Советник отдела двигателестроения, агрегатов и оборудования департамента авиапромышленности Минпромторга рассказывает внештатному корреспонденту «ЭЖ» Шамилю Байбекову о российском опыте создания криогенного самолета, двигатель которого работает на жидком водороде и природном газе.
«ЭЖ»: 30 лет назад создать криогенный самолет пытались не только в СССР, у нас такой самолет полетел…
Алексей Иванов: Мы не были единственными интересантами замены углеводородного топлива на альтернативное. Работы по применению в авиации жидкого водорода, сжиженного природного газа (СПГ) и синтетических топлив на базе угля, природного газа и биомассы велись в США и Европе. Активно изучалось применение жидкого водорода (ЖВ) с целью его использования после 2030 г. Это обуславливалось тем, что вследствие большого влияния плотности топлива и массы конструкции на технико-экономические показатели самолета энергоноситель выгодно применять в жидком состоянии. Исследования показали, что наиболее приемлемыми для авиации являются жидкие криогенные топлива, к которым относятся перспективный энергоноситель — жидкий водород, имеющий температуру –252°С, и сжиженный природный газ (СПГ), имеющий температуру –162°С. Жидкий водород имеет наибольшую из всех горючих теплоту сгорания. При его использовании дальность самолета при одинаковой полезной нагрузке может быть увеличена, или при той же дальности увеличена масса перевозимого груза. Продуктом сгорания водорода является вода, то есть отсутствуют загрязняющие атмосферу вещества. При массовом производстве с использованием передовых технологий стоимость жидкого водорода на единицу перевозимого груза может быть соизмерима со стоимостью нефтяного топлива.
Сжиженный природный газ дешевле нефтяного топлива, а также образует значительно меньше вредных веществ. Так как СПГ и жидкий водород относятся к криогенным топливам, то целесообразно на первом этапе применять СПГ, что даст опыт эксплуатации таких топлив, а затем перейти к жидкому водороду.
По мере развития инфраструктуры производства сжиженного природного газа в таких странах, как Россия, Алжир, Катар, Норвегия и других, наметилась тенденция увеличения объема его производства как наиболее перспективного вида моторного топлива.
«ЭЖ»: Удалось поднять в воздух криогенный самолет?
А. И.: После успешного завершения наземных испытаний самолета, при которых произвели запуски двигателя на жидком водороде, были начаты летные эксперименты. 15 апреля 1988 г. самолет Ту‑155 выполнил первый полет на жидком водороде. Всего было выполнено пять полетов на жидком водороде общей продолжительностью 4 часа 27 минут.
При полетах на сжиженном природном газе программа наземных испытаний была укорочена вследствие уже набранного опыта работы на жидком водороде, и первый полет самолета на СПГ был совершен 18 января 1989 г. Всего было выполнено около 100 полетов, из них 12 — на внутренних и международных трассах, остальные при испытании самолета. Все полеты, в том числе 12 демонстрационных с посадкой в российских и иностранных аэропортах, прошли без отказов самолетного криогенного комплекса. Затраты на создание Ту‑155 составили 39 млн руб. в ценах тех лет.
«ЭЖ»: Иностранные аэропорты рискнули принять столь необычный экспериментальный рейс?
А. И.: Не только согласились принять, но даже предложили совместно изучать эксплуатационные возможности новой техники. В 1991 г. по инициативе германской фирмы «Дойче Аэрбac» ОКБ Туполева провело совместные исследования по определению возможности модификаций самолетов А‑310 для применения в качестве топлива жидкого водорода. Было показано, что при модификации серийного пассажирского самолета А‑310 с изменением фюзеляжа могут быть значительно увеличены дальность и число пассажиров. На первом этапе исследовали реализуемость создания криоплана-демонстратора без удлинения фюзеляжа. Была определена оптимальная компоновка, разработана схема топливной криогенной системы, определены параметры агрегатов и теплоизоляции. В результате была показана реальность модификации самолета для применения в качестве топлива жидкого водорода. В дальнейшем была проведена работа по определению возможности создания демонстратора с целью экономии средств на меньшем самолете — Do‑328.
«ЭЖ»: Каковы результаты этой совместной работы?
А. И.: В первую очередь, все убедились в реальности модификации самолета А‑310 для применения ЖВ. Кроме того, исследователи убедились в возможности увеличения дальности и эксплуатационной нагрузки самолета А‑310 при полетах на водороде. Была определена оптимальная компоновка этого самолета и показана реальность модификации самолета Dо‑328 для применения ЖВ.
«ЭЖ»: Это был итог эксперимента?
А. И.: Нет, наше исследование продолжалось и далее. В связи с тем, что на экспериментальном самолете Ту‑155 было установлено криогенное оборудование, в основном изготовленное по наземной технологии, были проведены расчетно-экспериментальные работы по созданию самолетных конструкций и технологий. В частности, были проведены теоретические и экспериментальные научно-исследовательские работы по определению условий бездренажных заправок криогенным топливом самолетных баков и его хранения. Разработанная методика оптимизации криогенной топливной системы позволила рассчитать характеристику теплоизоляции и мощность подкачивающего внутрибакового насоса, при которых в полете не будет сброса природного газа через дренаж. Для исследования внутрибаковых процессов был создан модельный стенд с малоразмерным баком, на котором отрабатывались методика и условия бездренажной эксплуатации криогенной авиационной силовой установки с СПГ. Результаты исследований позволили разработать методику оптимизации криогенной топливной системы, рассчитать характеристику теплоизоляции, мощность подкачивающего внутрибакового насоса и размеры трубопроводов.
«ЭЖ»: Как оценивались эти результаты в России?
А. И.: Серьезно и с перспективой. На основании проведенных работ и в соответствии с постановлением Правительства РФ от 15.10.2001 «О федеральной целевой программе „Развитие гражданской авиационной техники России на 2002—2010 гг. и на период до 2015 года“» был разработан проект модифицированного самолета Ту‑204К, использующего СПГ. Особое внимание было обращено на разработку мероприятий по обеспечению безопасности эксплуатации. Эти исследования показали, что при проектировании криогенной силовой установки с учетом особенностей и опыта эксплуатации криогенные топлива более безопасны, чем керосин. Подчеркну, что к аналогичным результатам в 1981 г. пришла и американская фирма «Локхид».
Основным итогом исследований стало доказательство возможности создания криогенной авиации.
«ЭЖ»: Ту‑204К должен был продолжить эстафету исследований в этой области?
А. И.: Речь шла уже не только об исследованиях. Предполагалось, что этот лайнер станет первым проектом коммерческого самолета с использованием в качестве топлива СПГ, предназначенного для грузовых и пассажирских перевозок 150—210 пассажиров на расстояние 4200—5500 км в любых климатических условиях, днем и ночью. Расчеты указывали на то, что эксплуатация Ту‑204К позволит, по сравнению с базовым Ту‑204, значительно снизить токсичные выбросы, в 2,5 раза уменьшить затраты на топливо, снизить прямые эксплуатационные расходы на 4—5% на один час полета.
«ЭЖ»: В очередной раз мы, будучи пионерами в перспективной разработке, можем оказаться аутсайдерами в деле ее практической реализации?
А. И.: Надеюсь, что здравый смысл возобладает. Сделано очень многое. Разработан проект модифицированного серийного самолета Ту‑204К, способного летать на топливе СПГ.
По нашим расчетам, при доработке самолета под криогенное топливо его удорожание не превысит 15% стоимости серийного самолета Ту‑204. При этом его эксплуатация на СПГ за счет более низкой цены по отношению к углеводородному топливу удешевляет затраты на приобретение в разы. Сегодня СПГ примерно в два раза дешевле керосина. Об экологической составляющей, на которую сегодня обращает внимание IKAO, ужесточая требования по шумам и эмиссии струи из реактивного двигателя, и говорить не приходится. После полетов самолета Ту‑155 на водороде и СПГ сопло двигателя было чистым, без сажевых отложений.
«ЭЖ»: Может ли этот проект стать основой еще более фантастических разработок?
А. И.: В результате этих работ стала очевидна возможность создания конкурентоспособных экономичных и экологически чистых криогенных самолетов, в том числе и высотно-космических, условное обозначение Ту‑2000.
«ЭЖ»: Это реально в условиях, когда задвинута в «дальний ящик» более практичная разработка?
А. И.: Реально и то и другое. А главное — нужно. Такое судно способно производить мониторинг поверхности земли с целью предупреждения экологических катастроф, отслеживать военные конфликты и предупреждать ракетные атаки, спасать экипажи космических кораблей в аварийных ситуациях на станциях, удалять космический мусор…
Однако создание ВКС типа Ту‑2000 в связи с высокой стоимостью проекта возможно только под контролем ООН и при кооперации миролюбивых стран, таких как Германия, Франция, Италия, Индия, Китай, Япония и др.