Криогенная авиация — что это такое?

Сначала о термине. Криоген — низкотемпературное явление или вещество, температура которого уменьшена до -120 градусов Цельсия и ниже.
15 апреля 2023 года исполнилось 35 лет со дня первого в мире полета самолета Ту­-155­, один из двигателей которого (правый) НК-88 мог работать на сжиженном водороде или сжиженном природном газе. Этот двигатель создавали в КБ под руководством Николая Кузнецова в Самаре. Главным конструктором НК-88 был Владимир Орлов. Он взял за основу двигатель НК-8-2У, устанавливаемый на Ту-154.
Всего на Ту-155 было выполнено 70 полетов (из них пять — на сжиженном водороде), установлено 14 мировых рекордов. Остальные полеты были выполнены на сжиженном газе. Полет «водородного» самолета заложил основы создания советской гиперзвуковой авиации. 35 лет назад состоялся не просто очередной полет самолета-лаборатории. Это был шаг человечества в «криогенную авиацию». Специалисты из США отмечали, что полеты советского самолета на сжиженном водороде являются в истории авиации такой же вехой, как и первый полет советского спутника в 1957 году. Дело не только в борьбе за экологию, в которой применение водорода вместо керосина весьма прогрессивно. Актуальность криогенной авиации заключается еще и в том, что нефть в будущем закончится, а водород находится везде вокруг нас, хотя для его выделения требуется энергия, но и это решаемая­ задача.
Ту-155 — версия самолета Ту-154. В топливном баке Ту-155 содержался сжиженный водород при температуре -253 градуса или сжиженный природный газ при температуре -162 градуса. Отсюда понятие — криогенная авиация. Охлаждать эти газы необходимо из-за их больших объемов в газообразном состоянии. Бак, использовавшийся для сжиженного водорода (природного газа) в Ту-155, имел объем 17,7 кубических метра.
Высокая теплотворная способность водорода (в 2,8 раза по сравнению с керосином) увеличивает дальность полета. Это ­означает, что весовой запас водорода можно было взять на борт в меньших размерах, чем весовой запас керосина для обеспечения той же дальности полета. Полнота сгорания водорода позволяет уменьшить массу двигателя. Водород при сгорании не образовывает нагара, что увеличивает ресурс и надежность двигателя.
Теплотворность сжиженного природного газа лишь на 15 % больше керосина. Поэтому предпочтение отдается использованию в авиации водорода.
Водородное топливо занимает даже в сжиженном состоянии больше места, чем обычный керосин. Поэтому топливный бак на Ту-155 разместили в хвостовой части. В результате «водородный» самолет стал несколько длиннее существующих Ту-154. Использование для криогенной авиации обычных крыльевых баков невозможно из-за трудности в обеспечении теплоизоляции.

Экспериментальный Ту-155 в полете. Фото airwar.ru

Ту-155 поднял в воздух экипаж под ­командованием Владимира Севанькаева: Андрея Талалакина, Анатолия Криулина, Юрия Кремлева и Валерия Архипова. Из этой героической пятерки в настоящее время жив только В. Архипов, который вспоминал, что «американцы на самолете В-57В проводили эксперименты с водородом. В 1955 — 1956 годах они экспериментировали с водородом на земле. В феврале 1957 года B-57B в течение 20 минут летал на водороде. Установили на самолет два бака: с гелием и с водородом. Гелий выдавливает водород в турбореактивный двигатель, он некоторое время работал, а после сжигания водорода выключался. Эксперимент не получил продолжения. У нас же были полноценные полеты на водородном двигателе, работающем на различных режимах, от взлета до посадки. Из Москвы на газе летали в Братиславу, Ниццу и Ганновер. В 1990-м мы опережали ведущих разработчиков криогенной авиатехники на десятки лет. И это правда, наш турбонасосный агрегат создавали по принципу тех, что используются в ракетных двигателях. В 1990-х годах все работы были прекращены. А ведь все уже было готово к тому, чтобы создать самолет, который на первом этапе использовал сжиженный природный газ, с последующим переходом на водород. У нас уже начали создавать двухтопливный самолет: он мог летать и на керосине, и на природном газе. Все было остановлено из-за недостатка финансирования. Американцы честно признавали: русские сумели для жидкого водорода сделать насосную подачу, чем обошли США на 20 — 25 лет! Криогенное топливо подходит и для самолетов военно-транспортной авиации. Самый перспективный проект для нашей страны, как я считаю, — создание полностью отечественного самолета на сжиженном природном газе. С прицелом перехода на водород».

Система заправки cамолёта Ту-155. Фото rostec.ru

В будущем планировалось оснастить Ту-155­ двигателями НК-89, работающими как на природном газе, так и на керосине. Появилась идея двухтопливного самолета как переходный вариант. Такой самолет имел бы ряд преимуществ по сравнению с обычным самолетом такого же класса. Вот некоторые из них:
— на 10 – 20 % увеличивается дальность полета;
— улучшается гибкость применения, особенно в условиях ограниченной сети аэродромов, где есть хранилища жидкого водорода;
— повышается степень использования объемов самолета при заливке керосина в крыльевые баки;
— двухтопливные схемы позволяют реализовать условие «максимальной дальности по виду топлива», так как первоначально вырабатывается керосин, имеющий меньшую теплотворную способность.
Выше шла речь об использовании сжиженного водорода путем сжигания его в двигателе. Между тем конструкторы считают, что для самолетов малой и средней дальности винтовой схемы можно использовать водород в водородно-топливных элементах (ВТЭ).
Для реализации этой идеи сначала были попытки сделать электрический самолет на литийионных аккумуляторах. Но возникли проблемы.
Во-первых, удельная энергоемкость литийионных аккумуляторов слишком маленькая для того, чтобы поднять в воздух большой винтовой самолет или добиться длительного полета небольшого самолета. Достаточно вспомнить, что у большинства электрических беспилотников продолжительность полета не превышает часа.
Во-вторых, время зарядки аккумуляторных батарей слишком большое. Если пойти на использование съемных комплектов батарей, то это повлечет усложнение эксплуатации.
В-третьих, литийионные батареи пожароопасны. Имеется пример возгорания литийионной батареи (это случилось на земле), в результате которого был уничтожен летный прототип израильского электрического пассажирского самолета «Алиса».
В этих условиях нашли применение ВТЭ, в которых водород не горит, а окисляется, вырабатывая электричество. Так появился водород-кислородный аккумулятор. На выходе из него имеем воду (без оксида азота, который, напомним, все же образуется при горении водорода в реактивном двигателе) и электричество, вращающее винт от электромотора.
В нашей стране в 2019 году был построен такой (четвертый в мире) электрический самолет. Он был представлен на авиасалоне МАКС-2019. Самолеты с ВТЭ смогут поднимать в будущем самолеты до среднего размера. Через четыре-пять лет они будут доступны для обычных пассажиров.
В заключение заметим, что внедрение «водородного» самолета в коммерческие перевозки будет достаточно долгим. Сначала самолет должен пройти сертификацию, включающую тщательную проверку безопасности новой схемы — она даже для обычных самолетов занимает несколько лет. Потребуется создать инфраструктуру под «водородные» самолеты. Кроме того, еще много лет после начала поставок «водородных» самолетов будут летать двухтопливные самолеты, а значит, потребуется одновременно содержать разные инфраструктуры. Предполагается, что первые коммерческие полеты пассажирских лайнеров на водородном топливе могут начаться к 2035 году.
Сергей Елисеев.