Дороговизна традиционного авиатоплива подстегивает разработки новых видов энергоносителей. Но финансировать эти тоже весьма недешевые изыскания некому. Консервативное «нефтяное лобби» в появлении альтернативного топлива не заинтересовано, и денег, конечно, на такие разработки не даст. Однако прогресс остановить нельзя — замена авиакеросину рано или поздно появится. Вопрос лишь в том, когда современные авиационные моторы разделят участь паровых котлов, которым когда-то пришли на смену двигатели внутреннего сгорания. Российские исследователи уже видят способы существенно удешевить процесс перехода авиации на газовое топливо, которое сейчас без толку сгорает в факелах.
Развитие потребностей человечества в авиаперевозках будет идти в основном по двум направлениям: усовершенствование «дозвуковых» воздушных судов и создание самолетов со сверхзвуковыми скоростями полета. В этом случае авиастроителям придется столкнуться с рядом проблем, одной из которых является необходимость использования новых более энергоемких и экологически чистых, чем авиакеросин, топлив.
КРИОГЕННОЕ ТОПЛИВО — ЭТО ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ, КОТОРОЕ В ОБЫЧНЫХ УСЛОВИЯХ ЯВЛЯЕТСЯ ГАЗОМ, СЖИЖАЕТСЯ И ХРАНИТСЯ ПРИ ОЧЕНЬ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ, ОТСЮДА И ТЕРМИН «КРИОГЕННЫЙ» (РОЖДАЮЩИЙСЯ В ХОЛОДЕ)
Где же взять такие сырьевые ресурсы? Всеми необходимыми качествами в полной мере обладают низкокипящие углеводородные газы (метан, пропан, бутан), получаемые из природного и нефтяного газов, и водород.
Они отличаются друг от друга по своим теплофизическим свойствам. Это существенным образом может повлиять на конструкцию, энергетику, эксплуатационные особенности и коммерческую эффективность использования летательных аппаратов на газовом топливе. Причем чем ниже температура кипения и меньше температурный диапазон жидкого состояния газа, тем большее количество проблем придется решать при проведении НИОКР и тем дороже будет обходиться его практическое внедрение. Средства, которыми располагает авиационная наука, не позволяют это реализовать.
Но если провести сравнительный анализ свойств этих газов и топлив, то можно предложить стратегию внедрения таких топлив в авиационную технику в условиях ограниченного финансирования.
Водород — это бомба
Лучшие характеристики имеет водород. Его теплота сгорания на единицу массы в 2,7 раза больше, чем у авиакеросина. При сгорании водорода образуется экологически чистый продукт — вода, применение водорода не нарушает круговорота вещества в природе, так как цикл его получения и использования является замкнутым, а ресурсы сырья для его производства неограниченны. По хладоресурсу на единицу массы водород превосходит авиакеросин в несколько раз. В общем водород — это уникальное топливо для всех видов транспортных средств, и его массовое использование может не только изменить их облик и технические характеристики, но и, возможно, всю техногенную структуру человеческого общества.
Однако водорода в свободном виде в природе мало. Массовое производство жидкого водорода путем электролиза воды по действующим технологиям сопряжено со значительным расходом электроэнергии, вырабатываемой большей частью на тепловых электростанциях за счет сжигания других теплоносителей, таких как нефть, уголь и т. п. Поэтому производство водорода в настоящее время нельзя считать экологически чистым, а его цена за тепловую единицу еще долго будет превышать аналогичную цену у других топлив. Крупномасштабное использование водорода будет также ограничиваться необходимостью создания принципиально новой наземной инфраструктуры. Все это связано со значительными капитальными вложениями.
До сих пор водород в качестве топлива применялся только в космической ракетной технике и на экспериментальных летательных аппаратах (водородные топливные элементы — это отдельное направление). Их полеты достаточно редки и тщательно готовятся. Кроме того, условия подготовки и пуска ракет в рамках стационарного базирования значительно отличаются от условий эксплуатации самолетов. Стартовые комплексы для запуска космических ракет являются немногочисленными сложными инженерными сооружениями, которые обслуживает высококвалифицированный узкоспециализированный персонал. Такие комплексы мало похожи на аэродромные. Авиация же характеризуется массовостью. Кроме того, при разработке космической техники в прошлом экономические параметры считались второстепенными. В этих условиях опыт, имеющийся в космической технике, сложно использовать в авиации.
Большую эксплуатационную проблему при использовании водорода в авиации может также создать его низкая температура кипения при нормальном давлении, узкий (6 оС) температурный диапазон жидкого состояния, низкая плотность. Это вызывает необходимость значительного увеличения размеров топливных баков, использования высоконадежной теплоизоляции для их защиты и т. п. С аналогичными проблемами столкнутся исследователи и конструкторы при разработке авиадвигателей на метане. Поэтому в настоящее время даже частичный перевод авиации на криогенное топливо, какими являются водород и метан, представляет сложную научно-техническую и организационную задачу.
Может быть, поэтому даже в такой богатой стране, как США, которая начала исследовать проблему использования водорода в авиационной технике где-то с середины 60-х годов, так и не построили даже летающей лаборатории. В Советском Союзе приблизительно за это же время был создан и летал экспериментальный самолет — Ту-154ЛЛ (Ту-155), один из двигателей которого работал на криогенных метане и водороде, а в Куйбышеве (Самара) и Жуковском построили специализированные наземные комплексы. Тогда мы могли себе позволить тратить на эту проблему больше, чем Америка.
ПРИ ПЕРЕХОДЕ
НА ГАЗ МОЖНО:
УМЕНЬШИТЬ ЗАПАС ТОПЛИВА НА БОРТУ;
УДЕШЕВИТЬ СТОИМОСТЬ АВИАПЕРЕВОЗОК;
ПОВЫСИТЬ КПД СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ;
ПОВЫСИТЬ НАДЕЖНОСТЬ И СНИЗИТЬ МАССУ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ;
УЛУЧШИТЬ АЭРОДИНАМИКУ;
УМЕНЬШИТЬ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И Т. Д.
Газ за газом
Исследования по внедрению сжиженных газовых топлив условно можно разделить на четыре этапа: бутан — пропан — метан — водород. Это позволяет на каждом этапе учитывать эксплуатационные особенности указанных газовых топлив, состояние смежных областей науки и техники и уровень развития технологии, а также решать научные задачи и вопросы практической реализации.
Исследования первого этапа в настоящее время практически закончены. Бутан — газ, использование которого возможно во всем температурном диапазоне, в котором в настоящее время эксплуатируется вся авиационная техника. В смеси с пропаном бутан уже много лет используется в качестве топлива в автомобильных двигателях и бытовых приборах (газовых плитах).
В плане практической реализации результатов исследований экономически целесообразнее использовать в качестве авиационного топлива не бутан, а смесь нескольких газов. Эта смесь, разработанная авиационными и нефтегазовыми институтами и получившая название «Авиационное сконденсированное топливо» — АСКТ (ТУ 39–1547–91), представляет собой композицию высококипящих углеводородных газов: пропана, бутана, пентана, гексана и др. Главным критерием выбора композиции была минимальная себестоимость его производства. АСКТ можно получать на любых газо- и нефтеперерабатывающих устройствах, имеющих газофракционные установки (их в стране сотни), в пунктах осушки природного газа и т. д., и даже непосредственно на нефтегазопромыслах или в специально оборудованных точках по трассе продуктопровода, используя мобильные малогабаритные блочные установки.
По ряду эксплуатационных показателей АСКТ превосходит авиакеросин. Например, его использование позволит увеличить ресурс двигателей, а при низких температурах окружающей среды АСКТ будет значительно лучше обеспечивать их пусковые свойства. Теплотворная способность нового топлива на 6% выше. Оно экологически чище и менее агрессивно, так как в нем практически отсутствуют сернистые соединения, ароматические и непредельные углеводороды, смолы и другие вредные вещества.
Характерной особенностью АСКТ является возможность его хранения на борту воздушного судна в диапазоне температур от +50 до –60 оС под небольшим давлением в жидком виде в не теплоизолированных баках. Для работы на АСКТ газотурбинные и поршневые двигатели требуют лишь незначительной доработки. Топливная система АСКТ по типажу применяемых агрегатов мало отличается от керосиновой. Не будет проблем и с наземным топливозаправочным комплексом (ТЗК), при создании которого могут использоваться арматура, агрегаты и другие устройства, применяемые в автомобильном хозяйстве и нефтегазовой промышленности.
Поэтому внедрение АСКТ в авиационную технику может пройти без больших проблем и затрат. Реальным подтверждением этому является разработка и летные испытания экспериментального вертолета Ми-8ТГ, проведенные еще в 1987 году на техническом бутане. Позже на ОАО «Московский вертолетный завод им. М. Л. Миля» при участии ОАО «Интеравиагаз» создан и прошел начальный этап испытаний первый промышленный образец двухтопливного вертолета Ми-8ТГ с двигателями, работающими как на АСКТ, так и на авиакеросине, а также на их смесях. Вертолет в 1995 году был показан в полете на Международном авиакосмическом салоне в Жуковском и привлек внимание отечественных и зарубежных специалистов. Кроме того, в 2015 году в ЦИАМ на имитаторе АСКТ были проведены успешные испытания четырехцилиндрового авиационного оппозитного поршневого двигателя ПД-1400 воздушного охлаждения с редуктором.
Последние исследования институтов авиационной и нефтегазовой промышленности показали, что при получении АСКТ можно реализовать безотходное производство, получая в остатке соизмеримое количество автомобильного пропана и снабжая дополнительно наземный транспорт и бытовой сектор дешевым экологически чистым топливом. Кроме того, была доказана коммерческая эффективность использования АСКТ в нефте- и газодобывающих регионах, в которых имеется в избытке сырье (попутный газ) для его получения. В то же время в эти регионы жидкое топливо завозится из промышленно развитых районов России по железной дороге или в короткий период навигации, что приводит к значительному увеличению его стоимости. Поэтому разница в ценах на АСКТ и авиатопливо там может достигать значительных величин (3–5 раз).
Пропан входит в состав природного и нефтяного газов, а также газов нефтепереработки, из которых он может быть выделен в количествах, достаточных для массового применения в авиационной технике. Пропановая топливная система летательного аппарата также будет мало отличаться от штатной (керосиновой).
Пропан обладает еще одним серьезным преимуществом перед чисто криогенными топливами — метаном и водородом. Его необходимые запасы можно хранить на аэродромах и на стартовых площадках практически без потерь. И охлаждать, по мере необходимости, до криогенных температур только то количество топлива, которое необходимо для заправки очередного воздушного судна. При такой технологии отпадает необходимость иметь в аэропорту большие криогенные емкости и мощные системы поддержания топлива в криогенном состоянии.
В плане практической реализации результатов исследований этого этапа, экономически целесообразнее, видимо, будет использовать в качестве авиатоплива смесь пропана, бутана и других углеводородов. Эта смесь, которую условно можно назвать «АСКТ-К» (криогенное АСКТ), обладает практически теми же свойствами, включая криогенные, что и пропан, но будет иметь меньшую стоимость за счет более простой технологии производства и широкой сырьевой базы.
Следующим объектом исследований и внедрения в авиационную технику сжиженных углеводородных газов и водорода является метан. Возможность модификации существующих летательных аппаратов для работы на сжиженном метане весьма проблематична. Двигатели и планер потребуют значительных переделок. Метановая топливная система также будет значительно сложнее штатной.
Широкое использование на ВС метанового топлива в газообразном виде (компримированного метана) вряд ли будет иметь реальную перспективу из-за значительной потери коммерческой нагрузки, обусловленной весом топливных баков — баллонов высокого давления. Хотя за рубежом такие исследования проводятся и имеются летающие образцы, например, легкого самолета «Хаски» с поршневым двигателем, фирмы «Авиат».
У метанового топлива есть лишь одно серьезное преимущество перед пропаном: достаточно большие ресурсы сырья в составе природного и нефтяного газов, газов нефтепереработки и других источников. Как вариант практической реализации результатов исследований использования метана в качестве топлива можно представить смесь, состоящую в основном из метана и пропана. Оптимальное соотношение составляющих этой смеси необходимо исследовать. Эта смесь, которую условно можно назвать «АСКТ-М», будет иметь более высокую плотность, более широкий диапазон жидкого состояния и, вероятно, меньшую стоимость.
ЭКОНОМИЯ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ НЕ ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ ДЕШЕВИЗНЫ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА, ВЫРАБАТЫВАЕМОГО ИЗ БРОСОВОГО СЫРЬЯ — СЕПАРИРУЕМОГО ГАЗА, КОТОРЫЙ В ПРОТИВНОМ СЛУЧАЕ СГОРЕЛ БЫ В ФАКЕЛАХ, НО И ЗА СЧЕТ УМЕНЬШЕНИЯ ЗАТРАТ НА ТРАНСПОРТИРОВКУ АВИАКЕРОСИНА, БЕНЗИНА, ДИЗТОПЛИВА
Это топливо не надо добывать
Наиболее эффективно использование двухтопливных вертолетов при освоении новых удаленных от дорожной инфраструктуры месторождений нефти и газа. Расчеты показывают, что в этом случае достигается максимальный коммерческий эффект, так как вертолеты, а также наземный транспорт, стационарные энергоагрегаты (дизель-генераторы и т. п.) и бытовое оборудование, используемые на месторождениях, будут заправляться непосредственно от быстро монтируемой там же малогабаритной блочной установки высокой заводской готовности. Внедрив газотопливную технологию непосредственно на месторождении, можно частично или полностью исключить его зависимость от поставок жидкого топлива. Экономия же в этом случае обеспечивается не только за счет дешевизны газового топлива, вырабатываемого из практически бросового сырья — сепарируемого газа, который в противном случае сгорел бы в факелах, но и за счет уменьшения затрат на транспортировку авиакеросина, бензина, дизтоплива.
Результаты работы вертолетостроителей, а также исследования, проведенные в ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ ГА, НИПИгазпереработка и самолетостроительных ОКБ им. С. В. Ильюшина и А. С. Яковлева, показали возможность, а главное, эффективность перевода на газ не только вертолетов, но и самолетов. Причем такую разновидность жидкого газового топлива, как АСКТ-Б (обеспропаненное АСКТ), можно заливать непосредственно в плоские крыльевые топливные баки самолетов местных авиалиний типа Ил-114, Як-40, Ан-2 при температуре окружающей среды на земле +5 оС и ниже (такие температуры в некоторых районах Сибири и Севера бывают до 10 месяцев в году). Причем увеличение массы за счет дополнительных агрегатов газокеросиновой топливной системы, например, для самолета Ил-114 не превысит 20 кг.
Реализация данного проекта в эксплуатирующихся и вновь осваиваемых нефте- и газодобывающих регионах позволит частично или полностью решить топливно-транспортную проблему, так как даст возможность обеспечить воздушный и наземный транспорт более дешевым топливом. Транспорт, особенно воздушный, станет более доступным для жителей, организаций и местного бюджета, так как стоимость топлива составляет сейчас значительную долю в стоимости летного часа. Это должно вызвать цепную реакцию возврата ряда упраздненных и уже, наверное, многими начинающих забываться очень важных для добывающих регионов социальных достижений прошлого, значительную часть которых традиционно обеспечивал «Аэрофлот», таких как скорая медицинская помощь, обслуживание оленеводов, доставка почты и продуктов в дальние поселки и геологические экспедиции и т. п.
Таким образом, использование результатов только первого этапа исследований по внедрению углеводородных газов и водорода в народное хозяйство позволят комплексно решить ряд энергетических, экономических, экологических, социальных и др. проблем, имеющих важное значение как для регионов внедрения, так и в целом для России. Коммерческие результаты от внедрения АСКТ дадут возможность получить прибыль и, следовательно, дополнительные средства для продолжения исследовательских работ.
Главным же итогом использования результатов первого этапа предлагаемых исследований является приобретение опыта массовой эксплуатации летательных аппаратов на газовых топливах в штатных условиях.
По материалам исследования «Газомоторное топливо и особенности его внедрения в авиационную технику». Авторы: В. П. Зайцев, И. Ю. Затямин, Н. Б. Костерев
