Воздушному судну на водородной тяге быть

Дмитрий Басов,
директор В/О «Авиаэкспорт» по развитию
Александр Рубцов,
редактор журнала «Авиапанорама», кандидат экономических наук, доцент

Ту-155

Водород привлек внимание авиаконструкторов еще на заре развития авиации – в начале ХХ века. Хотя для полной корректности будет вернее говорить не об авиа-, а об аэроконструкторах, так как интерес водород вызывал не как источник энергии, а как газ, более легкий, чем атмосферный воздух. Водород использовался в дирижаблестроении. Но катастрофа с дирижаблем «Гинденбург» этот интерес остудила, в дирижаблях стал использоваться гелий.

Вновь к водороду авиаконструкторы обратились только в середине 1970 годов. Самарское двигателестроительное КБ под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова (в настоящее время – ПАО «Кузнецов») приступило к работам по исследованию возможности использования жидкого водорода и сжиженного природного газа (СПГ) в качестве альтернативного топлива для авиационных двигателей. Первым экспериментальным двигателем, работающим на жидком водороде, стал двигатель НК-88, созданный на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2.

В конце 1970-х – начале 1980-х разработчик топливной автоматики для авиадвигателей МАКБ «Темп» (позже это НПП ЭГА, в настоящее время – ОАО «НПП «ТЕМП» имени Ф. Короткова) приступил к созданию систем автоматического регулирования подачи альтернативных видов топлива. Была создана специальная аппаратура для работы как на сжиженном природном газе, так и на водороде. Изготовили несколько комплектов агрегатов, которые прошли необходимый объем стендовых испытаний, наземных испытаний на двигателе.

15 апреля 1988 г. состоялся первый полёт Ту-155. Пра-вым двигателем в его силовой установке был НК-88.

После этого ОКБ Туполева, ЦАГИ, Авиаэкспорт и ряд других авиационных организаций предпринимали попытки наладить международное кооперационное сотрудничество.

Справедливости ради следует отметить, что использование водорода рассматривалось тогда лишь в качестве одного из вариантов применения в авиации газообразного топлива. В качестве основного направления рассматривалось использование СПГ. За период 1985-1990 гг. на жидком водороде было сделано только 5 полетов. Хотя и это немного, но за рубежом полетов на жидком водороде не было вообще.

Гораздо большее значение водород получил тогда в ракетостроении. Водородные двигатели (РД-0120) использовал и советский орбитальный корабль-ракетоплан «Буран».

К сожалению, в связи с негативными тенденциями в отечественной авиационной промышленности, в конце 1990-х годов дальнейшие работы по использованию водорода в авиации были прекращены.

Но это не стало «концом» водородной тематики. «Второе дыхание» процессу «проникновения» водорода на транспорт вообще, а затем – и на воздушный, в частности, дала электрохимия. Речь идет вот о чем.

И двигатели Ту-155, и двигатели работающих на водороде автомобилей (например, созданный в 1976-1979 гг. в НАМИ РАФ-2203) использовали водород – если здесь уместно такое определение – традиционно, «по старинке», т.е. – его сжигая. Причем, сжигая не всегда в чистом виде, а в смеси либо с бензином (автомобильные ДВС), либо с керосином (авиационные двигатели). Но водород может давать энергию и не сгорая. Энергию – электрическую. Такую энергию производят топливные элементы – устройства, в которых водород соединяется с кислородом атмосферного воздуха, происходит химическая реакция. В результате ее образуется вода, а на разделительной мембране возникает электрический ток. Поскольку в топливном элементе нет (в отличие, скажем, от генератора) движущихся частей, его к.п.д. уже сейчас достигает 90%. Такая сказочно чистая и эффективная технология – реальность даже не завтрашнего, а сегодняшнего дня. Топливные элементы широко распространены почти по всему миру, в первую очередь, в Великобритании, Германии, США, Южной Корее и Японии. Особенно – в Японии, поставившей еще в 2018 году задачу построения общества, основанного на водороде.

Применение водорода на транспорте уже миновало стадию пилотных проектов. Легковые автомобили на топливных элементах (например, Honda Clarity) производятся серийно. Такие автомобили имеют топливные элементы, баллоны сжатого водорода, а также аккумуляторную батарею для холодного старта и поддержания пиковых нагрузок и ускорений. Выходная мощность серийно производимых моделей от 70 до 130 кВт, максимальная скорость – 160 км/ч. Причем, лимитирована скорость не двигателем как таковым, а системой программного контроля, лимитирующей расход водорода в пределах одного кг на 100 км пробега. Дальность пробега на одной заправке у той же Хонды Кларити составляет 750 км. Для сравнения скажем, что самый «дальнобойный» электромобиль аккумуляторного типа может проехать на одной зарядке 590 км. И то – по данным изготовителя – компании «Тесла». Кстати сказать, в марте 2019 г. в Китае был представлен электромобиль на топливных элементах с дальностью хода 1000 км, и ведется подготовка к его серийному производству. Серийно (пока – мелкосерийно) производят электромобили на топливных элементах Audi, BMW, Daimler, Ford, GM, Honda, Hyundai, Mercedes-Benz и Toyota. Стоимость такого автомобиля пока еще довольно высока. Вот цены самых распространенных на рынке моделей: Honda Clarity – 51 000 евро; Hyundai ix35 Fuel Cell – 65 400 евро; Toyota Mirai – 78 600 евро. Однако по оценкам экспертов (в частности, Hydrogen Council) стоимость автомобилей на топливных элементах и на ДВС за ближайшие 6-8 лет практически сравняется. И достигнуто это будет за счет расширения масштабов производства, ведь сейчас во всем мире эксплуатируется чуть более 12 000 автомобилей на топливных элементах. А о том, как растет рынок электромобилей, можно судить уже по тому факту, что в 2010 г. на дорогах мира было лишь те же 12 000 автомобилей на аккумуляторах, а в 2018 – уже 5 000 000!
Компании CAT, E-Trucks Europe, FAUN Kirchoff, linde, Renault/Symbio Fcell и ULEMCo выпускают уже и грузовые автомобили (пока – малотоннажные), развивающие скорость до 130 км/час и способные на одной заправке проработать смену.
Компании Ballard, Daimler EvroBus, Hydrogeniks, Solaris, Toyota, Van Hool, VDL, и Writgtbas выпускают автобусы вместимостью до 105 человек (правда, к.п.д. этих машин ниже – порядка 55%, и удельное потребление водорода составляет 8-14 кг/100 км). На топливных элементах выпускаются скутеры и даже велосипеды. 15 стран уже имеют более или менее развитые сети заправок водородным топливом, в тот числе – Германия, Дания и Италия – достаточные для повсеместного использования автомобилей на топливных элементах.
«Нашли себя» топливные элементы и на железнодорожном транспорте. В Германии был запущен в эксплуатацию первый в мире поезд на водородных топливных элементах – Coradia iLint. На крыше – цистерна с водородом и топливный элемент. Скорость поезда – 140 км/ч, дальность поездки на одной заправке – 1000 км, а заправка длится 15 минут(!). Изначально проект разрабатывался немецкой фирмой LHB, которая затем была поглощена французским концерном Alston. С 16 июля 2019 г. этим транспортом связаны города Бремерферде, Бремерхафен, Букстехуде и Куксхафен. К 2021 г. земля Нижняя Саксония закупит 14 таких поездов, что обойдется в 81 млн евро. Ну, это – Германия, а российской стороной с концерном Alston уже подписано соглашение, по которому «водородные» поезда побегут у нас на Сахалине.
В Нидерландах производятся морские суда на топливных элементах.

Но вернемся к авиации. Понятно, что применение топливных элементов здесь может идти лишь в русле развития электроавиации. Какую картину мы здесь наблюдаем?

С одной стороны, несомненные успехи есть – в Германии производятся (и успешно продаются!) электропланеры, Словения производит (и не менее успешно продает) легкие электросамолеты, в Китае создан (и эксплуатируется в ОАЭ в качестве беспилотного аэротакси) легкий электровертолет. Электросамолет облетел уже вокруг Земли. Но… все это не имеет отношения к топливным элементам: облетевший вокруг земли самолет был на солнечных панелях, а в остальных упомянутых летательных аппаратах используются аккумуляторные батареи.

На сегодняшний день в большинстве стран топливные элементы «проникли» пока лишь на беспилотные летательные аппараты. Британская компания Cella разработала твердые гранулы водорода и в марте 2016 года запустила в Шотландии беспилотник, загруженный сотней таких гранул (площадь каждой около одного квадратного сантиметра). К сожалению, о продолжительности и скорости полета компания не сообщает, но уже несомненным достижением является то, что вся эта система (топливные элементы, запас гранул) в три с лишним раза легче, чем литиевые батареи таких же выходных характеристик.

А ведь именно вес даже самых современных аккумуляторных батарей не позволяет создать настоящий электровертолет. Китайское аэротакси в Дубае таковым, безусловно, не является – это «игрушка»-беспилотник, на 15 минут поднимающий в воздух одного пассажира с рюкзачком. А о том, насколько востребован электровертолет, говорит тот факт, что работы по его созданию идут по всему миру от Китая до США (у нас, к сожалению, они заметны мало). Потому что, в отличие от, скажем, электромобиля преимущества электровертолета перед обычным, использующим ДВС, сводятся не только к экологии. Экологический фактор здесь даже не основной. Преимущества электровертолета заключаются в следующем:

  1. Электровертолет не нуждается в таком сложном, тяжелом, уязвимом и дорогом агрегате, как редуктор. Что делает его (при прочих равных условиях) проще, легче, надежнее и дешевле.
  2. Электровертолет не потребляет нефтепродуктов, что крайне важно везде, а особенно в районах Крайнего Севера (учитывая себестоимость доставки туда авиационного топлива).
  3. Электродвигатель значительно проще в управлении, чем ДВС, что крайне важно для беспилотных летательных аппаратов. (Постоянное расширение сферы применения БЛП – тоже реальность сегодняшнего дня.)
  4. Час полетного времени электровертолета значительно дешевле, чем час полета вертолета с ДВС.
    Это все – о гражданской авиации. Если же говорить о авиации военного назначения, то к этим пунктам нужно добавить 5-й:
  5. К.п.д. ДВС – около 30%; 70% энергии превращается в тепловую. Температура выхлопных газов вертолета – 900 градусов по Цельсию. КПД электродвигателя – свыше 90%. Электровертолет почти «холоден». Это делает его значительно менее заметным для современных систем обнаружения воздушных целей в ИК-диапазоне.

Но в Германии, Китае и США уже появились и пилотируемые аппараты на топливных элементах. Сотрудничество производителя воздушных судов Pipistrel, разработчиков топливных элементов из компании Hydrogenics и ученых из университетов Ульма и немецкого аэрокосмического центра Института инженерной аэродинамики приблизило день запуска пассажирских самолетов с нулевым уровнем выбросов, что экологически безопасно для окружающей среды. Работающий на водороде четырехместный одномоторный HY4 совершил свой первый 15-минутный полет вокруг аэропорта Штутгарта.

HY4, длина которого 21,36 метра, состоит из двух кабин, расположенных по обе стороны от двигателя — такая непривычная конструкция позволила оптимально распределить нагрузку по площади всего воздушного судна, что уменьшило потребление топлива и увеличило общую грузоподъемность. Каждый фюзеляж снабжён 9-килограммовой емкостью для водородного топлива, которое питает четыре низкотемпературных обменных мембраны топливных модулей. Продуманная система преобразует водород и кислород в воду, вырабатывая необходимую для функционирования транспорта электрическую энергию.

Экосамолет при полных баках и оптимальных условиях полета способен преодолеть до 1 500 километров, что, по современным меркам, не так уж много, но стоит учитывать, что полет HY4 не наносит вреда окружающей среде в отличие от современных воздушных средств передвижения. Максимальная и крейсерская скорость равны 200 и 145 км/ч соответственно.

Противники водородной энергетики часто апеллируют к повышенной взрывоопасности водорода. Но повышенной по сравнению с чем? С торфом, углем, дровами? Так эти энергоносители в авиации никогда и не применялись. А возгораемость или, тем более, взрывоопасность водорода ниже, чем возгораемость или взрывоопасность керосина.

Ну а как с внедрением водорода в авиацию дело обстоит у нас в России сегодня? О применении водорода в качестве топлива реактивных двигателей мы уже говорили выше, а с применением водорода в топливных элементах – в общем, так же, как и во всем мире: беспилотные аппараты на топливных элементах летают, а в пилотируемой авиации – первые робкие попытки.

На авиасалоне в Жуковском (27.08 – 01.09.2019) демонстрировался отечественный самолет (хотя, возможно, правильнее будет назвать его полноразмерным макетом) на водородных топливных элементах. Он представляет из себя переделанный под «водородную тягу» отечественный легкий двухместный самолет «Сигма-4». Самолет имеет размах крыльев 9,8 м, длиной он 6,2 м. Водородная силовая установка занимает место пассажира – самолет стал одноместным. Взлетная масса составляет теперь 600 кг, дальность полета, по словам создателей машины (борт не летал) – 300 км.

Главную часть – топливный элемент – разработал (совместно с группой компаний «ИнЭнерджи») Институт проблем химической физики РАН – ведущая организация по проекту создания водородного самолета. Руководитель проекта – профессор Юрий Добровольский. Силовая установка, включая баки для хранения водорода, редукторы, расходомеры, топливные магистрали, увлажнитель, компрессор, системы охлаждения топливного элемента, подготовки и подачи воздуха, а также системы контроля, созданы отделом гибридных и электрических силовых установок ЦИАМ им. П.И. Баранова. В дальнейших планах – замена одного винта множеством маленьких, расположенных по передней кромке крыла. Вопрос о проектировании нового планера уже обсуждался с Санкт-Петербургским политехническим университетом им. Петра Великого.

ЦИАМ планирует испытать силовую установку в полете, но в «урезанном виде», т.е. … на аккумуляторах. Однако, во-первых, это, даже по словам инициаторов эксперимента, сократит полетное время до 15 минут, а, во-вторых, испытание водородной силовой установки без водорода…

Но от чего же у нас все так скромно: водородного автомобиля нет, водородный самолет не летает, водородный поезд – импортный? Нам представляется, что ответ на этот вопрос дан в очень интересном докладе «Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию», подготовленному Центром энергетики Московской школы управления СКОЛКОВО. (Мы в статье не раз использовали материалы из этого доклада. Его авторы: Татьяна МИТРОВА, Юрий МЕЛЬНИКОВ, Дмитрий ЧУГУНОВ). Доклад можно найти в интернете. Так вот – процитируем дословно – в нем говорится: «В России пока отсутствует не только национальная водородная программа, но даже и видимая координация различных исследовательских групп и интересов».

Причем реальное положение вещей – не лучше, чем отражено в этом докладе. Во многом из-за отсутствия координации происходит не наращивание нашего национального «водородного потенциала», а наоборот – «сдача» уже имеющихся позиций. Так, в докладе говорится об имеющемся у нас крупнейшем производителе электролизеров – ПАО «Уралхиммаш» (г. Екатеринбург), выпускающем установки производительностью от 4 до 300 кубических метров водорода в час. Завод прекратил свое существование. На рынке электролизеров полностью господствуют иностранные компании.

Национальная ассоциация водородной энергетики (НАВЭ), на которую докладчики возлагают некоторые надежды, ограничивается тем, что, работая в ряде технических комитетов, вводит в России стандарты, являющиеся аналогами международных стандартов в области водородных технологий. Дело, конечно, тоже полезное, но ни о какой координирующей роли в плане развития национальной водородной энергетики речь не идет. Кстати (или – не кстати) сказать, сама эта национальная ассоциация позиционирует себя – см. ее сайт – как представительство в России и СНГ Международной ассоциации водородной энергетики (IAHE), с которой можно связаться – опять см. сайт – в … Майами, Флорида.

В сложившейся ситуации роль координатора в вопросе развития водородной энергетики в целом по силам лишь государственному органу. Пока делаются самые первые, и потому скромные шаги. Но главное – начать. Тем более, что делается это как составная часть более объемлющей работы – применения в авиации нетрадиционных источников энергии (в первую очередь – газообразных топлив). Поэтому к теме применения в авиации водорода, а также других альтернативных топлив, мы вернемся в своей следующей публикации.

Ваш комментарий будет первым

Написать ответ

Выш Mail не будет опубликован


*


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика