Компания Airbus вот уже несколько лет занимается своим проектом ZEROe - созданием коммерческого самолёта на водородном топливе. В самом начале проект служил площадкой для опробования трёх вариантов самолёта: с водородными турбодвигателями, турбовинтового и даже конструкцию с интегрированным крылом и фюзеляжем. Результаты испытаний заставили инженеров сместиться в сторону электрических силовых установок на топливных элементах, где водород используется для выработки электроэнергии для винтов, а сам проект потянул за собой создание целой инфраструктуры: от водородных заправок до самих лайнеров.
Я давно наблюдаю за тем, как водородное топливо становится более дешёвым в производстве. Вместе с этим постоянно расширяется область его применения. Китайские инженеры научились довольно дёшево извлекать водород из сельхозотходов (обзор), инженеры из Канады собрали подводный водородный беспилотник (обзор), а наши отечественные инженеры собрали вездеход на водородном топливе (обзор). Раз на воде и на земле уже появились машины, работающие на водороде, пора бы им появиться и в небе.
Для авиационной отрасли водород - хороший вариант энергоносителя. Он лёгкий, ёмкий и способный обеспечить приемлемую дальность полёта. Автомобильный сегмент может обойтись без лёгкого топлива, променяв его на электрическую батарею. Но для авиации такое решение неприемлемо из-за слишком большого веса батарей и ограниченного запаса хода.
Скорее всего, такие доводы стали определяющими для авиастроительного гиганта Airbus, запустившего проект ZEROe по созданию коммерческого водородного самолёта. Изначально самолёт планировали выпустить к 2035 году, теперь сроки сдвинулись ближе к концу 2030-х — 2040 году, а сама конструкция всего самолёта в целом претерпела кардинальные изменения.
Самолёты с нулевым выбросом.
Каким бы дешёвым не становился водород, он всё ещё дороже керосина. Сейчас его производство в зависимости от метода оценивается от 1,5 до 9 долларов за килограмм (обзор). На появление проекта ZEROe в 2020 году оказали влияние очередные европейские поборы за выброс CO₂. Дело в том, что по расчётам дотошных европейцев, авиация отвечает примерно за 2,5% мировых выбросов CO₂. Введение поборов на авиакомпании заставляет отрасль искать альтернативу керосину.
Биотопливо и синтетический керосин способны смягчить проблему, но не устраняют выбросы полностью. Водород же при определённых способах его производства не оставляет углеродного следа. Поэтому для Airbus он стал самым очевидным вариантом.
Стоит добавить, что изначально проект ZEROe не планировал создание самолёта на водородном топливе. В своём первоначальном виде проект служил площадкой для изучения двух технологий водородной силовой установки: прямого сжигания водорода в модифицированных газотурбинных двигателях и использования водородных топливных элементов для выработки электроэнергии.
Три варианта водородного самолёта.
Две упомянутые чуть выше технологии водородной силовой установки предполагали три возможных варианта самолёта, отличающиеся по аэродинамической схеме и типу силовой установки.
Первый вариант инженеры Airbus назвали турбовентиляторным самолётом. Это привычный всем классический узкофюзеляжный лайнер с двумя двигателями под крылом, с той лишь разницей, что в двигателях предполагалось сжигать водород, а не керосин.
Второй вариант — турбовинтовой самолёт — предполагал сжигание водорода в газотурбинных двигателях, приводящих в движение воздушные винты. По всей вероятности, самолёты должны были быть небольшими и использовались бы для местных перелётов.
Третий вариант - самолёт с интегрированным крылом и фюзеляжем - выглядел бы несколько фантастично. Концепция предполагала создание самолёта, корпус которого создавал бы подъёмную силу, а его необычная форма позволяла бы разместить объёмные водородные баки внутри конструкции.
Все три варианта оказались рабочими и позволили инженерам Airbus более детально исследовать аэродинамику, термодинамику и особенности хранения водорода в совершенно разных компоновках. В итоге сошлись на одной окончательной архитектуре самолёта, но события 2025 года заставили всё полностью пересмотреть.
Поворот 2025 года.
К 2025 году компания Airbus официально объявила, что в качестве силовой установки будущего коммерческого водородного самолёта выбраны водородные топливные элементы.
Принцип работы такой системы отличается от привычного двигателя внутреннего сгорания. Водород, хранящийся на борту в криогенных баках при температуре –253 °C, подаётся в топливный элемент, где в ходе управляемой химической реакции с кислородом, отбираемым прямо из окружающего воздуха, вырабатывается электричество. Единственным побочным продуктом реакции является чистая вода — ни углекислого газа, ни сажи, ни оксидов азота. Вырабатываемое электричество подаётся на электродвигатели, вращающие воздушные винты.
Теперь проектируемый самолёт будет оснащён четырьмя электрическими винтовыми движителями - устройствами, которые преобразуют энергию двигателя в силу тяги, толкающую самолёт вперёд. каждое из которых будет приводиться в движение собственным независимым блоком топливных элементов. Выбрали такую модульную архитектуру по двум причинам: во-первых, из-за повышенной надёжности и отказоустойчивости, а во-вторых, её проще сертифицировать.
На выбор в пользу топливных элементов, а не прямого сжигания водорода, повлияло сразу несколько факторов, установленных в ходе ранних испытаний и исследований. Дело в том, что топливный элемент имеет более высокий КПД преобразования химической энергии в полезную работу. К тому же отсутствие высокотемпературного горения полностью исключает образование оксидов азота, которые могут появляться в водородных турбинах. В дополнение ко всему, электрическая трансмиссия даёт инженерам больше свободы при компоновке самолёта и интеграции силовой установки.
Криогенные баки и мегаваттный элемент.
Переход на водород требует решения сразу двух, связанных между собой, задач: как хранить топливо и сколько его можно закачать, чтобы масса самолёта не стала слишком большой и чтобы топливные баки не повлияли на габариты, а также как это топливо преобразовывать в энергию?
Чтобы водород находился в жидком состоянии при атмосферном давлении, его необходимо охладить до –253 °C. А затем эту охлаждённую жидкость закачать в хранилища на борту самолёта.
Инженеры Airbus почти решили эту задачу. Сейчас компания испытывает сразу несколько вариантов криогенных баков, способных удерживать столь низкую температуру на протяжении всего полёта с минимальными потерями на испарения.
Не менее сложной оказалась задача создания топливного элемента аэрокосмического класса. Сами по себе водородные топливные элементы уже давно созданы и активно применяются, в том числе в автомобилях. Тем не менее, то, что годится здесь - на земле для автомобиля, совсем не подходит для авиации. Для авиации существуют очень жёсткие требования по удельной мощности и безопасности.
В 2023 году Airbus совместно с немецкой компанией ElringKlinger на пару создали и успешно испытали демонстрационный образец топливного элемента. В ходе испытания топливный элемент вышел на рабочий режим с мощностью 1,2 мегаватта. После этого элемент перешёл к доведению до серийных спецификаций, включая ресурс, надёжность и снижение массы.
Водородные заправки.
Создать самолёт на водородном топливе - это только половина дела. Его ещё нужно где-то заправлять. Фактически, проект ZEROe потянул за собой создание целой заправочной инфраструктуры. Осознавая это, компания Airbus параллельно с самолётом стала строить наземную водородную заправочную систему, дав ей название Hydrogen Hubs at Airports ("Водородные хабы в аэропортах").
Задача совсем не простая. Компании надо проработать и согласовать весь путь водорода: от производства с использованием возобновляемых источников энергии, так называемый "зелёный" водород, до хранения, сжижения и отправки непосредственно в воздушную гавань. По последним данным, к программе уже подключились более 220 аэропортов, а также многочисленные энергетические компании.
Так всё вместе и повлияло на перенос срока выпуска самолёта с 2035 года на 2040-ой.
Заключение: затянувшийся взлёт.
Программа ZEROe - это путь водородного топлива в авиацию. Рано или поздно, но водород туда доберётся. Сейчас быстрой реализации проекта мешает сложность его внедрения в консервативную и требовательную к безопасности авиаотрасль. За пять лет с момента своего старта проект перерос в создание целой инфраструктуры. Теперь это не просто самолёт на водородном топливе. Это ещё и сеть заправочных станций с логистикой от производителей топлива. Из-за разрастания масштаба проекта компании пришлось немного подвинуть сроки с 2035 года ближе к 2040 году.
Если Airbus и его многочисленным партнёрам удастся решить все свои амбициозные задачи, авиация получит невероятный самолёт, который летает практически бесшумно, без выбросов углекислого газа и с водяным паром в качестве единственного выхлопа.
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Помочь умственному развитию автора можно здесь.
На что собираются деньги написано здесь.
Чтобы не пропустить новые интересные публикации рекомендую Вам подписаться на телеграм-канал, указанный в профиле Дзен-канала.