Дзен
Телеграм
Одним из основных элементов энергетической безопасности любого общества является обеспеченность топливом. В настоящее время основным энергоносителем является топливо нефтяного происхождения. Устойчивая тенденция к росту потребления нефтяного топлива привела к значительному увеличению темпов расходования невозобновляемых запасов нефти, которые, по прогнозам ученых, в ближайшее время перестанут обеспечивать потребности общества в связи с исчерпанием запасов в легкодоступных районах и с переходом на добычу в труднодоступных. Это неизбежно будет повышать цену нефтепродуктов. Уже сейчас цена топлива составляет 30—50% эксплуатационных расходов авиационных судов, в то время как совсем недавно она составляла 10—15%.
По данным ОПЕК, нефть в России иссякнет быстрее, чем в странах Востока. Поэтому сроки внедрения перспективных проектов для России должны быть более жесткими, чем в других странах.
Необходимо будет найти возможности и пути перехода на альтернативные виды топлива или на создание так называемых гибридных силовых установок (ГСУ) в промышленности, в том числе и в авиации.
Летающая «Хиросима»
Ту-155 в Жуковском, 2001 год.
Минувшей весной исполнилось 33 года со дня первого полета самолета Ту-155, силовая установка которого могла работать как на жидком водороде, так и на сжиженном природном газе. Всего было выполнено более 100 полетов (из них пять на жидком водороде), установлено 14 мировых рекордов. Тот первый полет заложил основы создания советской гиперзвуковой и космической авиации, он по праву считается первым в мире полетом на криогенном топливе. Американские специалисты отмечали, что «полеты советского самолета на жидком водороде являются в истории авиации такой же вехой, как и первый орбитальный полет спутника в 1957 году».
Что из себя представлял Ту-155? Это был пассажирский самолет Ту-154, в котором проектировщикам пришлось существенно изменить компоновку лайнера и решить целый ряд сложнейших технических задач.
В частности, правый двигатель самолета заменили модифицированным НК-88, созданным в Самаре в двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2 и работающим на жидководородном топливе. Двигатель мог работать и на сжиженном природном газе. Для подачи водорода вместо привычного насоса установили высоконапорный турбонасосный агрегат наподобие тех, что используются в ракетных двигателях.
В связи с тем, что водород был взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (273 °С ниже нуля).
В хвостовой части фюзеляжа, где был пассажирский салон, туполевцы оборудовали герметичный отсек и установили в нем криогенный бак на 20 кубометров жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией.
Ту-155 на МАКС-2019.
Чтобы обеспечить взрыво- и пожаробезопасность самолета, из отсека с криогенным баком убрали почти всю электропроводку — источник возможного образования искры. Спроектировали и смонтировали дренажную систему, которая отводит из бака пары водорода на безопасное расстояние от двигателей и источников электричества. Установили азотную систему, замещающую азотную атмосферу в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечки криогенного топлива задолго до взрывоопасной концентрации.
Интересно отметить, что система газового контроля для самолета была разработана в московском Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) под руководством Юрия Михайловича Лужкова, будущего мэра Москвы. Всего было сконструировано более 30 дополнительных бортовых систем.
Самолет, заправленный водородом, местные аэродромные остряки называли «Хиросимой», газовой камерой или вообще «атомной бомбой»!
Первый полет «Хиросимы»
Переоборудованный таким образом Ту-155 впервые поднялся в воздух 15 апреля 1988 года. Его пилотировал заслуженный летчик-испытатель Владимир Андреевич Севанькаев. В состав экипажа входили второй пилот Валерий Викторович Павлов, борт-инженер Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель Валерий Владимирович Архипов.
Я попал на этот самолет, в общем-то, случайно. В то время работал в ЛИИ им. М. М. Громова в отряде космонавтов Игоря Волка, который его и возглавлял, и готовился к полетам на космическом самолете «Буран». В 1984 году пришел приказ министра авиационной промышленности СССР о командировании меня на Ту-155 в качестве ведущего инженера по летным испытаниям. Почему меня? Я имел неплохое летное и инженерное образование, немалый опыт работы в течение восьми лет в ЛИИ на испытательной работе, — вспоминает В. В. Архипов, ведущий инженер по летным испытаниям самолетов, заслуженный испытатель космической техники РФ.«Я до сих пор помню этот теплый и солнечный день на Жуковской летно-испытательной и доводочной базе Туполева (ЖЛИиДБ), — продолжил свой рассказ Архипов. — Несмотря на хорошую погоду, на душе было тревожно. Как же, предстояло сделать первый полет на самолете, заправленном водородом. Я участвовал во всех этапах наземных испытаний, когда выполнялась проверка функционирования всех экспериментальных систем, включая работу двигателя НК-88 на жидком водороде.
Двигатель НК-88.
Я был уверен в надежной работе материальной части самолета и двигателя, но все равно волновался. Но меня утешил генеральный конструктор НК-88 Николай Дмитриевич Кузнецов, который подошел ко мне и сказал: „Валера, все будет хорошо. Ты понимаешь, что не имеешь права на ошибку. Над этой темой работали тысячи людей, и ты не имеешь права их подвести. И еще раз повторю, все будет нормально!“
Потом самолет заправили водородом и азотом. Экипаж самолета занял свои места. Полет продолжался всего 21 минуту. Он завершился чуть раньше намеченного, потому что ведущий инженер Валерий Архипов зафиксировал наличие азота в топливных баках, который должен был автоматически появиться только при утечках водорода.
Архипов дал команду на окончание полета, и самолет, несмотря на недоуменные взгляды экипажа, благополучно приземлился. Уже на земле выяснилось, что утечки водорода не было, а был виноват баллонный азотный вентиль, который разгерметизировался при эволюциях самолета. У Архипова тогда появилась первая седая прядь в волосах…»
В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью. После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа.
Создание и летные испытания экспериментального самолета Ту-155 серьезно обогатили отечественную науку и технику. Был приобретен опыт проектирования систем, работающих на криогенных топливах, накоплен опыт в разработке технологических процессов изготовления таких систем, удалось освоить новое оборудование и новые технологические процессы. Наработан опыт обращения с жидким водородом и сжиженным природным газом.
Водород или сжиженный газ?
В 1989 году самолет переоборудовали для использования сжиженного природного газа (температура -162 °C). Он получил название Ту-156.
Ту-156.
Сжиженный природный газ обладает рядом ценных преимуществ по сравнению с традиционными авиационными топливами. Теплотворная способность СПГ на 15% превышает теплотворную способность авиационного керосина. Применение СПГ на самолетах позволяет существенно снизить вредное влияние на окружающую среду.
При оборудовании самолета были дополнительно установлены гелиевая система (для управления силовой установкой), азотная (замещает обычную атмосферу в отсеках самолета и предупреждает об утечке криогенного топлива), система контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.
Первый испытательный полет на сжиженном газе был совершен 18 января 1989 года. После полета генеральный конструктор Алексей Андреевич Туполев (сын А. Н. Туполева) сказал:
Сегодня впервые в мире поднялся самолет, использующий в качестве топлива сжиженный природный газ. И мы надеемся, что этот первый полет этого самолета даст нам возможность собрать все научно-экспериментальные данные и построить самолет, на котором уже в ближайшее время смогут летать пассажиры.К сожалению, его прогноз не оправдался, хотя во всем мире, включая Россию, сегодня строятся самолеты на водородных элементах. Однако, как утверждают эксперты, более перспективны лайнеры на основе так называемых гибридных силовых установок (ГСУ).
Как все начиналось?
А начиналась эта история с автомобилей. Основной причиной начала производства легковых гибридов стал рыночный спрос на подобные автомобили, вызванный высокими ценами на нефть и постоянным ужесточением требований к экологичности автомобилей. Благодаря совершенствованию технологий и налоговым льготам для производителей или покупателей гибридов такие автомобили иногда оказываются даже дешевле обычных. В ряде стран владельцам гибридов предоставляются и другие льготы, в частности освобождение от уплаты дорожного налога, право пользования выделенной полосой на шоссе и бесплатными парковками и так далее.
Гибридные автомобили стали компромиссным решением таких недостатков электромобилей, как значительная масса аккумуляторов и необходимость их длительной зарядки, недостаточно развитая инфраструктура зарядных станций и недостаточная дальность пробега.
Сегодня известен гибридный автомобиль, который позволяет совмещать тягу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Этот тип двигателя используется в автомобильной индустрии (Toyota Prius, Lexus, BMW 5, 6 и 7 серий), в судоходстве (Mochi Craft Long Range 23M), и сегодня он является наиболее подходящим решением.
Toyota Prius второго (на переднем плане) и третьего поколения.
ГСУ в авиации
Если говорить точно, то ГСУ, как это ни странно звучит, применяются в авиации давно. Например, турбореактивный двигатель с форсажной камерой. Он состоит из двух двигателей — ТРД и прямоточного, функции которого выполняет форсажная камера. Или турбовинтовой двигатель, который сочетает в себе ТРД с его реактивной струей и воздушный винт, который и создает основную часть тяги.
Известно, что Airbus и DLR экспериментально доказали, что топливные элементы могут быть использованы в качестве наземной вспомогательной силовой установки, которая, подключенная к самолету, обеспечивает подачу электричества на освещение, кондиционирование салона и для других нужд в то время, когда авиационные двигатели отключены.
А что предпринимает Россия?
ЦИАМ совместно с другими отечественными предприятиями отрасли разрабатывает демонстратор ГСУ большой мощности, который предполагается испытывать на летающей лаборатории, оборудованной на базе пассажирского самолета Як-40. Проектируемая ГСУ представляет собой воздушный винт, приводимый электродвигателем с предполагаемой мощностью 500 кВт. Питание электродвигателя осуществляется за счет аккумуляторов и электрогенератора, вращаемого газотурбинным двигателем. Одним из рассматриваемых вариантов ГТД для применения в составе ГСУ в качестве первичного источника энергии является отечественный двигатель ТВ7-117В.
ТВ7-117В для Ми-38.
Уже сегодня в России создаются двигатели-гибриды, которые могут стать двигателями авиации завтрашнего дня. Об одном таком рассказал генеральный конструктор «ОДК-Климов» Всеволод Елисеев.
По его словам, это демонстратор на базе мотора ВК-650В. Газотурбинная энергетическая установка представляет собой газотурбинный двигатель в составе гибридной силовой установки (ГСУ), обеспечивающий совместно с электрогенератором выработку электрической энергии, используемой для привода воздушного винта и других потребителей на борту летательного аппарата.
Применение ГСУ позволяет снизить выброс газов в атмосферу и расход топлива, увеличить ресурс ТРД и надежность силовой установки, отказаться от механической трансмиссии, повысить энерговооруженность.
Для реализации этой идеи возможно использование топливных элементов с высокотемпературным твердооксидным электролитом (ТОТЭ). Преимуществом ТОТЭ по сравнению с другими видами топливных элементов является его сравнительно большая стойкость к различным вредным воздействиям и способность использовать в качестве топлива, помимо водорода, окись углерода, что делает возможным работу ТОТЭ на смеси окиси углерода и водорода, получаемой из жидкого авиационного топлива, то есть на синтез-газе.
Важной особенностью ТОТЭ является то, что они выделяют горячие электродные газы, способные совершать работу на газовой турбине и вырабатывать дополнительную электрическую энергию. Поэтому при использовании ТОТЭ возникает возможность создания ГВСУ, в которой топливная батарея ТОТЭ, аналогично традиционной камере сгорания, служит источником горячего газа для газотурбинной установки.
Научно-исследовательские работы (НИР) «Создание демонстратора ГСУ» продлятся до 2023 года. С 2024 по 2028 год будут проведены ОКР «Создание ГСУ под потребителя». Предварительная стоимость освоения проекта составит 500 миллионов рублей. Первый макет этой гибридной силовой установки будет представлен на МАКС-2021.