В статье рассматриваются особенности применения самолёта с двигателями на криогенном топливе, влияние топлива на полёт, перспективы использования водородного топлива в авиации.
Ключевые слова: Ту-155, криогенное топливо, сжиженный водород.
Криогенное топливо представляет собой низкокипящее жидкое топливо, содержащее хотя бы один компонент, находящийся при температуре ниже 120 К. К таким компонентам относятся сжиженные газы, включая кислород, водород, фтор и другие. Одним из наиболее распространённых криогенных компонентов является жидкий кислород, который используется в качестве окислителя в ракетостроении и авиастроении.
Жидкий водород в сочетании с жидким кислородом обеспечивает максимальную эффективность, создавая наивысшую скорость истечения газов при сгорании, что было предложено К. Э. Циолковским как «эталонная топливная пара». Криогенные компоненты позволяют достичь самых высоких значений удельного импульса среди ракетных топлив, что и определяет их широкое применение в современных космических ракетах-носителях. Кроме того, кислород, водород и метан в качестве компонентов считаются нетоксичными и в случае разливов причиняют значительно меньший вред окружающей среде по сравнению с высококипящими окислителями. Однако криогенное топливо сложно в эксплуатации, поскольку высокие потери на испарение требуют специальных мер для транспортировки и хранения в специально оборудованных ёмкостях.
Этапы создания Ту-155
Пятнадцатого апреля 1988 года экспериментальный самолёт Ту-155 осуществил полёт, использовав жидкий водород в одном из своих двигателей. Этот момент стал началом криогенной авиации. Работы, проведённые в ОКБ им. А. Н. Туполева, стали бесценным опытом для дальнейшего развития авиационных систем на основе криогенного топлива. В настоящее время Ту-155 занимает почётное место в международном аэрокосмическом музее в Москве.
Этот самолёт был опережающим для своего времени. Водород по-прежнему считается топливом будущего благодаря своим выдающимся характеристикам как по сгоранию, так и по применению. В 1980-е годы, в условиях масштабного энергетического кризиса, поиск альтернативных экологически чистых источников энергии стал задачей государственного масштаба.
Авиаконструкторы ОКБ Туполева в середине 1980-х годов начали проектирование Ту-155, основываясь на серийном пассажирском авиалайнере Ту-154Б. Это требовало значительных изменений в компоновке и решения множества сложных эксплуатационно-технических задач. Экспериментальный криогенный топливный комплекс был для безопасности помещён в специальный хвостовой отсек, изолированный от остальных частей фюзеляжа с помощью буферных зон и вентиляционных агрегатов. В правой мотогондоле был установлен двигатель НК-88, работающий на жидком водороде.
Сравнение лётно-технических характеристик показало, что дальность и скорость полёта значительно возросли. Например, на высоте Ту-155 достигал скорости 1000 км/ч, в то время как базовая модель Ту-154Б могла лететь со скоростью 850 км/ч. Максимальное время работы на криогенном топливе составляло два часа.
Было разработано более 30 дополнительных бортовых систем, а также уникальные программы полётов и лабораторные процедуры, обеспечившие безопасность всех работ. После успешных лётных испытаний в 1989 году самолёт выполнил первый полёт на сжиженном природном газе (СПГ). Ту-155 прошёл обширную программу лётных испытаний, в ходе которой было установлено 14 мировых рекордов, а также выполнены международные рейсы по маршрутам Москва — Братислава — Ницца и Москва — Ганновер. В общей сложности на Ту-155 было совершено 70 полётов, из которых в пяти использовался водород, а в остальных — СПГ.
Появление Ту-155 кардинально изменило ситуацию в криогенной авиации. Применение СПГ в качестве авиационного топлива открывало дальнейшие перспективы для повышения экономичности воздушных перевозок, улучшения экологических характеристик воздушного транспорта и снижения дефицита традиционного топлива. Однако уровень финансирования того времени не позволил продолжить исследования в этой области.
Зарубежные аналоги
Airbus ZEROe — это три концепции перспективного воздушного судна от компании Airbus, работающего на водородном топливе. Этот инновационный самолёт планируется ввести в эксплуатацию к 2035 году.
HY4 — этот самолёт обладает уникальной компоновкой: в центре конструкции находится гондола с двигателем, а по обеим сторонам — два пассажирских фюзеляжа. В боковых фюзеляжах HY4 также располагаются водородные баки, каждый из которых вмещает 9 килограммов водорода под высоким давлением. 29 сентября 2016 года из аэропорта Штутгарта Flughafen Stuttgart HY4 совершил свой первый полет; самолет провёл в воздухе около 15 минут. В будущем планируется создание регионального самолёта, который сможет вмещать до 19 пассажиров.
Перспективы развития
Разработанный двигатель также может использовать природный газ; переработанный вариант двигателя (НК-89) был применён в проекте Ту-156. Сообщается, что эти двигатели тестировались для двухместного опытного воздушно-космического самолёта Ту-2000. В дальнейшем планировалось использовать наработки и в таких проектах, как Ту-136, Ту-156 и модернизированный Ту-206.
Кроме того, компания «Туполев» запатентовала гиперзвуковой самолёт, оснащённый двумя турбореактивными двигателями. Один из двигателей работает на авиационном керосине, а другой использует криогенное топливо. Это воздушное судно относится к нескольким категориям, включая сверхзвуковые самолёты и космические транспортные корабли многоразового использования.
Ту-206 создаётся на базе Ту-204-100 и способен перевозить 210 пассажиров в экономическом классе. Запланировано, что Ту-206 будет оснащён двумя турбовентиляторными агрегатами ПС-92 общей тягой в 33 тонны. При взлётной массе 85 тонн (включая топливо) самолёт сможет перевозить 25 тонн полезной нагрузки, или 210 пассажиров.
Этот авиалайнер будет способен летать со скоростью 850 км/ч на расстояние до 5000 километров, причём высота его полёта может превышать 11 километров. Для воздушного судна такого класса требуется взлётно-посадочная полоса класса Б длиной не менее 2600 метров. В отличие от Ту-155, где топливные баки находились за салоном, что уменьшало его размеры, в Ту-206 предусмотрено размещение четырёх больших баков над салоном, что придавало лайнеру необычный внешний вид.
Заключение
В сравнении с традиционным керосином природный газ выделяет в полтора раза меньше оксида азота и уменьшает выбросы угарного газа на одну пятую. Однако наиболее важным аспектом для авиакомпаний является сокращение затрат на топливо, которые могут снизиться как минимум вдвое.
Вопросы, связанные с безопасной эксплуатацией самолётов на сжиженном природном газе, были отработаны на стендах ВНИИ ПО (Всероссийского НИИ противопожарной обороны МЧС России) и ГИПХ (Государственного института прикладной химии). Результаты показали, что использование СПГ более безопасно, нежели применение керосина. Сжиженный природный газ искусственно охлаждается до –160 °C для удобства транспортировки. Воспламеняется только при выходе газа в атмосферу, что исключает возгорание других источников вблизи, что повышает безопасность полетов.
Ранее использование сжиженного природного газа в авиации не получило развития из-за отсутствия специализированной наземной инфраструктуры для заправки СПГ на аэродромах. Однако в настоящее время в Якутии обнаружены значительные месторождения природного газа, открываются заводы малотоннажного производства и хранения СПГ. Это дает возможность Якутии стать пилотным регионом по внедрению СПГ и криогенного топлива в авиации, используя при этом около 20 самолётов Ту-204, которые были выведены из эксплуатации.
Кроме того, СПГ значительно экономичнее, чем керосин, доставка которого в указанный регион является сложной и дорогой. Дешевая транспортировка помогла бы выполнить задание президента и правительства по использованию сниженного природного газа в различных видах транспорта, включая воздушные суда.
Литература:
1. Криогенный компонент // Космонавтика : энциклопедия. — Москва : Советская энциклопедия, 1985. — С. 209.
2. ОКБ им. А. Н. Туполева. Руководство по лётной эксплуатации Ту-154Б. — Кн. 1, 1975. — С. 156.
3. Васильев Н. Воспоминания о будущем: О самолёте Ту-156 / Н. Васильев // Крылья Родины. — 1999. — № 8. — С. 13–14.