Криогенные перспективы

Последние десятилетия весь мир ищет новые источники энергии, желательно возобновляемые и экологически чистые. Двигатели, которые будут работать, используя их в качестве топлива, должны отличаться не только повышенной экономичностью и высоким КПД, но и в первую очередь минимально влиять на окружающую среду. Одним из самых перспективных и инновационных направлений в этой сфере справедливо считают использование водородного топлива в авиации.

Рожденный холодом

Первому полету первого в мире самолета на водородном топливе Ту-155 в апреле исполнилось 33 года. Тогда, в 1988-м, эта уникальная машина продержалась в воздухе 21 минуту. Все, кто был на борту, находились в жутком напряжении: водород, на котором летел самолет, крайне взрывоопасен, а в салоне туполевцы установили криогенные баки на 20 куб. м сжиженного газа. Тогда с легкой руки местной аэродромной братии самолет прозвали «летающей Хиросимой», но, к счастью, испытательный полет прошел благополучно. После этого Ту-155 навсегда оказался вписан золотыми буквами в историю мировой авиации как первый в мире лайнер на криогенном топливе.

Топливом в таком двигателе служит сжиженный газ, который хранится при крайне низких температурах. Разработчики решили использовать водород, поскольку он превышает керосин по теплотворности на 15%, а для атмосферы практически безвреден: в результате его горения выделяются только водяной пар и крайне незначительное количество оксида азота.

Создатели первого отечественного криогенного лайнера тогда превратили пассажирский Ту-154 в летающую лабораторию. В правую мотогондолу установили турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88, специально разработанный в двигателестроительном Конструкторском бюро имени Кузнецова (Самара) на базе серийного НК-8–2. Чтобы выполнить весь объем работ, самолет почти полностью переделали. Баки с топливом заняли место пассажирского салона, в котором установили мощную теплоизоляцию, ведь водород в сжиженном состоянии необходимо хранить при температуре ниже –253°С. Для управления агрегатом была создана специальная гелиевая система, которая полностью заменила опасную в такой ситуации электропроводку, а во избежание утечки газа отсек постоянно продували азотом и воздухом.

В июне 1988 года программу летных испытаний на жидком водороде полностью завершили. Тогда на Ту-155 было внедрено свыше 30 новейших систем, самолет совершил более 100 полетов, 5 из которых — на жидком водороде, в ходе испытаний на нем зафиксировали 14 мировых рекордов.

Впрочем, на этом этапе история машины не закончилась: чуть позднее ее системы доработали для полетов на другом виде криогенного топлива — сжиженном природном газе (СПГ). Он оказался дешевле не только дорогого водорода, но и керосина. Кроме того, это топливо менее пожароопасно и проще в эксплуатации, а хранить его можно при температуре всего –160°С. В январе 1989 года самолет совершил свой первый полет уже под другим названием — Ту-156. Он получил уже не один, а целых три новых турбореактивных двигателя НК-89. От своего предшественника новое «сердце» машины отличалось тем, что могло работать и на керосине, и на СПГ, причем переключить самолет с одного вида топлива на другой можно было за несколько минут. Это было удобно, ведь заправиться газом можно было не на каждом аэродроме. Правда, природный газ намного коварнее керосина: традиционное авиационное топливо при протечке редко приводит к взрывам, а СПГ при возникновении малейшей трещины быстро заполняет все отсеки планера — и опасность взрыва возрастает многократно. Именно поэтому в самолете установили специальные газоанализаторы и принудительную вентиляцию.

Всего на Самарском авиазаводе удалось собрать три Ту-156. Началась их сертификация и опытная эксплуатация, но дальше дело не пошло: финансирование закончилось.

Газовое продолжение

Кроме Ту-155 и Ту-156 были и другие проекты отечественных гражданских самолетов на криогенном топливе. Например, в середине 1990-х был спроектирован самолет Ту-136 с турбовинтовыми двигателями, который должен был летать и на керосине, и на СПГ. Он имел необычную компоновку — так называемую дупланную схему, в которой два турбовинтовых двигателя ТВ7–117СФ общей мощностью более 6500 л. с. совмещались с топливными баками большого объема. Лайнер был рассчитан на перевозку 53 пассажиров или 5 тонн груза на дальность до 2000 км. Серийное производство должны были начать в 2003 году в Самаре или Саратове, но в итоге проект так и остался на бумаге.

Такая же судьба постигла еще один масштабный проект — Ту-206 на СПГ, который планировали реализовать уже в начале 2000-х. Конструктивно самолет создавали на базе серийного Ту-204–100, но это уже был не узкофюзеляжный, а широкофюзеляжный лайнер. В отличие от других моделей, машина должна была получить двухуровневую компоновку: на первом этаже планировалось разместить пассажирский салон на 210 мест, а на втором — огромные внешние баки для СПГ. Они образовывали огромный горб, за что проект получил негласное прозвище «белуга».

Самолет планировали оснастить двумя ТРДД ПС-92. По проекту он мог летать на дальность до 5300 км, при этом сжиженный газ позволял снизить объем токсичных выбросов разного рода в четыре раза, а также давал двойную экономию топлива. Несмотря на то что эта машина так и осталась нереализованной, в 2016 году ЦАГИ имени Жуковского вернулся к этому проекту и предложил доработать его: для снижения лобового сопротивления добавить в хвостовую часть турбовентиляторные двигатели с ультравысокой степенью двухконтурности, а также установить Т-образное хвостовое оперение. Кроме того, самолет предложили оснастить электрическими турбовентиляторными двигателями, работающими на водороде.

В 2018 году ЦАГИ имени Жуковского снова вернулся к теме лайнера на СПГ. Правда, теперь уже речь шла о легком конвертируемом самолете с внешним баком для топлива, который планировали установить на профилированных стойках над фюзеляжем. Тогда модель машины проходила процесс продувки в аэродинамической трубе. По проекту криоплан получит Н-образное хвостовое оперение, сможет трансформировать салон под пассажирские или грузоперевозки без внесения конструктивных изменений. Кроме того, он будет способен перевозить 50 пассажиров на 1500 км, а 6 тонн груза — на 1000 км на крейсерской скорости 480 км/ч. Три года назад отмечалось, что эта машина заменит Ан-24 и Ан-26 на российском рынке региональных и местных перевозок, но по последней информации, модель до сих пор проходит испытания в ЦАГИ.

Криопланы на Западе

На Западе сегодня тоже есть проекты криопланов. Кстати, часть из них появилась на свет благодаря мысли советских ученых. После того как в 1988 году Ту-155 переделали под СПГ и лайнер совершил 12 полетов, один из бортов у советского правительства выпросил во временную аренду концерн Airbus и испытывал в своих целях. Не исключено, что спустя несколько десятилетий эти исследования и подвигли компанию на собственные разработки криогенного самолета, которые недавно и представили публике. Всего у Airbus три концепции собственного лайнера, который будет летать на водороде, их объединили под названием ZEROe (от английского «zero emissions» — «нулевые выбросы»).

Наибольший интерес представляет версия криоплана от Airbus, который обещают выполнить по схеме «летающее крыло». В воздух машину будут поднимать турбовентиляторные двигатели, которые позволят перевозить до 200 пассажиров на расстояние более 3700 км. Такую же дальность и пассажировместимость планируют реализовать в проекте более традиционной компоновки под названием Airbus A320neo. Его планируют снабдить модифицированными газотурбинными силовыми установками, а водород будет храниться в баках в хвостовой части машины. Эти же силовые установки планируют установить и на третий вариант лайнера, который будет летать на дальность 1800 км с сотней пассажиров на борту. Все три модификации европейцы обещают поднять в воздух в 2035 году.

Тем временем еще один европейский самолет на криогенном топливе уже встал на крыло, причем случилось это почти пять лет назад. Словенский пассажирский самолет HY4 взлетел 29 сентября 2016 года и стал первым в мире летательным аппаратом, чей электродвигатель запитан от водородных топливных элементов. Силовая установка лайнера, который создали на базе электрического самолета Pipistrel Taurus Electro G4, работает на низкотемпературных мембранных топливных элементах с протонообменной мембраной. Проще говоря, двигатель преобразует энергию водорода в электричество, которое приводит в движение лопасти винта машины. В баках HY4 9 кг водорода под давлением. Правда, запас топлива позволяет машине поддерживать только горизонтальный полет, а взлететь ей помогает литий-полимерная аккумуляторная батарея емкостью 21 кВт•ч. В планах у словенцев — создать региональный криоплан для перевозки 19 человек.

Европейцам на пятки наступают американцы. Правда, за океаном решили пойти по более безопасному пути и создали беспилотную машину. Например, компания AeroVironment уже испытала криодрон в небе. 5 августа 2010 года беспилотник Global Observer HALE впервые поднялся в небо и за 11 лет неплохо себя показал, выполняя морские патрульные миссии, мониторинг ураганов, а также проводил сельскохозяйственные исследования. Он оснащен двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде, и генератором, питающим восемь электродвигателей, которые, в свою очередь, и обеспечивают полет машины. Полет такой машины без подзарядки может длиться неделю на высоте 20 км.