рубежом». По его словам, это примерно шестьсот долларов за квадратный метр. Да и сам водород, очищенный, сжатый и упакованный, стоит порядка сорока евро за килограмм. «Конечно, сегодня выпуск ДВС обходится значительно дешевле, учитывая их налаженное массовое производство», — говорит Аверин. Но при этом от наличия выхлопов, шумов и вибрации никуда в этом случае не деться. «Когда мы однажды запустили ДВС на своем дроне в стенах МИСиС, слышно было по всей округе в радиусе нескольких километров», — вспоминает Евгений Ерхан. Тогда как практически бесшумные летательные аппараты на водородных ТЭ могут быть идеальным вариантом для использования в различных сферах, в том числе военной.
По мнению специалистов «ИнЭнерджи» и энтузиастов из НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН, где ведется научная деятельность по разработке систем на водородных ТЭ, транспорт будущего станет двигаться на водороде, так что есть за что бороться. «Водорода и сейчас производится около семидесяти пяти миллионов тонн ежегодно, — напоминает Сергей Аверин. — Но основные производители — нефтяники — относятся к нему как к побочному продукту».
Массовое применение водорода сдерживается несколькими факторами. Во-первых, его производство пока еще слишком дорого, если иметь в виду, что водород мы будем получать самым экологичным способом — разделением воды на водород и кислород в процессе электролиза. Но этот вариант требует огромного количества электроэнергии, которую человечество пока еще в основном получает за счет сжигания ископаемого топлива. Выходом здесь может стать использование для электролиза воды энергии от возобновляемых источников, например ветряных станций. Во-вторых, пока нет достаточно эффективных технологий для транспортировки водорода на значительные расстояния и его длительного хранения (подробнее о водородной энергетике см. «Первый хочет стать главным», «Эксперт» № 48 за 2019 год). Тем не менее последовательные шаги по увеличению доли водорода как источника энергии предпринимаются во всем мире. И Россия не исключение: в стране уже сделаны опытные образцы водородного автомобиля и самолета (см. «Электричество встает на крыло», «Эксперт» № 22 за этот год).
Не исключено, что недостающие технологии для обеспечения водородного энергоперехода будут разработаны и он состоится, а водород придет на смену ископаемому топливу.
Даешь тягу водороду!
Главный инициатор установки водородных топливных элементов чуть ли не на все виды транспорта — руководитель Центра компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН Юрий Добровольский. У него есть опыт установки водородных ТЭ и на автомобили, и на легкие самолеты, а потому он настроен оптимистично. И в отношении рынка для отечественных БПЛА он не столь пессимистичен, как его коллега из «Морфинг технолоджис». «Если бы меня еще год назад спросили о наличии в России рынка для конвертопланов, ответил бы отрицательно, — отмечает профессор Добровольский. — Но сейчас, после оценки перспектив использования такой схемы с водородным ТЭ, можно сказать, что сфера применения имеется, причем довольно обширная». Особенно, отмечает он, когда речь идет об отдаленных районах и местах с ограниченной транспортной доступностью. Это может быть, например, доставка небольших (от 60 до 80 кг) грузов для нефтяников. В горных районах с помощью таких летательных аппаратов можно организовать доставку медикаментов и других важных и срочных грузов. Преимущества схемы конвертоплана — возможность вертикального взлета и при этом быстрый полет. Главное препятствие для активного внедрения — довольно высокая стоимость водородного ТЭ, которая может оказаться сопоставимой со стоимостью всего летательного аппарата. Зато преимущество — продолжительность полета, которая у таких БПЛА на сегодняшний день рекордная.
А вот в отношении необходимости пассажирских и вообще пилотируемых конвертопланов у Добровольского есть сомнения, несмотря на то что такие планы существуют у других компаний.
Кто еще без пилота
Активной деятельностью в этой сфере — беспилотная авиация вообще и конвертопланы в частности — занимаются государственные корпорации, которые уже сегодня полны планов и готовых проектов. Впрочем, объединяет эти проекты одно: все они будут строиться по традиционной схеме, без использования революционных водородных топливных элементов.
Вертолетно-самолетная схема летательного аппарата признана перспективной, в частности, в концерне «Вега», входящем в холдинг «Росэлектроника» (ГК «Ростех»). В середине июня «Вега» договорилась с компанией «Аэроксо» о совместной работе по созданию и продвижению роботизированных комплексов на основе конвертопланов. «На первом этапе концерн будет выступать как технологический партнер, предоставив свой научный и производственный потенциал», — уточнили в беседе с «Экспертом» в «Ростехе».
В 2019 году «Аэроксо» представила конвертоплан типа ЭРА морского базирования (взлет и посадка на палубу). Эта система уже применяется для экологического мониторинга. Цена базового варианта комплекса составляет от 17 тыс. до 31 тыс. евро. «В начале 2021 года мы совместно с “Аэроксо” планируем вывести на рынок модернизированную версию максимальным взлетным весом тридцать килограммов — ЭРА-56», — сообщили в пресс-службе концерна «Вега». Кстати, на сайте компании «Аэроксо» потенциальным заказчикам предлагается 14 типов БПЛА, созданных по схеме конвертоплана.
Кроме того, сегодня в «Веге» ведется разработка принципиально новой беспилотной авиационной системы, предназначенной для перевозки грузов весом до 80 кг. В разработке также проект беспилотного авиатакси (максимальный взлетный вес — три тонны, 700 кг груза). Проведенные НИОКР подтвердили возможность создания авиатакси по запатентованной схеме конвертоплана на основе существующей элементной базы.
Как считают в «Ростехе», летательные аппараты типа «конвертоплан» закрывают до 90% потребностей отечественного рынка беспилотных авиационных систем. Беспилотные конвертопланы могут применяться для доставки грузов на расстояние до 400 км, дистанционного зондирования Земли, мониторинга при чрезвычайных ситуациях.
В августе на территории Московского машиностроительного предприятия имени В. В. Чернышева была впервые показана модель большого беспилотного летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой конвертопланной схемы «Фрегат» (проект группы «Кронштадт»). Пока никакой дополнительной информации о БПЛА «Фрегат» и его основных тактико-технических характеристиках не опубликовано. Но понятно, что тема конвертопланов интересна и многим кажется вполне перспективной.
Как сгибается профиль
Несмотря на перспективы, команда Евгения Ерхана сейчас подумывает о том, как бы из России, грубо говоря, «свалить». Сам он говорит, что его на родине не держит ничего, кроме жены, которая уезжать не хочет, и бабушек, которые хотят общаться с внучкой. «В течение последних двух-трех недель я пытаюсь сдать документы либо в Стэнфордский, либо в Гарвардский MBA», — рассказывает он. Есть и другой вариант: если в течение года его команда не найдет средств для продвижения конвертоплана, то они все разом рванут в Канаду и займутся реализацией своих проектов уже там.
По мнению молодого изобретателя, в родной стране столько проблем и препятствий для инноватора и внедрения его идей, что преодолеть их он просто не может. Главной проблемой Евгений называет госмонополии, в рамках которых губится любая перспективная идея, поскольку начисто отсутствует конкуренция. Вторая проблема — низкая стоимость труда. «Мы ничего не можем продавать в России, потому что для этого нет экономических условий, — негодует он. — В Америке, Европе применение беспилотной автономной действующей сельхозтехники уже стало нормой. У нас же это никогда не будет применено». На Западе проще сократить десяток-другой работников и на сэкономленные средства купить роботизированный комплекс. У нас же, считает предприниматель, низкая стоимость труда тормозит автоматизацию сельхозпроизводства.
При этом китайский пример, где капитал первоначально тоже привлекался дешевизной труда, по мнению Ерхана, у нас не сработает по той причине, что в России нет грамотной стратегии развития и внятной государственной экономической политики.
И третья проблема — непробиваемый, по его мнению, консерватизм, царящий в России в сознании большинства людей. «Приходишь на крупный металлургический завод, предлагаешь какие-то идеи, а натыкаешься на полное непонимание», — сетует Ерхан, который предлагал руководству одного из таких предприятий проводить мониторинг экологического состояния окружающей среды с помощью беспилотников. Вроде бы и тема актуальная, и средств для этого особых не требуется. «Но, как выясняется, оплачивать такие услуги владельцам предприятия нет никакого смысла, — рассказывает он. — Просто потому, что замена одного очистного фильтра, которая должна проходить еженедельно, обходится руководству предприятия в полмиллиона рублей. Тогда как штраф за невыполнение этого требования составляет пятьдесят тысяч. При прибыли четыреста пятьдесят тысяч рублей в неделю никакого стимула заниматься экологией у собственника нет и не будет».
Евгений Ерхан пытается диверсифицировать бизнес и зарабатывать деньги на других направлениях: авиамоделизме, строительстве конвертопланов, вышеупомянутых услугах аэрофотомониторинга сельскохозяйственных земель и т. п. Например, есть запатентованный (пока только в России) проект уникального прокатного стана для изготовления полусферических металлических конструкций. Область применения — авиация (изготовление конусообразных частей самолета), судостроение и т. д.
Естественно, чтобы реализовать свои идеи, нужны деньги, и немалые. Пока проект конвертоплана на водородном ТЭ Евгений Ерхан осуществляет исключительно на собственные средства. Уже потратил примерно четверть миллиона рублей; сколько потребуется еще, сказать затрудняется. Обращаться в различные фонды поддержки инноваций он пробовал, но от сотрудничества отказался. «Слишком странная схема получается, — поясняет изобретатель. — Деньги дают, но главное условие — чтобы была интеллектуальная собственность и получен отечественный патент на изобретение». И этим, полагает он, отечественных разработчиков и инноваторов загоняют в кабалу. Потому что, если получать такой документ в России, он обходится дешевле. С одной стороны, это неплохо. «Например, патент на наш прокатный стан обошелся примерно в семь тысяч рублей, — отмечает Ерхан. — Но потом остается совершенно небольшой промежуток времени, чтобы зарегистрировать его в международном бюро». А это уже стоит немалых денег (и сама регистрация патента, и его регулярное подтверждение), и, если изобретатель не успеет с этой регистрацией, патент становится открытым для всех. По сути, он открывает доступ к исследовательским работам. «Так что ты находишься в постоянном поиске источников финансирования. И это сильно влияет на успехи в деле изобретательства».
Фото: Олег Сердечников
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl