15 апреля 1988 года совершил первый полет самолет Ту-155, силовая установка которого работала на криогенном топливе – жидком водороде. Не имевший в то время мировых аналогов двигатель НК-88 был разработан на самарском двигателестроительном предприятии «Кузнецов». Инициатива же создания самого самолета, использовавшего криогенный вид топлива вместо авиационного керосина, принадлежала конструкторскому бюро «Туполев».
В середине 1970-х годов СССР, как и весь мир, испытывал энергетический кризис из-за дефицита добычи нефти. Поэтому активно обсуждалась возможность применения альтернативных видов топлива. Пожалуй, для XXI века с его экологическими проблемами эта тема еще более актуальна. Об истории создания уникального Ту-155 и криогенном будущем авиации – в этой статье.
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.
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.
Рожденный «Холодом»
Прошедший в 2019 году авиасалон МАКС, помимо презентации целого ряда новинок отечественного военного и гражданского авиастроения, предоставил отличную возможность в прямом смысле прикоснуться к прошлому отечественной авиации. На статической стоянке аэродрома Жуковский была организована историческая экспозиция легендарных советских реактивных самолетов. Одно из центральных мест там занял Ту-155 – экспериментальный самолет с двигателем на криогенном топливе.
«Криогенный» переводится как «рожденный холодом». Речь идет о топливе, охлажденном до очень низких температур, когда газ переходит в жидкое состояние. Первым газом, с которым стали работать создатели Ту-155, стал водород. После самолет успел полетать и на сжиженном природном газе (СПГ).
Самолет Ту-155 на МАКС-2019
Научные работы по конструированию Ту-155 начались еще в 1970-е годы. Тогда в мировой энергетике назревал кризис – газовое топливо стало цениться дороже, чем нефтяное. Потребление нефти продолжало снижаться. Кстати, по подсчетам геологов, потенциальные запасы газа на планете в десятки раз превосходят запасы угля и нефти. При этом наша страна занимает первое место в мире по разведанным запасам природного газа.
В 1970-е годы советская Академия наук разработала программу НИОКР по внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиапроме эта программа получила соответствующее название – «Холод». Предусматривалось создание авиационных двигательных установок на криогенном топливе. Кроме экологической составляющей, был и другой пункт в пользу чистого топлива – развитие гиперзвуковых и авиационно-космических систем. В те годы вовсю шла работа над созданием «Бурана», а топливом одной из ступеней ракеты-носителя космического челнока были жидкие кислород и водород.
В середине 1980-х годов специалисты ОКБ А.Н. Туполева приступили к созданию самолета – летающей лаборатории, работающего на криогенном топливе. Базой для экспериментального лайнера стал пассажирский Ту-154.
В качестве авиационного топлива был использован жидкий водород – почти идеальное экологически чистое топливо выделяет при сгорании в основном воду и незначительное количество окислов азота. По теплотворной способности водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин. Но в то же время водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (–273 °С). И это представляет собой серьезную проблему.
Макет Ту-155 с двигателями на криогенном топливе
«При проектировании летающей лаборатории пришлось существенно изменить компоновку Ту-154 и решить целый ряд сложнейших технических задач. В хвостовой части фюзеляжа, где располагался пассажирский салон, был оборудован герметичный отсек, и в нем установлен криогенный бак на 20 куб. метров жидкого водорода с экранно-вакуумной теплоизоляцией, которая долгое время сохраняет в баке температуру ниже минус 253 градусов по Цельсию», – рассказывает заместитель генерального директора ПАО «Туполев» по проектированию, НИР и ОКР Валерий Солозобов, принимавший непосредственное участие в создании Ту-155.
Экспериментальный турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88 на Ту-155. Фото: Андрей Сдатчиков / Airwar.ru
Правый двигатель самолета заменили модифицированным двигателем НК-88, работающим на жидководородном топливе. Для его подачи вместо привычного насоса установили высоконапорный турбонасосный агрегат, наподобие тех, что используются в ракетных двигателях. Для обеспечения надежной взрыво- и пожаробезопасности самолета, из отсека с криогенным баком убрали почти всю электропроводку – источник возможного образования искры. Спроектировали и смонтировали дренажную систему, которая отводит из бака пары водорода на безопасное расстояние от двигателей и источников электричества. Всего было сконструировано более 30 дополнительных бортовых систем.
15 апреля 1988 года экипаж летчика-испытателя Владимира Севанькаева поднял в небо экспериментальный самолет Ту-155 с тремя двигателями, один из которых работал на жидком водороде. Это считается первым в мире полетом на криогенном топливе.
Водород и «синдром Гинденбурга»
На практике, при всех своих достоинствах, криогенная авиация оказалась не таким уж простым проектом. Водород заслужил репутацию самого взрывоопасного топлива. Довольно длительное время имела место своего рода водородная боязнь. Этот феномен даже получил имя – «синдром Гинденбурга» в память о гибели в 1937 году дирижабля «Гинденбург», наполненного водородом. Такая переоценка реальной опасности водорода сдерживала развитие водородной энергетики. При этом недооценивать опасность водорода также не стоит.
Экспериментальные полеты Ту-155 дали бесценный опыт для дальнейшего усовершенствования авиационных криогенных топливных систем. Следующим этапом проекта Ту-155 стало его переоборудование на более удобное в эксплуатации топливо – сжиженный природный газ.
Система заправки для самолета Ту-155
«Как и водород, СПГ значительно меньше загрязняет окружающую среду, его теплотворная способность на 15% выше, чем у авиационного керосина. Водород взрывоопасен, хранить и транспортировать его можно только в жидком состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, что представляет очень серьезную проблему. Хранить СПГ в жидком виде гораздо проще, температура может быть около –160 °С, что почти на 100 градусов выше, чем при хранении водорода», – поясняет Валерий Солозобов.
В январе 1989 года летающую лабораторию Ту-155 оснастили криогенным двигателем, работающим на СПГ. Первые же полеты показали, что по сравнению с керосином удельный расход топлива снижается примерно на 15%, а экономичность воздушного лайнера существенно возрастает.
Всего на Ту-155 было совершено 70 полетов: в пяти из них топливом служил водород, в остальных – сжиженный природный газ(СПГ). Все полеты прошли без отказов самолетного криогенного комплекса и еще раз доказали, что расход топлива по сравнению с керосином меньше, при этом сопло двигателя остается чистым.
Люди, научившие не бояться водорода
Руководство страны высоко оценило достижение специалистов ОКБ А.Н. Туполева и смежных предприятий авиационной отрасли, участвующих в разработке Ту-155. Лауреатами премии Правительства Российской Федерации стали 15 участников работ, многие другие специалисты за участие в этой непростой работе удостоены высоких званий и правительственных наград.
Неоценимый вклад в создание и развитие отечественной авиации на криогенном топливе внесло огромное количество специалистов разного уровня. Куратором проекта в Министерстве авиационной промышленности был Леонид Михайлович Шкадов – замминистра авиапромышленности. Алексей Андреевич Туполев выступил инициатором проекта и его дальнейшего развития. В создании Ту-155 также принял участие великий инженер, академик Кузнецов Николай Дмитриевич.
Душой Ту-155, его руководителем в ОКБ А.Н. Туполева был Владимир Александрович Андреев. За силовую установку отвечал Валентин Всеволодович Малышев, внесший огромный вклад в успех благодаря глубоким знаниям и неуемной энергии. Под руководством будущего гендиректора предприятия «Туполев» Валентина Тихоновича Климова была разработана уникальная программа обеспечения безопасности, позволившая провести все работы без серьезных происшествий. Вячеслав Дмитриевич Борисов руководил созданием наземного комплекса и испытательных стендов на летной базе в Жуковском. Валерий Иванович Солозобов отвечал за производство, подготовку летных испытаний в КБ и разработку конструкции водородного бака, который был изготовлен под руководством Рудольфа Зашляпина на криогенном производстве Уралвагонзавода.
Владимир Александрович Андреев, руководитель проекта Ту-155 в ОКБ А.Н. Туполева
Также в работе активно участвовал высококвалифицированный состав ученых и инженеров Минобороны РФ, к примеру специальные испытания Ту-155 проводились на базе аэродрома Чкаловский. Также нельзя не сказать о вкладе выдающихся академиков Николая Павловича Лаверова, Анатолия Петровича Александрова, Валерия Алексеевича Легасова, ученых из Дубны Александра Григорьевича Зельдовича и Леонида Голованова, научивших не бояться водорода, а навсегда полюбить эту фантастическую жидкость. Кстати, система газового контроля для самолета была разработана в московском Опытно-конструкторском бюро автоматики (ОКБА) под руководством Юрия Михайловича Лужкова, будущего мэра Москвы.
В целом сформировалась замечательная команда из разных отечественных научных и производственных структур, создавшая самолет, который, как отмечают многие эксперты отрасли, сильно опередил свое время. К сожалению, уровень технологий того времени не позволил полноценно продолжить работу над данным проектом, но этот Ту-155 стал наглядным доказательством самой возможности создания криогенной авиации.
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.
Ту-155 сегодня в сохранности на стоянке в ЛИИ им. М. Громова.
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.
Криогенное будущее авиации
Разработка и применение новых типов источников энергии остается важной проблемой авиации в XXI веке, над решением которой работают специалисты и энтузиасты нового поколения. Звучат различные яркие идеи. Несколько лет назад калининградский школьник Сергей Горобец рассказал о своей электронной модели двигателя на криогенном топливе во время всероссийского открытого урока, который проводил Владимир Путин на площадке форума «ПроеКТОриЯ». Тогда юным изобретателем заинтересовались специалисты, а Госкорпорация Ростех предложила ему бесплатное обучение в одном из восьми вузов страны на выбор. Сейчас Сергей учится в Московском авиационном институте по специальности «Самолетостроение», а форум «ПроеКТОриЯ» посещает уже в качестве эксперта от Ростеха.
Как, какими темпами, на каких технологических основах будет расширяться применение новых типов источников энергии в авиации – покажет время. Предстоит еще многое сделать по разработке специальных бортовых систем и в сфере развития наземной инфраструктуры.
Исследователи могут ошибаться на десятки лет, но запасы нефти в какой-то момент, вероятнее всего, будут исчерпаны. Та страна, ученые и специалисты которой первыми найдут эффективные решения в области неисчерпаемых источников энергии, получит преимущество.
Одно остается бесспорным: у России имеется уникальный опыт в этой области, и наша страна всегда была богата на талантливых ученых и изобретателей…
По теме:
Самолёт Ту-155 – летающая лаборатория для авиации XXI века
23.07.2021г. В ОДК стартовал проект разработки авиадвигателей на водородном топливе