Анализ перспектив микротурбинных МЭМС-устройств в качестве высокоэнергоемких источников питания

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования обусловлена растущей потребностью в создании компактных, высокоэнергоемких источников питания для автономных систем, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), где традиционные литий-ионные аккумуляторы демонстрируют ограничения по удельной энергоемкости. Перспективным направлением является разработка микротурбинных генераторов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), способных преобразовывать химическую энергию топлива в электрическую с высоким КПД. ЦЕЛЬ. Восполнить пробел в отечественной литературе по микротурбинным технологиям, систематизировать мировой опыт и определить перспективы разработки высокоэнергоемких МЭМС-источников питания в Российской Федерации. Провести анализ конструкций, материалов, технологий изготовления и термодинамических характеристик микротурбин, а также выполнить оценочный расчет параметров микрогазотурбинного генератора. МЕТОДЫ. В работе применены методы системного анализа научно-технической литературы, сравнительная оценка конструктивных решений и термодинамический расчет на основе цикла Брайтона. Для оценочного расчета мощности микротурбины использованы фундаментальные законы термодинамики и упрощенные модели работы компрессора, камеры сгорания и турбины. РЕЗУЛЬТАТЫ. Проведен всесторонний обзор ключевых технологических решений в области микротурбин, включая применение газовых подшипников, термостойких материалов (карбид кремния), методов микрообработки и особенностей проектирования для микромасштаба. Выполненный оценочный расчет для микротурбины с расходом топлива ~5.84 ∙ 10⁻⁹ м³/с показал потенциальную электрическую мощность порядка 100 Вт. Выявлены основные технологические вызовы: обеспечение стабильности при сверхвысоких оборотах, управление микросгоранием, тепловые режимы и интеграция компонентов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Микротурбинные технологии на основе МЭМС обладают значительным потенциалом для создания источников питания с удельной энергоемкостью, в 10-20 раз превышающей лучшие образцы аккумуляторов. Несмотря на существующие технологические барьеры, дальнейшие исследования в области оптимизации термодинамических циклов, разработки новых материалов и совершенствования методов микрообработки открывают перспективы для разработки отечественных высокоэффективных энергетических установок для БПЛА и других автономных систем, что является ключевым для укрепления технологического суверенитета.

1. Stanimirović Z., Stanimirović I. Advanced MEMS Technologies //Microelectromechanical Systems (MEMS)-Innovation, Manufacturing Techniques and Applications: Innovation, Manufacturing Techniques and Applications. – 2025. – С. 7.

2. Epstein A. H. et al. Power MEMS and microengines //Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers' 97). – IEEE, 1997. – Т. 2. – С. 753-756.

3. Epstein A. et al. Micro-heat engines, gas turbines, and rocket engines-The MIT microengine project //28th Fluid dynamics conference. – 1997. – С. 1773.

4. Schubert D. Mems-concept using micro turbines for satellite power supply //Solar Power, InTech. – 2012. – С. 195-210.

5. Hampel C. A., Braun R. J. Off-design modeling of a microturbine combined heat & power system //Applied Thermal Engineering. – 2022. – Т. 202. – С. 117670.

6. Van Brussel H. et al. Assembly of microsystems //CIRP annals. – 2000. – Т. 49. – №. 2. – С. 451-472.

7. Lin P. et al. Modeling and controller design of a micro gas turbine for power generation //ISA transactions. – 2022. – Т. 124. – С. 411-426.

8. Badum L., Cukurel B. Multidisciplinary design methodology for micro-gas-turbines— Part II: System analysis and optimization //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2024. – Т. 146. – №. 10. – С. 101002.

9. Dessornes O. et al. Three technological bricks for a micro turbine concept for micro power generation //Technical Digest of PowerMEMS 2005. – 2005. – С. 28-30.

10. Peirs J. et al. Micro power generation based on micro gas turbines: a challenge //MST NEWS. – 2005. – Т. 4. – С. 37.

11. Stefani F. et al. Comparative analysis of bearings for micro-GT: an innovative arrangement //Bearing Technology. – 2017. – С. 1-26.

12. Peirs J., Reynaerts D., Verplaetsen F. Development of an axial microturbine for a portable gas turbine generator //Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2003. – Т. 13. – №. 4. – С. S190.

13. Dessornes O., Zwyssig C. Micro-generator for ultra micro gas turbine //Power MEMS. – 2010. – С. 1-3.

14. Петров Т. И. Реализация оптимизации синхронного двигателя на основе генетического алгоритма в MATLAB / Т. И. Петров // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2025. – Т. 27, № 3. – С. 102-109.

15. Петров Т. И. Особенности проектирования синхронных двигателей с постоянными магнитами при помощи комплексной топологической оптимизации / Т. И. Петров, А. Р. Сафин, R. K. Behera // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2023. – Т. 15, № 1(57).

16. Сафин А. Р. Аддитивное производство и оптимизация топологии магнитных материалов для электрических машин / А. Р. Сафин, R. K. Behera // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 14-33. – DOI 10.30724/1998-9903-2021-23-3-14-33.

17. Capata R., Marino L., Sciubba E. A hybrid propulsion system for a high-endurance UAV: Configuration selection, aerodynamic study, and gas turbine bench tests //Journal of Unmanned Vehicle Systems. – 2014. – Т. 2. – №. 1. – С. 16-35.

18. Shah R. et al. Design and performance analysis of hydrogen-fueled micro combustion chamber with focus on back pressure minimization. – 2024.

19. Chen J. The importance of cavities to the stabilization of methane ames in micro structured combustion systems. – 2022.

20. Adamou A. et al. Experimental performance and emissions of additively manufactured high-temperature combustion chambers for micro-gas turbines //International Journal of Engine Research. – 2023. – Т. 24. – №. 4. – С. 1273-1289.

21. Capata R. et al. Experimental tests of the operating conditions of a micro gas turbine device //Journal of Energy and Power Engineering. – 2015. – Т. 9. – №. 4. – С. 326-335.

22. Badum L., Leizeronok B., Cukurel B. New Insights From Conceptual Design of an Additive Manufactured 300 W Microgas Turbine Toward Unmanned Aerial Vehicle Applications //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2021. – Т. 143. – №. 2. – С. 021006.

23. Omri M. et al. Analysis of Flow Structure in Microturbine Operating at Low Reynolds Number //Computers, Materials & Continua. – 2022. – Т. 71. – №. 1.

24. Matsuo E. et al. Towards the development of finger-top gas turbines //Power (W). – 2003. – Т. 50. – С. 50.

25. Kosowski K., Piwowarski M. Design Analysis of Micro Gas Turbines in Closed Cycles //Energies. – 2020. – Т. 13. – №. 21. – С. 5790.

26. Lakshmy D. S. M. Design and analysis of turbine blades in a micro gas turbine engine [J] //Internation Journal for Trends in Engineering and Technology. – 2015. – Т. 5. – №. 2.

27. Capata R., Saracchini M. Experimental campaign tests on ultra micro gas turbines, fuel supply comparison and optimization //Energies. – 2018. – Т. 11. – №. 4. – С. 799.

28. Семенников А. В. Инновации в микроэлектромеханических системах (MEMS) / А. В. Семенников // Экономика и управление: проблемы, решения. – 2024. – Т. 5, № 8(147). – С. 84-96. – DOI 10.36871/ek.up.p.r.2024.08.05.010.

29. Li J., Liu Z., Ye R. Current status and prospects of gas turbine technology application //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2021. – Т. 2108. – №. 1. – С. 012009.

30. Biswas A., Roy S. S. A review on multi nozzle electrohydrodynamic inkjet printing system for MEMS applications //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2021. – Т. 1136. – №. 1. – С. 012015.

31. Закон квадрата — куба [Электронный ресурс] // Википедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_квадрата_—_куба (дата обращения: 27.11.2025).

32. Payne J. E. Microfabrication of SiC Using Femtosecond Lasers. – 2025.

33. Jaiswal A. et al. Two decades of two-photon lithography: Materials science perspective for additive manufacturing of 2D/3D nano-microstructures //Iscience. – 2023. – Т. 26. – №. 4.

34. Реальна ли 3D-печать металлом на дому? // Хабр URL: https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/944702/ (дата обращения: 07.09.2025).