Кто этот ваш криогенное топливо?
Наверное, во многих умных и посвященных головах иногда зрела идея о том, почему бы не использовать в качестве топлива для реактивных самолетов, например, природный газ. Или водород. Такие виды топлив называются криогенными (далее КТ) – они хранятся в сжатом и охлажденном виде – тогда они приобретают жидкое агрегатное состояние. Жидкими они имеют меньший объем, могут прокачиваться по трубопроводам и пр. Очень удобно, экологично и даже может быть дешево. К тому же, ресурсы нефти подходят к концу, требуется альтернатива.
Суть использования КТ в целом аналогична применению обычного керосина. Топливо подается в форсунку и распыляется ею. Важная поправка – при попадании в камеру сгорания оно тут же переходит в газообразное состояние, что намного улучшает горение – газ лучше смешивается с воздухом и имеет большую полноту сгорания. Далее все происходит как в обычном газотурбинном двигателе.
В чём проблема?
Интересной является и идея охлаждения прокачиваемого через последние ступени компрессора воздуха при помощи КТ, которое холодным проходит через направляющие аппараты и охлаждает их, что охлаждает воздух и соответственно увеличивает эффективность работы компрессора, а потом подается уже на форсунки.
Почему же это все (а идеи то не первой свежести) не используется широко в современной и перспективной авиации? Какие проблемы нужно решить для внедрения криогенных топлив?
15 апреля 1988 года экипаж летчика-испытателя Владимира Севанькаева поднял в небо экспериментальный самолет Ту-155 с тремя двигателями, один из которых работал на жидком водороде. Это считается первым в мире полетом на криогенном топливе
Проблема № 1 Цифры не дающие авиации развиваться
Разберемся с основной проблемой – объемом запаса топлива. Исходя из плотности и теплоты сгорания топлива рассчитаем эквивалент криогенной заправки для серийных самолетов, работающих на керосине (будем считать, что все перечисленные самолеты заправляются ТС-1).
Представляете ли себе МиГ-29, у которого баки как минимум в 3,41 раза больше по объему, однако дальность полета та же? Или Ил-76МД, в который ничего не поместится из-за баллонов с ЖВ (жидкий водород) … Растет объем, меняются аэродинамические характеристики, ну и растет масса самолета – баллоны все-таки не из резины делаются. Ну или можно не менять характеристики, а пожертвовать дальностью полета, объемом отсеков для целевой нагрузки и пр.
Сравнительно приемлемым в плане объема является использование СПГ (сжиженный природный газ) для эксплуатации самолетов транспортного назначения, пассажирских самолетов. В принципе, возможно на этом у эксплуатирующих организаций даже получится экономить. Но что же не так?
Проблема вторая — температурная
Следующая проблема – низкая температура вытекающего из баллона газа. Она в состоянии вызывать разрушение элементов топливной системы, если они неравномерно нагреты, при утечке во время заправки (зарядки) и попадании на человека – вызвать тяжелые обморожения, при вдыхании испарившегося газа – поражение легких. Ну и также при наличии в трубопроводах влаги вызвать моментальное её замерзание и закупоривание, что может случиться и в полете. Вопрос влаги в системе решается неоднократным проливанием жидким гелием. Но… Во-первых, где его брать в таких количествах – он очень дорогой, не особо доступный в таком агрегатном состоянии. Во-вторых – предполетная подготовка увеличивается на несколько часов, требует дополнительных средств наземного обслуживания – это полностью исключает военное применение КТ в авиации: вылет по тревоге или вывод из-под удара становится невозможным.
Это скорее проблема конструкторов
Классическая двигательная автоматика на современных ГТД представляет собой системы типа насосов-регуляторов. Это, если говорить очень грубо – гидравлические компьютеры. Керосин в них является рабочим телом и используется для расчета и определения параметров, передачи команд, для выполнения операций по повороту лопаток компрессора, изменению сечения сопла и пр. Очень удобно – система управления использует для своей работы то вещество, потоком которого оно управляет. Получится ли так сделать с газом, хоть и сжиженым? Нет, не получится. Нужно искать новые подходы к построению САУ работой двигателя. Подходы эти будут, скорее всего, менее удачными, менее надежными.
О! Это уже к инженерам
Газ в качестве горючего доставляет очень много эксплуатационных проблем инженерам. Как выявить утечку до того, как она вызовет взрыв? Керосин, текущий из трубки, видно при осмотре, а газ? Особенно с учетом того, что природный газ и водород взрывоопасны. Как проверить качество заряжаемого газа? Отстой слить не получится, а никто не гарантирует отсутствие в КТ воздуха, паров воды или иных нежелательных примесей. Вообще факт наличия примесей в газе можно назвать недостаточной заправкой. Представьте себе, что самолет недолетает до аэродрома посадки сотню километров и у него кончается топливо – кто в этом виноват, как это выявить и предотвратить? Скорее всего никак…
Взрывоопасная проблема
Наконец, криогенное топливо взрывоопасно при утечке. Любое повреждение трубопроводов или баков может привести к утечке, быстрому испарению. Газовоздушная смесь в состоянии взорваться от искры или открытого огня – это небезопасно при аварийной посадке, попадании в боевой самолет поражающих элементов, ну и даже в обычной эксплуатации.
В сухом остатке или пробежимся по выводу
Много вопросов нужно решить, чтобы дать зеленый свет экологически чистым и сравнительно дешевым КТ. Необходим в первую очередь безболезненно приобретенный опыт эксплуатации таких летательных аппаратов – лидерные испытания в разных условиях. Неприменимость таких самолетов для военного применения очевидна, но выявление всех слабых мест за счет жизни пассажиров гражданских самолетов неприемлемо. Далее – необходимо снижение стоимости ЖВ (о стоимости ЖВ, добытого экологически чистыми способами, мы говорили) и добыча его в нужных объемах.
Какие же перспективы их решения?
- Применение в качестве такого топлива СПГ, а не ЖВ. Во-первых, он имеет не столь низкую температуру – до -163°С против -253°С у сжиженного водорода. Это снимает некоторые ограничения. К тому же, использование СПГ намного доступнее из-за его дешевизны по сравнению с «экологически чистым» водородом и развитой добычи. Опыт эксплуатации летательных аппаратов на СПГ даст хороший толчок к развитию летательных аппаратов на водороде.
- Применение двух силовых установок. Первая на традиционном топливе, вторая на криогенном. Допустим, при трехдвигательной схеме 2 двигателя на керосине, 1 на КТ. При четырехдвигательной – 2 на керосине, 2 на КТ. Это позволит уменьшить опасность катастрофического исхода при отказах двигателей, автоматики. Также есть возможность осуществить перекрытие кранов подачи КТ при разгерметизации трубопроводов или сброс КТ при повреждении бака с утечкой топлива. В таком случае возможна посадка на ближайшем аэродроме на оставшихся двигателях. При этом будет накапливаться опыт эксплуатации, а КТ потребуется как минимум наполовину меньше, что позволит со временем развить добычу КТ в нужных объемах. Ну и запасы топлива с увеличенным объемом баков не сильно повлияют на габариты самолета.
- Первичное накопление опыта использования КТ на региональных самолетах, далее – на среднемагистральных.
- Необходима проработка вопросов возможных утечек КТ – установка в нужном количестве газоанализаторов, изоляция топливных отсеков, организация непрерывной продувки отсеков с трубопроводами и баллонами.
- Альтернативный вариант – внедрение КТ в управляемое воздухоплавание. Дирижабли не имеют объемных ограничений на размещение топлива.
Статья была взята с сайта warsong.online