Для по-настоящему прогрессивного человека нет транспорта ужасней чем авиационный. Не потому что самолеты падают и разбиваются, а потом что производят огромное количество парникового газа CO2, тем самым нагревая климат планеты. Действительно, сжигающий сто тонн керосина за рейс авиалайнер экологичным точно не навоюешь. Но европейский концерн Airbus знает что делать и уже через 15 лет готовится начать выпускать самолеты с «нулевыми выбросами СО2». Летать они будут, разумеется, на водороде, производимом из воды.
Проблема в том, что не способные на инновации учёные и инженеры из СССР протестировали водородные самолеты еще 30 лет назад и пришли к неутешительным для современных европейцев выводам – нет не полетит. Во всяком случае не в коммерческих целях. Однако на тоталитарном российском газе, метане т.е., вполне можно попробовать и даже сэкономить таким образом хорошие деньги.
Вообще, авиастроение показательный пример крайне консервативной отрасли. Несмотря на, казалось бы, рыночную конкурентную среду, эволюционирует она очень медленно и только по линии мелких улучшений. Общая форма авиалайнеров остается неизменной с 1950-х годов – с первого реактивного британского Сomet, производившегося той же фирмой, что делала отличные деревянные бомбардировщики «Москито» во время Второй мировой. А ведь именно форма определяет основные аэродинамические особенности самолета. Круглая в сечении «труба» фюзеляжа, лишь слегка скошенные назад крылья, под которыми подвешены топливные баки и моторы, – все это остается в индустрии вот уже 70 лет подряд.
Однако время пришло, и под давлением настроенной спасти природу общественности приходится что-то менять. Засунуть в пассажирский самолет на 100 и более пассажирских мест литий-ионные батарейки можно и не пытаться. Накопитель энергии, эквивалентный сотне тонн керосина (столько топлива, например, требуется Airbus A330) весил бы 2 000 тонн. Сам лайнер весит примерно 250 тонн – на него невозможно навьючить ещё пару тысяч.
Сжижений газ? Вы не поверите, Академия наук СССР в ещё в 1970-е инициировала программу внедрения сжиженного топлива – включая водород – в самые разные отрасли экономики. Банально хотели сэкономить народны деньги - газовое топливо и тогда, и сегодня было много дешевле керосина или бензина. И в КБ Туполева (кстати куда оно делось?) в рамках программы «Холод» был создан водородный авиалайнер Ту-155 (на базе Ту-154). Самолет благополучно взлетел в 1988 году – за 47 лет до обещаемого Airbus дебюта его водородных воздушных автобусов. Однако на жидком водороде он провел всего пять полетов – и вот почему.
Когда мы говорим о топливе летательного аппарата, то важнейший показатель – теплота сгорания в мегаджоулях на литр объема. Для жидкого водорода она меньше 9 мегаджоулей на литр, а для авиационного керосина – 35 мегаджоулей на литр. Разница - четырехкратная. При этом кубометр жидкого водорода весит 71 килограмм – то есть довольно большой (20 кубометров), по меркам авиации, топливный бак Ту-155 вмещал всего 1 400 килограмм топлива! Базовый Ту-154 брал на борт почти сорок тонн керосина.
Да, водород при сгорании давал 121 мегаджоуль на килограмм (не путайте с литрами), а керосин – 43-46 мегаджоулей на килограмм. Но за счет в 6 раз меньшей плотности топлива и необходимости бака с толстыми стенками с вакуумной изоляцией, резервуар для жидкого водорода все равно выходил слишком большим, вчетверо больше керосиновых. Кроме того, керосин вы можете залить в крылья самолета, а жидкий водород, да и любой другой газ – нет.
Математика не сошлась. Все это поставило крест на многих проектах туполевцев, например, на воздушно-космическом самолете Ту-2000, способного выходить в космос, но при этом по-самолетному.
На проблему отреагировали быстро. Уже к 1989 году водородный бак Ту-155 заменили на метановый и продолжили испытания, выполнив еще 95 полетов. Теплота сгорания килограмма CH4 – вдвое ниже, чем у Н2. Но в шесть раз большая плотность жидкой фазы газа легко перебила этот фактор: бак для жидкого метана может быть в 2,5 раза меньше, чем для водорода. К тому же метан становится жидким при −161,5°C, а водород – при −252,9 °C. Этот огромный разрыв ведет к большой разнице в экономике: комплект для водородной заправочной станции даже самых малых размеров стоит миллионы долларов, а для жидкого метана – в десть раз меньше.
Стенки топливного бака с жидким СН4 на Ту-155 потребовали всего 5 сантиметров теплоизоляции – и никаких сложностей с вакуумом. Метановый бак на 20 кубометров позволял лететь два часа подряд. Далее в КБ Туполева создали проект Ту-156, с 16 тоннами метана на борту (эквивалент почти 20 тонн керосина), а позднее – и Ту-206, с 22.5 тоннами метана на борту (почти 54 кубометра).
А что, если попробовать создать самолет не по классической схеме авиалайнера, а сделать, например, по схеме «несущего фюзеляжа»? В СССР был и такой проект. М-60 ОКБ имени Мясищева: за счет уширенного фюзеляжа, создающего подъемную силу, вполне реально получить куда больше внутреннего объема именно в фюзеляже, куда можно поместить газовые баки – как мы помним, в крыло их, в отличие от керосиновых, не поместить.
Другой вариант: создать самолет с фюзеляжем «летающее крыло», примерно как у ДСБ-ЛК разработки конструктора Москалева 1950-х годов. В такой схеме фюзеляж почти «плоский», а собственно крылья невелики, поскольку очень большую часть подъемной силы создает именно фюзеляж. ДСБ-ЛК должен был летать со скоростью в 2,8 раза быстрее звука на высотах до 35 километров. Именно для обеспечения подъемной силы на такой высоте фюзеляж самолета и выполнен в виде огромного летающего крыла. Разумеется, пассажирским лайнерам такие характеристики не нужны. Но для полетов на дозвуке летающее крыло можно сделать заметно более толстым, что позволит не только разместить в фюзеляже сотню-другую кубометров сжиженного метана, но и обеспечить больший комфорт пассажирам.
Однако наступил 1991 год и теперь мы с удивлением читаем о достижениях советских авиаконструкторов, а россияне моложе 25 и знать не знают об отечественных авиалайнерах КБ Туполева.
Интересно, что на Западе советский опыт изучают единицы. Илон Маск, разве что, осваивавший советские учебники по ракетостроению, и почерпнувший много идей и решений у С. Королёва. Будет ли наступать на водородные грабли Airbus?
Да, можно с заметной долей уверенности сказать, что водородная авиация не взлетит и в Европе – там на сегодня просто не представлено ни одного проекта водородного авиалайнера, который бы учитывал проблему нехватки места в самолетах традиционной компоновки. Скорее всего о водородных опытах с Ту-155 никто всерьез в Airbus не задумывался, и все описанные выше проблемы с жидким водородом они начнут осознавать на своем опыте уже в 2030-х, ближе к обещанным постройкам прототипов.
Типичные европейские бизнесмены, топ-менеджеры корпорации и даже чиновники в последнюю очередь склонны к рискованным инвестициям, связанным с экспериментами с формами фюзеляжей, двигателями и тому подобным. Как следствие, западные строители авиалайнеров сегодня столь же консервативны, как западные же ракетостроители ”домасковской” эры. Нет конкуренции - нет инноваций? Скорее нет постановки задачи, исключая, разумеется, приносить прибыль компании и дивиденды акционерам.
Но, похоже, сегодня зелёные настроены серьёзней чем когда бы то ни было. И в принципе, метан может оказаться неплохим решением. Из углекислого газ и водорода можно производить метан. То есть получив водород с помощью «зеленого» электричества, его можно будет использовать для получения столь же «зеленого» (а не ископаемого тоталитарного) метана. При этом углекислого газа при сжигании будет выделяться примерно столько же, сколько изыматься из атмосферы для синтеза. Каких затрат энергии потребует такой производство - не сообщается. Но стоить зеленый метан будет явно дороже чем керосин, и метан обычный - ископаемый. Но у европейцев лишние деньги вроде как есть (а тех у кого нет - сами виноваты).
Это практически единственный мыслимый на сегодня выход в авиалайнерной индустрии. Причем он может иметь косвенные плюсы и для нас в России: после появления метановых самолетов на Западе на них неизбежно перейдем и мы. А метана, как известно, у нас более чем достаточно. То есть в перспективе нескольких десятков лет в России вполне могут уменьшиться цены на авиабилеты – по крайней мере, для внутренних линий.
Либо человечеству придется пересаживаться на скоростные поезда, что тоже неплохо вариант.
Источник ©Naked Science
