Во время холодной войны и США, и СССР исследовали жидкий водород как топливо для самолетов. Может ли это более чистое топливо наконец появиться за углом?
Немногие из тысяч туристов, ежегодно посещающих Уэст-Палм-Бич во Флориде ради его пляжей, замечают заброшенную промышленную площадку на окраине города. К воротам, блокирующим забытую подъездную дорогу, была прикреплена выцветшая табличка с надписью «КАМЕРЫ С ОРУЖИЕМ ЗАПРЕЩЕНО НА ЭТОЙ СОБСТВЕННОСТИ». Это была одна из немногих зацепок, которые когда-то скрывала фабрика удобрений Apix.
Участок площадью 10 квадратных миль (25,9 кв. км) был секретным правительственным объектом, который в конце 1950-х годов был в центре усилий Америки по слежке за советским ядерным арсеналом.
Вместо того, чтобы производить удобрения для фермеров, это место, вероятно, было крупнейшим в мире производителем жидкого водорода, который был необходим для одной цели: проекта Suntan . Это кодовое название было дано «сверхсекретному» проекту по созданию замены самолету-разведчику Lockheed U-2, который начался в 1956 году.
Lockheed CL-400 Suntan был больше похож на космический самолет или Thunderbird, чем на самолет-разведчик. Под руководством гениального конструктора Lockheed и скрытного основателя Skunk Works Келли Джонсон летательный аппарат, похожий на дротик, должен был летать со скоростью 2,5 Маха на высоте 30 000 м (100 000 футов) с температурой поверхности 177ºC (350ºF) и иметь дальность полета 4800 км (3000 миль). ) и приводиться в действие жидким водородом, то есть водородом, охлажденным до криогенных температур около -423ºF (-253C). Skunk Works, базирующаяся в Бербанке, Калифорния, была бизнесом внутри бизнеса, свободным от обычного корпоративного надзора.
Инженеры считали, что они участвуют в «водородной гонке» против Советов после того, как полеты U-2 над Советским Союзом заметили строительство заводов по производству жидкого водорода. Американцы были убеждены, что Советы разрабатывают свой собственный космический самолет/самолет-шпион или высокоскоростной истребитель-перехватчик, чтобы сбить U-2. Истинная советская мотивация стала ясна в 1957 году, когда спутник был запущен на вершине ракеты, работающей на жидком водороде.
Несмотря на то, что некоторые аспекты проекта были успешными, команда Skunk Works не смогла решить две проблемы с водородными самолетами, которые до сих пор стоят перед конструкторами. Первым был диапазон. Водород очень легкий по сравнению с керосином — традиционным авиационным топливом — и обладает в три раза большей мощностью на единицу массы, но для того же удара в самолете требуется в четыре раза больше объема, и его сложно хранить.
Жидкий водород имеет преимущества перед альтернативным газообразным водородом под давлением, которые включают более высокую плотность энергии (жизненно важную для больших расстояний) и отсутствие необходимости в прочных тяжелых баках. Тем не менее, хотя проект Джонсона для проекта Suntan был таким же длинным, как бомбардировщик B-52, он все же не мог достичь той дальности, которую Джонсон обещал ВВС США.
Вторая проблема была еще больше. Хотя оказалось возможным производить достаточное количество жидкого водорода, инфраструктура, необходимая для запуска самолета с водородным двигателем, была другим вопросом. Керосин был слишком дешев и удобен по сравнению с транспортировкой летучего жидкого водорода в огромных количествах на авиабазы по всему миру, его хранением и безопасной заправкой самолетов.
Когда команда Lockheed хранила сотни галлонов жидкого водорода на Skunk Works, приехавший ученый предупредил их: «Боже мой… вы собираетесь взорвать Бербанк». Позже об этом пророчестве им напомнили, когда вспыхнул пожар, едва не вызвавший мощный взрыв, который мог снести сверхсекретный объект, соседний аэропорт и сам Бербанк.
Теперь новое поколение инженеров с большей настойчивостью занимается полетами на водородных двигателях, вдохновленных обещанием нулевых выбросов углерода.
Со своей знаменитой прямотой Джонсон в 1958 году сказал своим казначеям в Вашингтоне, что «строит им собаку», и вернул около 90 миллионов долларов, потраченных на проект. Самолет с водородным двигателем стал одной из немногих неудач в его долгой карьере. Было легко думать, что если Джонсон и его Skunkworks не смогли заставить работать новое топливо, то не смог бы никто.
Несколько других авиационных инженеров не согласились. 15 апреля 1988 года довольно приземленный советский экспериментальный самолет Ту-155 совершил полет на жидком водороде, а модифицированный авиалайнер совершил около 100 полетов. Распад Советского Союза свернул программу, но с тех пор летало несколько небольших самолетов или БПЛА (беспилотных летательных аппаратов) с водородным двигателем. Прототип высотного, долговечного беспилотника Boeing Phantom Eye, работающего на жидком водороде, впервые поднялся в воздух 1 июня 2012 года. В последнем из девяти полетов Phantom Eye пролетел от восьми до девяти часов на высоте 16 500 м футов). Отсутствие финансирования в конечном итоге остановило беспилотник.
Теперь новое поколение инженеров с большей настойчивостью занимается полетами на водородном топливе, вдохновленное обещанием нулевого выброса углерода. (На авиационную промышленность в настоящее время приходится около 2,4% мировых выбросов углерода .)
Большинство этих конструкций вырабатывают электроэнергию, используя жидкий водород для питания топливного элемента или для сжигания в двигателе, или их комбинацию. С водородом появилась возможность переосмыслить конструкцию самолета, включая крылья, из-за необходимости хранить жидкий водород в относительно тяжелых изолированных баках. Из-за этого будущие самолеты могут выглядеть совсем по-другому, потому что в крыльях можно хранить более легкий керосин. Это также шанс переосмыслить практику, которая в некоторых случаях восходит к 1950-м годам.
«Когда процесс не обновлялся в течение очень долгого времени, вы можете столкнуться со сбоями в конструкции», — говорит Арлетт ван дер Веер, старший менеджер по радикальным инновациям в KLM Royal Dutch Airlines. «Например, мои коллеги из грузовых или наземных служб являются последней точкой в процессе проектирования самолета, и это огромная проблема. в пространство, и оно слишком узко для других решений».
Полноразмерный Flying-V будет примерно такого же размера, как Airbus A350.
В июле 2020 года группа из Делфтского университета пересекла границу из Нидерландов на авиабазу Фассберг в Нижней Саксонии, Германия, с миссией испытать радикально новую конструкцию коммерческого самолета с водородным двигателем под названием Flying-V. В задней части их фургона находилась масштабная модель шириной 3 м (10 футов) в характерной сине-белой ливрее KLM. У команды, в которую входили исследователи, инженеры и пилот дрона, была неделя, чтобы доказать, что полтора года напряженной работы в университетской аэрокосмической лаборатории не были пустой тратой времени.
Делфт является одним из ведущих технических университетов мира и имеет один из крупнейших факультетов аэрокосмической техники в Северной Европе. Flying-V был задуман студентом TU Berlin Юстусом Бенадом при поддержке KLM и Airbus. Это радикально новая конструкция, которая на 20% эффективнее обычного самолета, с пассажирской кабиной, грузовым отсеком и топливными баками, интегрированными в две части его V-образной конструкции. Полноразмерный Flying-V будет примерно такого же размера, как Airbus A350, будет перевозить такое же количество пассажиров (более 300) и сможет использовать те же выходы на посадку.
Flying-V - это тип самолета, называемый «смешанным крылом», потому что крылья и фюзеляж плавно сливаются, без четкой разделительной линии. Часто называемые летающими крыльями, они считаются естественными для водородных самолетов, потому что они более эффективны, чем традиционные самолеты с трубчатым крылом, и имеют много места для водородных баков.
Сама Airbus представила три концепта Zeroe для самолетов, работающих на жидком водороде, один из которых может быть введен в эксплуатацию к 2035 году. больше похоже на космический самолет.
FlyZero, британский проект, направленный на создание коммерческой авиации с нулевым уровнем выбросов, оценил 27 различных конфигураций водородных авиалайнеров, прежде чем создать свой собственный. Сюда входили самолеты с двумя фюзеляжами, один для водорода и один для пассажиров, вплоть до конструкции гондолы, с баками над пассажирами и летающим крылом. Его собственный, недавно представленный концепт предназначен для самолета среднего размера, летящего без пересадок в Сан-Франциско или Дели, который выглядит как раздутая версия обычного авиалайнера с ультратонкими крыльями.
Дизайн самолета — это компромисс между многими вещами, и вы можете попасть в спираль при проектировании самолета — Дэвид Дебни
Есть много других проектов будущих коммерческих самолетов с водородным двигателем. «Вопрос в том, где вы можете разместить эти водородные баки в самолете с минимальными потерями», — говорит Дэвид Дебни, главный инженер FlyZero. «Мы рассмотрели дурацкие идеи, например, где можно было бы разместить гигантский водородный бак между крыльями и иметь две кабины, одну сзади, одну спереди, но они были бы отдельными. друг к другу Это не разрешено правилами.
«Конструкция самолета — это компромисс между многими вещами, и вы можете попасть в спираль при проектировании самолета. Если вы делаете его тяжелее, вам нужна большая подъемная сила, а это означает большее крыло; большее крыло означает больший вес, поэтому вам нужна еще большая подъемная сила, но большее крыло весит больше и так далее».
Для Flying-V водород означает компромисс, который признала бы Келли Джонсон, и который не нужен версии с керосином. «Мы пожертвовали двумя вещами: во-первых, это около двух третей грузового объема [что повлияет на рентабельность]», — говорит Рулоф Вос, доцент факультета аэрокосмической техники Делфтского технологического университета. Он также является техническим руководителем проекта. «У нас будет достаточно объема для багажа пассажиров, но не более того. Второе — это объем, который у нас есть для водорода, и то, как далеко мы сможем на нем летать». В то время как Flying-V с водородным двигателем может летать из Лондона в Кейптаун без остановок, версия с керосином может долететь до Сиднея.
16 июля 2020 года тяжелая работа команды Делфта окупилась. Масштабную модель Flying-V пронесли через двери старого военного ангара на бетонный перрон в Фассберге. Вскоре после 15:30, с воем двух электродвигателей, он резко поднялся в воздух для своего успешного пятиминутного первого полета. «Полет масштабной модели демонстрирует, что Flying-V может управляться управляемо с хорошими управляемыми характеристиками без каких-либо проблем», — говорит Вос.
«Самолеты на водороде уже летают, поэтому мы знаем основы топлива, и мы знаем основы самолетов, — говорит Марк Бенталл, руководитель отдела технологий в Airbus, — и, как мы делаем с самолетами, работающими на традиционном топливе… всегда будет пользоваться преимуществами новейших технологий».
Благодаря компьютерному моделированию наш уровень понимания горения намного выше, чем во времена Келли Джонсон – Дэвид Дебни
Углеродное волокно позволяет инженерам создавать более легкие и прочные конструкции. Легко упускаемые из виду новые производственные технологии, такие как сварка трением с перемешиванием (FSW), обеспечивают более точные высококачественные соединения. Он использует тепло, выделяемое трением вращающегося инструмента, для сплавления двух разных материалов. Команда Skunk Works использовала деревянные модели и аэродинамические трубы для создания загара; сегодня средства компьютерного проектирования и моделирования помогают инженерам создавать высокоточные конструкции быстро и дешево.
«Благодаря компьютерному моделированию наш уровень понимания процессов сгорания намного выше, чем во времена Келли Джонсон, и это помогло керосиновым двигателям, но еще больше поможет самолетам с водородным двигателем», — говорит Дэвид Дебни. «Более высокая эффективность самолетов значительно помогает с объемом водородного топлива, который вам нужно разместить, и это главное, что изменилось.
«Если бы вы использовали аэродинамику и технологию двигателя 1950-х годов, для тех же миссий вам потребовалось бы намного больше водорода, и это очень плохо с точки зрения объема».
Инновации продолжаются. Ultima Forma — британская технологическая компания, базирующаяся к югу от Лондона. Топливные баки тяжелые. Водород вызывает коррозионное охрупчивание таких металлов, как сталь, но в меньшей степени меди. Ultima Forma разрабатывает ультратонкие вкладыши из меди для внутренней части легких топливных баков из углеродного волокна. Та же технология может быть использована при транспортировке водорода.
В интересах всех и всей планеты, если можно было бы поделиться уроками, извлеченными разными командами. «Я точно знаю, что лучший дизайн не может быть создан одной партией», — говорит Арлетт ван дер Веер. «Что было бы действительно прорывным, так это открытая экономика обмена знаниями, объединяющая знания разных производителей для создания лучших дизайнов».
Важно отметить, что коммерческой авиации придется учиться у других отраслей, которые каждый день работают с водородом.
Несмотря на то, что примерно 500 миллиардов долларов (370 миллиардов фунтов стерлингов) будут потрачены во всем мире на водородную инфраструктуру, не все проблемы, с которыми столкнулся Джонсон, были решены, и некоторые из них, включая то, производится ли водород локально или централизованно, как он распределяется и как хранятся в аэропорту — слишком велики, чтобы производитель самолетов или авиакомпания могли решить их самостоятельно.
Затем возникает вопрос о том, как будут заправляться самолеты с пассажирами поблизости (роботизированное оружие — одна из идей) и какие будут правила техники безопасности. «Это большая работа», — говорит капитан Дэвид Морган, директор по производству полетов бюджетной авиакомпании easyJet. «И это то, что мы собираемся начать делать задолго до того, как на место происшествия прибудет первый самолет».
Важно отметить, что коммерческой авиации придется учиться у других отраслей, которые каждый день работают с водородом. «Одна из причин, по которой мы рано привлекли внимание общественности к Zeroe, заключалась в том, что нам нужно работать как экосистема, чтобы это произошло», — говорит Бенталл. Начались переговоры между аэропортами, авиакомпаниями и производителями.
Есть много причин, по которым этого может не произойти, но есть хорошие признаки того, что где-то в 2030-х годах в воздухе появятся коммерчески жизнеспособные самолеты с водородным двигателем, хотя первоначально они могут выглядеть как самолеты, которые сегодня выстраиваются в очередь в аэропортах, таких как Хитроу.
«Есть несколько действительно интересных конструкций, футуристических конструкций, которые подходят для использования водорода», — говорит Морган. «Однако, когда вы переходите на водородный парк, вы не хотите делать все настолько радикально, чтобы переход превратился в настоящую проблему».
«Безопасность — единственная цель всего, что мы делаем… но в ходе своего исследования я обнаружил, что некоторые взгляды и подходы из 1960-х или 1970-х годов до сих пор преобладают, несмотря на все новые методы тестирования», — говорит ван дер Веер. «Если бы я сконструировал самый совершенный самолет… но у него нет фюзеляжа, он не цилиндрический, это был бы случай, когда компьютер сказал бы «нет». Органам по сертификации необходимо разработать методы сертификации конструкций самолетов, которых они никогда раньше не видели. "