Создание инфраструктуры для использования криогенного топлива в гражданской авиации

Производство авиационных двигателей стремительно развивается. Основным источником этой разработки является совершенствование технических решений и приближение к идеальному циклу турбореактивных двигателей (турбореактивных двигателей). Традиционным топливом для турбореактивных двигателей является топливо TS-1 и его зарубежные аналоги. Криогенное топливо имеет очень сложные требования к хранению, обращению и транспортировке, что делает невозможным его широкое использование в гражданской авиации. Использование в качестве авиационного топлива различных газов (водорода, метана, пропана и др.) позволит получить на летательных аппаратах (ЛА) много преимуществ:

• -    уменьшить запас топлива на борту;

• -    осуществить эффективное охлаждение двигателя, поднять температуру газа перед турбиной и повысить, тем самым, КПД силовой установки;

• -    создать комфортные тепловые условия работы бортового оборудования, способствуя повышению его надежности и снижению массы.

Однако использование различных газовых топлив может существенным образом повлиять на конструкцию, энергетику, экономику и эксплуатационные особенности ЛА. Причем чем ниже температура кипения и уже температурный диапазон жидкого состояния исследуемого газа, тем большее количество проблем придется решать при проведении НИОКР и, следовательно, тем дороже будет обходиться его практическое внедрение.

В настоящее время даже частичный перевод авиации на криогенное топливо, такое как водород и метан, представляет собой сложную научную, техническую и организационную проблему. Все это требует довольно больших затрат на решение прочностных, материаловедческих, конструкционных, температурных, аэродинамических, эксплуатационных, аэродромных, транспортных и других задач с учетом их реализации при низком (криогенном) уровне температур.

В настоящее время, в условиях ограниченных финансовых ресурсов, нашей стране необходимо построить новую инфраструктуру, связанную с внедрением газотопливных технологий в гражданской авиации, а также оценить имеющиеся финансовые возможности и эффект, в том числе коммерческий, который можно получить от реализации достигнутых результатов.

В то же время многие эксплуатационные особенности использования газового топлива, связанные с хранением и охлаждением перед заправкой, с охлаждением бортовых баков, с заправкой, с элементами безопасности при обращении и т.д., легче, проще и дешевле исследовать при более высоком уровне температуры (используя этот уровень в качестве модели топлива с более низкой температурой кипения). Поскольку жидкий водород имеет более чем в 10 раз меньший удельный вес, чем керосин, использование водородного топлива может привести к снижению взлетной массы самолета до 30% [9].

Водород требует топливных баков значительно большего объема, чем керосин, а это приводит к увеличению габаритных размеров самолета и, соответственно, увеличению аэродинамического сопротивления. Самолет, работающий на водородном топливе, вероятно, был бы примерно на 7 м длиннее своего традиционного аналога [8]. Стоит отметить ряд недостатков, которые были выявлены на опытных образцах самолетов. Приведенные выше летательные аппараты имеют ограничение по пассажировместимости и мощности двигателей. Применяемые двигатели являются электрическими. С одной стороны, они просты в использовании и обслуживании. С другой – уступают по удельной мощности авиационным ГТД. Причем в расчет удельной мощности электродвигателей не включается вес топливных ячеек, которые являются неотъемлемой частью двигательной установки. Модель авиационного электродвигателя может быть применена при создании самолетов со взлетной массой более 2-х тонн. Т.е. на сегодняшний день выявляется еще один недостаток авиационных электродвигателей – ограничение по тяге. Для использования в пассажирской авиации такое ограничение носит принципиальный характер. Поэтому усилия межгосударственных проектов сконцентрированы на создание новой газотурбинной установки на криогенном топливе.

Еще одной научно-технической задачей при создании инфраструктуры при переходе на криогенное авиационное топливо является оптимизация способов хранения водорода и СПГ на борту самолета. Для СПГ определен один наиболее подходящий способ – в жидком виде. Такой вариант не потребует принципиальных изменений в конструкции самолетов, т.к. удельный объем СПГ чуть более 1,5 раз превышает удельный объем авиационного керосина. С хранением жидкого водорода на борту возникают сложности.

Хранить водород можно в низкотемпературной форме, но требуется очень низкая температура. Температура фазового равновесия при нормальном атмосферном давлении составляет 14 К. Хранение водорода при этой температуре требует специальных теплоизоляционных покрытий и материалов.

Хотя жидкий водород имеет преимущества в качестве топлива, у него также есть много недостатков, которые проявляются при его использовании:

• 1.    Хранение жидкого водорода требует улучшенной теплоизоляции;

• 2.    Давление в топливном баке с жидким водородом все еще должно быть повышено до 2 бар;

• 3.    Заправочное оборудование должно предотвращать попадание водорода из воздуха в топливный бак, поскольку при температуре хранения жидкого водорода состав воздуха уже будет находиться в твердом состоянии и может повлиять на работу всей топливной системы;

• 4.    Только с помощью гелия можно очистить топливопровод для удаления воздуха.

Хранение водорода в самолетах возможно не только в чистом виде. В качестве варианта хранения автор рассмотрел химический способ, то есть хранение водорода в виде его химического соединения. Гидриды металлов – это соединения металлов с водородом. Эти соединения могут быть использованы в качестве накопительных механизмов, обладающих способностью поглощать и выделять водород. Современные гидриды металлов технического уровня могут удерживать около 57% водорода, равного их весу. Это серьезный недостаток, поскольку вес металлической смеси будет чрезмерным для авиаци- онной техники. Другим вариантом химического хранения водорода являются углеродные нанотрубки. Они представляют собой трубчатые углеродные структуры размером 2 нм. Теоретически эти структуры могут накапливать газообразный водород в трубчатой структуре. Что касается авиации, то этот метод также неприменим из-за его высокого качества. Стеклянные микросферы – это самый современный способ хранения водорода. К недостаткам их коллективного использования в авиа- ции относятся сложность технологии, в которой они используются, и неразвитость инфраструктуры аэропортов, используемой для этих целей.

Создание газотурбовозов очень перспективно, но реализация идеи потребует огромных инженерных работ. Авиационные турбины, которые будут установлены на газотурбинных локомотивах, отличаются от традиционных железнодорожных двигателей с точки зрения параметров, методов применения и требований, предъяв- ляемых к ним. В дополнение к хранению водорода на самолетах необходимо внести изменения. Или водород можно производить непосредственно в аэропорту. СПГ также имеет аналогичные требования к хранению, но они не столь строги.

Поэтому ключом к запуску и распреде- лению водорода на самолетах является решение проблем хранения и производства и реализация технологического прогресса в этой области.

По сравнению с водородом, СПГ не так экологичен, как водород при сжигании, но его намного дешевле производить, транспортировать и хранить. Поскольку экономическая эффективность играет важную роль в современной авиационной промышленности, более целесообразно использовать сжиженный природный газ на уровне современных технологий. Существует также взгляд на водород как на топливо, который определяется уровнем технических решений по его производству, транспортировке и хранению.