Пятница, 19 августа 2022

Технологии

Литий-ионный вопрос

В бытовых устройствах на земле литий-ионные батареи – самое обычное дело: мобильные телефоны, портативные компьютеры, медиаплееры и фотоаппараты работают от аккумуляторов такого типа, и весьма успешно. Но вот в воздухе, увы, не все так хорошо, и проблемы с Boeing 787 тому очередное доказательство.

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]К[/dropcap]оммерческие литий-ионные батареи появились далеко не вчера, и причины их популярности лежат на поверхности: они имеют очень большую емкость на единицу объема и массы, а попросту говоря, при заданной мощности меньше и легче прочих типов аккумуляторов Кроме того, литий-ионные батареи не имеют «эффекта памяти» и их не надо полностью разряжать до конца перед перезарядкой. Но за все приходится платить: литиевые аккумуляторы менее долговечны, но, главное – пожароопасны!

Пожароопасность проистекает из наличия в аккумуляторе катода, сделанного из литий-кобальтового оксида LiCoO2. При достаточно небольшом нагреве (более 130 градусов Цельсия) литий-кобальтовый оксид начинает разлагаться с выделением кислорода, который начинает активно выжигать полимерный электролит. Температура еще более повышается, процесс начинается в соседних ячейках аккумулятора, и начинается цепная реакция, которая идет до полного выгорания батареи. Этот процесс называется термическим разгоном батареи и заканчивается для нее крайне печально. Начаться же он может из-за сущего пустяка – чрезмерного заряда батареи, вызывающего ее разогрев.

Разумеется, в каждом устройстве, использующем литий-ионные батареи, стоят управляющие ее зарядкой микросхемы, которые должны не допускать перегрева батареи. В целом эти микросхемы работают вполне надежно – ведь ваш мобильник ни разу не взрывался, и у всех ваших знакомых тоже. Но это потому, что аккумуляторы для них производятся гигантскими партиями, а технология их производства отработана до совершенства – хотя говорят, что взрывается-таки каждая из пяти миллионов батарей. Но вот когда дело доходит до производства более специфичных батарей малыми партиями, в ходе их эксплуатации могут иметь место неприятные неожиданности. По-видимому, именно дефект батарей вызвал их возгорание на борту японских «Дримлайнеров», что в конечном итоге привело к запрету на полеты самолетов этого типа в США (на такой шаг FAA пошла впервые с 1979 года!), и позже по всему миру. «Боинг» был вынужден приостановить производство самолетов и начать разбираться с батареями.

Конечно, инженеры знали о возможности самовозгорания батарей, в том числе и из данных по авиационным происшествиям. Даже просто перевозка таких батарей привела в свое время к возгоранию трех транспортных самолетов, а из 33 случаев возгорания аккумуляторных батарей на борту самолетов, зафиксированных FAA с 2009 года, в 80% случаев были виноваты именно литий-ионные устройства.

Существуют более безопасные аккумуляторы, например широко используемые в авиации никель-кадмиевые, но они тяжелее (приблизительно в два раза) литиевых при заданной емкости. Для электрического «Дримлайнера» масса батарей штука достаточно критичная, поскольку их там две 32-вольтовых производства японской GS Yuasa – главная в районе кабины, обеспечивающая электроснабжение при пуске самолета, проведении наземных операций, таких как заправка и буксировка, а также для аварийного питания тормозной системы, и хвостовая для запуска ВСУ и аварийного снабжения приборного оборудования до выхода в поток крыльчатки генератора.

Естественно, для потенциально опасных батарей были разработаны многочисленные предохранители, но не помогло. И вот теперь из-за этой экономии придется нести многомиллионные убытки.

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]Г[/dropcap]лавный вопрос: что делать? Расследование продлится достаточно долго и может привести к разнообразным и крайне неприятным открытиям, а от них – к еще более неприятным последствиям. Благо прецедент был.

В 2010 году начались поставки заказчикам новейшего бизнес-джета «Цессны» – Citation Jet 4. Кроме всего прочего, это был первый самолет, штатно оснащенный литий-ионными батареями как основным источником питания при выключенных двигателях. Это преподносилось как достижение, однако уже через год «Цессна» в нем раскаялась: произошло возгорание батареи. Причины в точности так и остались неизвестны общественности, о них особо не распространялись ни авиастроители, ни разработчик технологии батареи – компания A123 (реальным разработчиком конкретной батареи является Cessna; по данным FAA, произошел перегрев батареи следствие чрезмерной зарядки после подсоединения самолета к наземному источнику питания, но как и почему – неизвестно). Зато последствия были: FAA потребовала заменить литиевые батареи на что угодно, хоть свинцовые, «Цессна» это оперативно сделала, и скандал удалось замять. Любопытно, что батареи A123 были не обычными литий-ионнными, где катод сделан из литий-кобальтового оксида, а более современными литий-фосфатными, катод которых гораздо более устойчив к нагреву, а сама батарея заметно менее подвержена термическому разгону. Тем не менее батареи с самолетов сняли – хотя до этого они прошли сертификацию FAA…

В свете этого можно предвидеть, что «Боингу» придется в конце-концов также менять батареи. Маловероятно, что это будут какие-то новые литиевые: с ними теперь ни одна авиакомпания, по крайней мере в ближайшее время, самолет не возьмет, даже если они в итоге окажутся супербезопасными. Следовательно, никель-кадмиевые, но для их установки придется менять техническую документацию самолета, проводить дополнительные сетрификационные испытания, терять время и деньги, в то время как уже произведенные полсотни самолетов будут оставаться на земле и приносить убытки авиакомпаниям. Даже если оставить литиевые, без изменений, например, в противопожарной системе все равно не обойтись.

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]В[/dropcap] то время как одни эксперты говорят, что история с батареями может затянуться на год, заокеанские коллеги «Боинга» верят, что он быстро справится с проблемой и она не приведет к изменениям в заказах на этот самолет. На первый взгляд, такая позиция «Эрбаса» кажется странной – им бы радоваться, что у конкурентов проблемы (не показывая из приличия этого на людях). Но на деле ситуация сложнее – трудности с 787 имеют прямое отношение к А350.

На этом новейшем европейском самолете также проектом предусмотрено использование литий-ионных основных батарей, правда, производитель их другой – Saft (ООО «Трейс-Р» – представитель в странах СНГ). На новом «Эрбасе» потребителей энергии аккумуляторов меньше, чем на «Дримлайнере» (например, аварийное торможение обеспечивается не электричеством, а гидравликой), поэтому и батарей емкость меньше. Вообще чем больше батарея, тем больше в ней электролита, тем больше выделяется энергии при его окислении, и тем пожароопаснее батарея. Европейцы сделали свои «банки» еще и с менее плотной компоновкой элементов, что в теории уменьшает риск развития термического разгона по сравнению с максимально компактифицированной японской батареей, но теперь на практике доказывать это европейскому авиагиганту не хочется. Поэтому «Эрбас» очень внимательно следит за расследованием происшествий с «Дримлайнерами» и рассматривает возможность замены литиевых аккумуляторов на А350 на традиционные никель-кадмиевые. Но хотя, в отличие от «Боинга», первый опытный А350 даже еще не собран до конца, европейцы предсказывают, что замена типа аккумулятора в условиях плотной компоновки самолета и политики весовой экономии может вылиться в задержку программы на несколько месяцев. Плюс вернутся проблемы с «эффектом памяти», уменьшающим срок службы батареи, прочими сложностями с эксплуатацией, и, наконец, с так любимой в Европе экологией – кадмий в аккумуляторах с природой, мягко говоря, не дружит.

В таких условиях пожар в доме соседа совершенно не радует, поскольку может перекинуться и на собственный. Хотя на «Эрбасе» уверены, что их аккумуляторы будут менее опасными, чем боинговские (в том числе благодаря лучшей системе вентиляции, удаляющей продукты горения из самолета), с уверенностью сказать, что они совершенно безопасны, никто не может. А перепроектировать все так неохота…

Литий-ионные батареи стоят еще на одном самолете «Эрбаса» – и это гигант А380. Там они ответственны за аварийное освещение, и до сих пор никаких проблем с ними не было. Но и тут лучше бы с «Боингом» все было хорошо – а то вдруг придется менять.

«Эрбас» не единственный, кто скрестив пальцы следит за развитием батарейного скандала. Компания Gulfstream также опасается, что история с «Дримлайнером» не пройдет для нее даром. Ведь и основная батарея на G650, и аварийные для питания бортового оборудования – литий-ионные. Интересно, что они разработаны компанией Securaplane Technologies Inc., делавшей зарядное устройство для 787, которое также теоретически может быть причиной возгорания батарей на «Дримлайнерах».

На новом цессновском Citation Ten также должны стоять литий-ионные батареи. Справедливости ради надо сказать, что батареи для Citation еще только разрабатываются, а первый G650, сданный заказчику в конце прошлого года, оснащен обычными никель-кадмиевыми аккумуляторами, хотя литиевая батарея и получила (как и в случае с батареей «Дримлайнера», по «особым правилам») сертификацию FAA. В любом случае, даже для таких сравнительно небольших самолетов отказ от литиевых батарей приведет к росту массы килограмм на сто, что неблаготворно скажется на их летных данных и экономичности. О потере денег на разработку и говорить не стоит.

А на самолетах АОН возможный запрет литиевых батарей никак не скажется и в будущем. Причина до банальности проста: при невысокой потребной мощности батарей выигрыш в массе при переходе от никель-кадмия к литию составляет килограмм десять от силы, но за эти килограммы придется заплатить впятеро больше денег, чем за обычную батарею. Но вот для электрических самолетов и прочих подобных игрушек вроде гибридных авиационных двигателей отказ от литий-ионных батарей может оказаться критичным.

[divider][space height=»20″]

 

[dropcap color=»#555555″]Ч[/dropcap]то касается разработчиков батарей, то для них возможный отказ авиации от литиевых батарей хотя и будет ударом, но небольшим – остаются наземные приложения их продукции, и число им легион. Тем не менее уже ведутся работы по созданию негорючих литиевых батарей с электролитом, который будет неподвержен быстрому окислению. Над этим работают многие крупные компании, пока результатов нет, но, будем надеяться, они таки будут достигнуты, и положительные. Все-таки чем батарея легче, тем она удобнее…

А еще удобно, когда эта самая батарея находится в доступном месте. Именно поэтому нет никаких запретов на использование устройств с литий-ионными батареями в салоне самолета – хотя в багаж сдавать их крайне не рекомендуется. Ведь если на руках у пассажира или даже в пилотской кабине загорится какой-нибудь «Айпад», источник возгорания легко локализуется и устраняется, в отличие от багажного отсека или фюзеляжных стоек с оборудованием. Рекомендовано для тушения батарей использовать газ или даже воду (хотя последняя не поможет до тех пор, пока батарея не выгорит дотла из-за того, что залить воду в корпус батареи невозможно). Также специально для случаев возгорания портативных устройств производятся специальные несгораемые мешки, в которые можно быстро сунуть задымившееся устройство и спокойно продолжать полет. Такие мешки уже нередки в кабинах американских авиалайнеров, но случаев их практического использования пока не отмечено.

Видимо, время литий-ионных батарей в авиации еще не пробило и, как опасались еще в конце прошлого года специалисты, произошел инцидент, который остановит на некоторое время работы и над новыми авиационными батареями, и над стандартами безопасности на них. Но, быть может, дело все-таки в отдельном дефекте и дело кончится отзывом бракованной партии и ужесточением требований к качеству? Придется ждать результатов расследования…

Один комментарий на “Литий-ионный вопрос

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.