Любая активность современного суверенного государства определяется возможностью сконцентрировать и управлять энергетическими мощностями высокой плотности, которые удобно трансформировать для управления хозяйственной и исследовательской деятельностью, а также вопросами безопасности и обеспечения социальной жизни удаленных территорий. Иными словами, при дефиците энергии не будет рабочих мест, не полетит космический корабль, в кранах исчезнет горячая вода, а ИИ окажется бесполезен.
Вот почему в дополнение к Большой энергетике должна прийти надежная малая сетевая энергетика, которая сделает менее уязвимыми системы передачи управляющих воздействий и системы безопасности, а также сможет продублировать последние на новом, ранее недоступном уровне.
ФТИ им. А. Ф. Иоффе с 2021 года предлагает сетевую энергетическую стратегию развития Арктической зоны и удаленных территорий РФ [С. В. Иванов, В. И. Кузнецов. РЭЭ, 1, 10, 2021]. Освоение районов Крайнего Севера и Дальнего Востока определяется скоростью и эффективностью энергооснащения территорий и возможностью применения апробированных технических решений для экстремальных условий эксплуатации. В определенном смысле в качестве испытательного полигона для нового оборудования, применяемого в Арктике, может выступать ближний космос, и наоборот.
Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) становятся все более важной частью как гражданской, так и специальной авиации. Их роль охватывает разведку, мониторинг, доставку грузов и сбор данных в труднодоступных регионах. Однако ключевой технический барьер, ограничивающий дальность, грузоподъемность и продолжительность автономной работы дронов, — это энергетическая установка, обеспечивающая эффективное преобразование тепла, обеспечиваемого топливом, в движение. В этом контексте наука и инженерия активно исследуют альтернативные подходы к силовым установкам.
Анализ современных разработок по созданию генераторов энергии для анаэробных условий эксплуатации позволяет определить вектор перспективного технического развития. В первую очередь он связан с созданием машин с внешним подводом теплоты. В качестве таких устройств могут выступать как классические разновидности двигателя Стирлинга (ДС), так и последние его модификации, получившие название «акустический ДС». Рассматриваются как стационарные, так и мобильные конструкции. В последнем случае особенно перспективным представляется использование акустического ДС для беспилотной авиации.
В основу ДС положен термодинамический цикл с внешним нагревом, предложенный Робертом Стирлингом еще в XIX веке. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, такие установки используют рабочий газ, перемещаемый в замкнутом объеме, и внешние источники тепла для создания разницы температур, которая преобразуется в механическую работу. Их ключевые преимущества — высокая тепловая эффективность, возможность работы на различных источниках энергии и низкий уровень выбросов и шума
[Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986]. Традиционные конструкции ДС включают рабочий и вытеснительный поршни, регенератор для хранения тепла и теплообменные аппараты, где газ периодически нагревается и охлаждается. Однако классические модели ДС остаются громоздкими и сложными для малых летательных аппаратов, из-за чего большое значение приобретает поиск их инновационных модификаций.
Термоакустическая версия ДС позволяет решить ряд технических проблем. В частности, перемещение рабочего тела между областями подвода и отвода тепла обеспечивается не при помощи двух поршней, а акустическим полем рабочего газа в виде стоячей или бегущей волны. Таким образом, акустический ДС — это разновидность термоакустического двигателя, в котором традиционные поршни заменены акустическими (звуковыми) колебаниями газа внутри резонатора. Такой подход рассматривается как способ устранить движущиеся части, которые обычно создают механический износ, вибрацию и шум.
Принцип работы базируется на термоакустическом эффекте: при создании разности температур вдоль резонаторной трубы возникают стоячие или бегущие звуковые волны, которые приводят в движение рабочий газ. Поддержание колебаний происходит из-за положительной обратной связи, сформулированной лордом Релеем: если в момент сжатия газа к нему обеспечить подвод тепла, а в момент разрежения организовать теплоотвод, то при таких условиях в системе возможен колебательный процесс. Эти акустические колебания могут быть преобразованы в механическую энергию или электричество через линейные генераторы или преобразователи акустической мощности. В работе [G. W. Swift. Thermoacoustic engines. J. Acoust. Soc. America. 84 (4), 1145. 1988] показано, что термоакустический ДС без обычных поршней может достигать тепловых КПД, сопоставимых с двигателями, обладающими движущимися частями, при этом обеспечивая высокую устойчивость и надежность.
Почему интересна акустическая версия для БПЛА? Традиционные двигатели БПЛА используют газотурбинные или поршневые установки, которые обеспечивают высокую удельную мощность, но требуют сложных систем смазки, охлаждения и топливоподачи. Акустические аналоги могут существенно упростить конструкцию и повысить надежность при длительных миссиях, особенно когда важны длительность полета и минимизация обслуживания.
Для беспилотных платформ критичны небольшие размеры, легкий вес, эффективность и долговечность. Акустические ДС потенциально могут предложить:
l отсутствие сложных механических узлов, снижая износ и необходимость в обслуживании;
l работу на широком спектре источников тепла, включая солнечное излучение, химическое топливо или отходящее тепло от других систем, включая тепло от изотопных элементов;
l низкий уровень вибраций и шума, что важно как для скрытных специальных операций, так и для гражданских миссий.
Допустимо применение акустического ДС в составе гибридной установки, когда нагрузкой для двигателя будут электромоторы.
Текущие исследования и технологические тренды. Хотя прямые примеры применения акустических ДС в БПЛА на уровне промышленных образцов пока отсутствуют, академические исследования в этом направлении активно развиваются [С. В. Булович. Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 14 (3), 36, 2021; И. Б. Горшков, В. В. Петров. Изв. Саратовского университета. Серия: Физика. 21 (2), 133, 2021]. Так, в сотрудничестве ФТИ и СПбПУ проводится математическое моделирование термодинамических процессов в сегменте теплового блока акустического ДС. Исследование показывает, что увеличение температурного градиента в регенераторе позволяет не только упростить процедуру автономного запуска двигателя, но и напрямую повышает мощность установки — что является ключевым фактором для авиационных применений. Другие исследования [Дж. Чжэн, Ю. Хуан и др. Chin. J. Mech. Eng. 29, 832, 2016; А. В. Бобылев. В. А. Зенкин. Техника. Технологии. Инженерия. 1(3), 22, 2017] фокусируются на согласовании акустической импедансной характеристики свободнопоршневых генераторов Стирлинга и линейных генераторов для оптимизации преобразования тепла в электрическую энергию, что может быть использовано для питания электроники и систем управления БПЛА.
Рис. Образец конструкции акустического ДС (концепция ФТИ им. А.Ф. Иоффе)
Инженерные вызовы и ограничения. Несмотря на перспективность, акустические ДС сталкиваются с рядом технических проблем:
l эффективность преобразования энергии остается ниже теоретических пределов КПД тепловых циклов при малых габаритах;
l стабильность работы требует точного контроля температурных градиентов и резонансных характеристик;
l масштабирование до уровней, достаточных для привода авиационных винтов или генераторов, все еще представляет существенную инженерную задачу.
К тому же существующие исследования в основном осуществляются в лабораторных условиях или как теоретические модели — отставание от реальных авиационных приложений остается значительным.
Перспективы развития. Тем не менее комбинация термоакустических ДС с современными материалами, микроэлектромеханическими системами, гибридными источниками энергии (например, с солнечными концентраторами) может создать новую категорию силовых установок для специализированных БПЛА. Эти системы особенно актуальны для беспилотников с длительным временем полета, высокой автономностью и минимальным техническим обслуживанием. В ближайшие годы, по мере развития теории термоакустики, регенеративных материалов и методов акустической оптимизации, можно ожидать создания опытных образцов таких двигателей, которые смогут конкурировать с традиционными силовыми установками. Это откроет новые возможности для длительных научных миссий, экологического мониторинга, а также гражданских и оборонных применений авиации нового поколения.
Все изложенное в статье направлено на развитие малой сетевой энергетики с высокой плотностью энергии. Основой ее ФТИ им. А. Ф. Иоффе представляет мобильные всетопливные автономные энергогенерирующие агрегаты малой и средней единичной мощности (до 2 МВт), с высокой EROI (выше 80), продолжительным ресурсом (80 тыс. ч.), малым экологическим следом, управляемыми «по удаленному доступу», с пассивной утилизацией тепла. С такой Энергетикой 2.0 Россия должна встретить середину XXI века!